基于ZigBee的室內(nèi)無(wú)線定位設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)總說(shuō)明INTRODUCTIONII1緒論11.1 課題研究的背景與意義 11.2 本文主要工作及組織結(jié)構(gòu)52 ZigBee技術(shù)的簡(jiǎn)介62.1 ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)62.2 IEEE802.15.4 協(xié)議棧和ZigBee協(xié)議棧概述82.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成112.4 Z-Stack 協(xié)議棧143無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)介紹 193.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述 193.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的分類 213.3 無(wú)線傳感網(wǎng)中基于測(cè)距的定位算法 224基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 304.1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖304.2 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 314.3 定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 344.4

2、節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)問(wèn)機(jī)信405實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析445.1 測(cè)試條件與環(huán)境445.2 測(cè)試結(jié)果分析446總結(jié)46獻(xiàn)48致謝49華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)總說(shuō)明：無(wú)線定位廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航、測(cè)量、自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域。目前，以GPS為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，但在小范圍或室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)中，定位的精度、 成本、能耗等方面還不能完全滿足需求。近年來(lái)，新興的ZigBee技術(shù)為無(wú)線定位注入了新的活力。ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本、高擴(kuò)展性的特點(diǎn)為構(gòu)建無(wú) 線定位系統(tǒng)提供一種很好的解決方案。本文以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，完成了一種無(wú)線定位方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該定位系

3、 統(tǒng)中有三種設(shè)備，分別為參考節(jié)點(diǎn)、控制器和需要求得其位置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。 定位 過(guò)程中使用的測(cè)量參數(shù)為接收信號(hào)強(qiáng)度指示 RSSL各設(shè)備中采用的ZigBee無(wú)線 模塊為TI公司生產(chǎn)的CC2530這種芯片直接支持RSSI技術(shù)。無(wú)線定位系統(tǒng)涉及到定位的測(cè)量參數(shù)、算法和通信這三種關(guān)鍵技術(shù)。本文首先講 解ZigBee通信部分，包括各種設(shè)備的通信過(guò)程、定位通信的規(guī)范、用到的消息 格式以及交互流程等。然后，本文介紹了無(wú)線模塊中使用的RSSI參數(shù)特性，并以CC2530的定位引擎進(jìn)行定位計(jì)算為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)定位系統(tǒng)，對(duì)該引擎在室內(nèi)環(huán)境中的定位性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。最終完成的定位系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)：在低密度布網(wǎng)中，能定位出移

4、動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域， 也能進(jìn)行一維定位即求得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)坐標(biāo)，從而得出它所處的位置區(qū)域；而在高密度布網(wǎng)中，能進(jìn)行二維定位，判斷出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在平面中的準(zhǔn)確位置。根據(jù)對(duì)定位引擎的性能測(cè)試結(jié)果，提出改進(jìn)意見(jiàn)。本文為進(jìn)一步降低構(gòu)建定位網(wǎng) 絡(luò)的成本和實(shí)現(xiàn)樓層空間內(nèi)的定位提供了一種可行的解決方案。關(guān)鍵詞：無(wú)線定位；ZigBee；室內(nèi)定位；CC2530定位引擎；接收信號(hào)強(qiáng)度指示I基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì)Wireless location indoor systems based on ZigBeeINTRODUCTION :Wireless location has applications

5、 in navigation, measuring, automatic control and many others. At present, GPS has been very mature, but in a small or indoor location system, the location accuracy, cost and many others cant fully meet the demands. In recentyears, the appearance of the ZigBee technology has injected new vitality for

6、 the wirelesslocation. ZigBee is a low-power, low cost, highly scalable technology, and which provides agood solution to build a location system.In this paper, we propose a wireless location system based on ZigBee. There are three kinds of equipment in the systems which are the reference node, the m

7、obile end device andthe controllers. Received signal strength indicator is the location parameters. The ZigBeewireless module used in the equipment are TI CC2530, and both of this chips support theRSSI.Wireless location systems usually require three different key technologies, which are location par

8、ameters, algorithms and the communication. In this paper, we introduced theZigBee communications in the first. And then, we explain the RSSI parameters in the wireless module. We use the calculation of the location engine in the CC2530 to build location system, and we make a performance testing and

9、analysis in the indoor environment.In thel location systems can do: in the low density of network, we can get one-dimensional locations and knows one coordinate of the mobile device; in the high density of network, we can get two-dimensional locations and know exact location of the mobile device.Acc

10、ording to the test results of the engine, we give the advice of the location program in the indoor environment.At the end of this paper, we explain how we can further reduce the cost of building a location network and how to achieve a floor location system. Key words: Wireless Location; ZigBee; Indo

11、or Location; CC2530; Location Engine; Received Signal Strength Indicator (RSSI) II華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)1緒論從古時(shí)開(kāi)始，人類在交通運(yùn)輸、遠(yuǎn)洋航行等多種領(lǐng)域就對(duì)位置信息有著廣泛的需 求。星相學(xué)開(kāi)始出現(xiàn)的一個(gè)重要目的就是滿足人們對(duì)位置的需求，指南針的發(fā)明更是直接為定位提供服務(wù)。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人類要求更好的定位技術(shù)來(lái)滿 足在交通、監(jiān)控、調(diào)度、自動(dòng)控制、跟蹤導(dǎo)航等應(yīng)用范圍內(nèi)對(duì)位置服務(wù)的需求。無(wú)線電出現(xiàn)后為定位提供了一個(gè)很好的工具， 伴隨著無(wú)線電在各種應(yīng)用領(lǐng)域中的 廣泛使用，無(wú)線定位技術(shù)也得到了極快的發(fā)展。1

12、.1 課題研究的背景與意義1.1.1 無(wú)線定位的發(fā)展及應(yīng)用隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展， 人們對(duì)無(wú)線定位的需求與日俱增。 無(wú)線定位服務(wù)是指通過(guò)無(wú)線終端和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的配合， 確定移動(dòng)用戶的實(shí)際位置信 息，從而提供用戶所需的與位置和方向相關(guān)的服務(wù)。無(wú)線電自出現(xiàn)后就廣泛影響著人類的生產(chǎn)生活方式，它的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅只是局限在語(yǔ)音通信、數(shù)據(jù)傳送等通信服務(wù)領(lǐng)域，無(wú)線定位也是它的一個(gè)重要應(yīng)用方面。 無(wú)線定位是一種利用無(wú)線信號(hào)測(cè)量并為用戶提供位置服務(wù)的技術(shù)。在無(wú)線定位中,無(wú)線電波的傳播時(shí)間、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、相位等特性會(huì)隨著位置的改變而改變， 得到這 些特性后進(jìn)行計(jì)算分析就可以得到未知點(diǎn)的位置。作為定位技術(shù)

13、的一種，無(wú)線定位最早也是使用在導(dǎo)航方面。60年代中期正式投入使用的Transit系統(tǒng)第一次實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)為用戶提供高精度的二維定位 服務(wù)。自此，無(wú)線定位開(kāi)始出現(xiàn)在交通、調(diào)度、自動(dòng)控制等多種應(yīng)用領(lǐng)域。以 Transit系統(tǒng)為基礎(chǔ)，美國(guó)研制的GPS定位系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在陸?？崭鲄^(qū)域 的導(dǎo)航、高度測(cè)量、速度測(cè)量、自動(dòng)控制、智能調(diào)度等各種領(lǐng)域，能夠在全球范 圍內(nèi)為用戶提供全天候的三維定位服務(wù)。 在軍事以及民用上，GPS系統(tǒng)有極大的 需求，它的出現(xiàn)加速推動(dòng)了無(wú)線定位技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)歐洲和我國(guó)也分別開(kāi)始建立類似的如伽利略定位系統(tǒng)和北斗定位系統(tǒng)。正是由于無(wú)線定位在安防、施救等方面的重要作用，因此當(dāng)美國(guó)頒

14、布E-911后，更多的機(jī)構(gòu)投入到對(duì)無(wú)線定位的一系列的研究和開(kāi)發(fā)中。隨后，美國(guó)又在對(duì) E-911的補(bǔ)充中明確規(guī)定了定位的精度。頁(yè)49共頁(yè)1第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 在現(xiàn)代信息社會(huì)，獲取位置信息越來(lái)越重要，尤其是無(wú)線定位技術(shù)與自動(dòng)控制技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的結(jié)合使得無(wú)線定位擁有更廣泛的應(yīng)用前景。目前， 無(wú)線定位的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面：(1)導(dǎo)航，目前最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，此項(xiàng)業(yè)務(wù)一年的產(chǎn)值達(dá)百億美元。導(dǎo)航不 僅能指示用戶當(dāng)前所在的位置，還能與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合為用戶提供交通指示、 導(dǎo)引，并實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的智能調(diào)度、自動(dòng)控制等。(2)安全，各種安全事故發(fā)生后，對(duì)位置信息的準(zhǔn)確

15、獲取能夠提供更快更好的 幫助，減少不必要的傷害。比如對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)消防員的定位， 礦井中對(duì)工人所處 位置的定位等能極大的增加災(zāi)禍發(fā)生后的救援速度。(3)監(jiān)測(cè)，對(duì)各種重要設(shè)備、物品以及人員的位置監(jiān)測(cè)，可以防止盜竊、丟失、 走失等。例如在超市、展館等場(chǎng)所，對(duì)人員的無(wú)線定位可以隨時(shí)得知兒童的位置， 防止走失。而在各種保密部門中，也可以通過(guò)對(duì)人員的無(wú)線定位來(lái)直觀、自動(dòng)的得知人員的位置信息，監(jiān)測(cè)人員的移動(dòng)情況。(4)自動(dòng)控制，自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制等。例如在超市、倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨品的無(wú)線 定位后可以實(shí)現(xiàn)物流的自動(dòng)管理。(5)測(cè)量與探測(cè)，高度測(cè)量、距離測(cè)試、速度測(cè)量等。無(wú)線定位的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多。隨著定位精度、范圍

16、的提高，定位所需設(shè)備的成 本進(jìn)一步降低等，無(wú)線定位還將使用在更加廣闊的領(lǐng)域。1.1.2 課題研究的背景無(wú)線定位服務(wù)的發(fā)展始于美國(guó)。1996年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC制定了 E-911法規(guī)，要求所有移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng) 商，在移動(dòng)用戶發(fā)出緊急呼叫時(shí)，必須向公共安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息 和終端號(hào)碼，以便對(duì)用戶實(shí)施緊急救援工作，并要求分階段實(shí)施定位精度不斷提 高的用戶定位服務(wù)。1999年FCC寸E-911法進(jìn)行修訂，對(duì)定位精度提出新的要 求，極大的促進(jìn)了美國(guó)LBS(Location Based Service) 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

17、此后，日本、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、芬蘭等國(guó)家紛紛推出各種各具特色的商用定位 服務(wù)。這些服務(wù)主要應(yīng)用于：公共安全，如緊急救援；報(bào)警信息發(fā)布，跟蹤業(yè)務(wù)， 如犯罪嫌疑人的跟蹤，走失老人和兒童的尋找，車輛的防盜報(bào)警，交通監(jiān)控；基 于位置的信息業(yè)務(wù)：如車輛導(dǎo)航服務(wù)，城市觀光；基于位置的信息發(fā)布等。無(wú)線 定位服務(wù)已經(jīng)頁(yè)49頁(yè)，共2第 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 在軍用、民用和商用領(lǐng)域證明了其重要性?，F(xiàn)今實(shí)用的定位系統(tǒng)多半基于 GPS(GlobalPositioning System) 技術(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用成本較高。低成本、高可靠性的新型定位 系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)變得非常緊迫。另一方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN可以使人們?cè)?/p>

18、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境 條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息。 因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛應(yīng)用于國(guó)防 軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐、抗災(zāi)等領(lǐng)域,它是信息感知和采集的一場(chǎng)革命。由于WSN勺低成本、便于大規(guī)模應(yīng)用，使得以 WSM載體的定位研究被給予了廣泛的關(guān)注。WSN勺定位機(jī)制逐漸成為其主要技術(shù)之一。在無(wú)線通信協(xié)議體系中，IEEE802.15.4是其中一種新興的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因其優(yōu)越 性，它獲得了快速的發(fā)展。它確定了低速個(gè)人局域網(wǎng)（LR-WPANB準(zhǔn)，定義了物理層（PHY）和媒體接入控制層（Media Access Control , MAC） 2003 年，ZigBe

19、e 聯(lián)盟在物理層和媒體接入控制層的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)層（NWK）口應(yīng)用層（APL）進(jìn)行了具體定義，為用戶提供了大量的API函數(shù)，從而形成了完整的ZigBee協(xié)議。ZigBee 技術(shù)作為一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它的獨(dú)特 技術(shù)特點(diǎn)使得其成為WSNfr的理想通信技術(shù)選擇。隨著對(duì)ZigBee技術(shù)研究的不斷深入，大量的實(shí)用ZigBee硬件、軟件載體都相繼 被推出，使得基于ZigBee技術(shù)的WS恃口定位技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。尤其是基 于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。在所有的定位實(shí)現(xiàn)中，室內(nèi)空間由于其環(huán)境的復(fù)雜性，一直是定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一 個(gè)難點(diǎn)。現(xiàn)今，

20、成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)仍然比較少、而且多數(shù)存在成本偏高等缺陷， 不利于大范圍廣泛應(yīng)用。本文試圖利用 ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種較低成本、較低復(fù) 雜度的室內(nèi)定位系統(tǒng)。1.1.3 課題意義與目標(biāo)不論在理論研究還是在實(shí)際應(yīng)用中，定位問(wèn)題一直都是人們研究的熱點(diǎn)所在。由于運(yùn)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大多數(shù)應(yīng)用中都需要知道節(jié)點(diǎn)的位置，所以人們不斷地尋找合適的定位問(wèn)題解決方案，不斷提高定位精度以便于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)更好地服務(wù)于人類社會(huì)。到目前為止，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位問(wèn)題已經(jīng)有 了 一些比較令人滿意的解決方案。但是對(duì)于定位問(wèn)題的研究還需要不斷深入。目前，GPS臺(tái)球定位系統(tǒng)）可以算是人們所熟悉的定位問(wèn)題解決方案

21、，這種定位 是頁(yè)49共頁(yè)3第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì)利用衛(wèi)星對(duì)地面上的物體進(jìn)行位置的確定， 可是該定位技術(shù)不但昂貴而且功耗大。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于網(wǎng)絡(luò)的成本問(wèn)題、耗電問(wèn)題及網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的距離有限， 不能采用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位。目前，研究人員通過(guò)研究設(shè)計(jì)了一些方案來(lái)解決 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問(wèn)題，這些解決方案有：基于信號(hào)接收強(qiáng)度值（RSSI）的定位技術(shù)、基于到達(dá)時(shí)間（TOA）的定位技術(shù)、基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）W定位技 術(shù)和基于到達(dá)角度（AOA）的定位技術(shù)等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，已有的針對(duì)定位問(wèn)題的解決方案或多或少都存在著一些缺點(diǎn)： 基于RSSI定位中，接收信號(hào)強(qiáng)度值會(huì)隨

22、著距離的增長(zhǎng)而變得不準(zhǔn)確，利用該技 術(shù)的定位只能解決近距離的定位問(wèn)題；基于 TOA定位中，到達(dá)時(shí)間的測(cè)量要求 網(wǎng)絡(luò)具備很好的時(shí)間同步，這大大增加了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷，從而限制了基于達(dá)到時(shí)間 定位技術(shù)的應(yīng)用；基于TDOA定位中，到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量要么需要網(wǎng)絡(luò)同步，要 么需要利用到超聲波。如果要求網(wǎng)絡(luò)同步就會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷，而如果利用了超 聲波，超聲波的傳播距離有限，這些問(wèn)題都限制了基于到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)的應(yīng) 用；基于AOA定位中，到達(dá)角度的測(cè)量要依賴昂貴的天線，這就制約了基于到 達(dá)角度定位技術(shù)的應(yīng)用。綜上所述，研究出更好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題解決 方案仍然是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)工作，這項(xiàng)研

23、究將直接關(guān)系到 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是否能夠更加廣泛。在目前的局域定位系統(tǒng)中，還沒(méi)有一種像衛(wèi)星定位這樣成熟且得到廣泛使用的系 統(tǒng)出現(xiàn)，在定位系統(tǒng)的精度、成本、可適用的布網(wǎng)環(huán)境等各個(gè)方面還有很多需要 提升的地方。近年來(lái)，廉價(jià)的 ZigBee模塊構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始使用在控制、 監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集等多種應(yīng)用領(lǐng)域，而 ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本、高容量、 高可靠性的特點(diǎn)同樣也為構(gòu)建室外和室內(nèi)定位系統(tǒng)提供一種很好的解決方案。本課題的目的是以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 完成對(duì)各種設(shè)備的 控制、參數(shù)的測(cè)量、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，?shí)現(xiàn)定位設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，定位計(jì)算， 最終構(gòu)建一個(gè)完善的無(wú)

24、線定位系統(tǒng)。在完成的定位系統(tǒng)中，能通過(guò)與其它監(jiān)控設(shè) 備的協(xié)同工作完成數(shù)據(jù)的采集，以及對(duì)人員、物品等的位置監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)在室內(nèi)、 室外環(huán)境中均能使用，且通過(guò)對(duì)定位系統(tǒng)的分析和研究提高定位精度，能夠使系 統(tǒng)在更多更復(fù)雜的環(huán)境中應(yīng)用。頁(yè)49頁(yè)，共4 第華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1.2 本文主要工作及組織結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)定位技術(shù)的研究，本文以 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)講解了怎樣 構(gòu)建ZigBee無(wú)線定位系統(tǒng)。第一章：緒論。該章節(jié)首先介紹了無(wú)線定位技術(shù)的出現(xiàn)以及發(fā)展歷程，并講解了目前無(wú)線定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。然后分析了本文的研究背景：在目前階段，還沒(méi) 有如同衛(wèi)星定位那樣成熟的局域定位系統(tǒng)，而ZigB

25、ee技術(shù)的出現(xiàn)提供一個(gè)很好 的解決方案。最后介紹了本文的組織結(jié)構(gòu)。第二章：ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介。該章簡(jiǎn)要介紹了 ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、 IEEE802.15.4協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及協(xié)議棧相關(guān)的運(yùn)行環(huán)境。第三章：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)。無(wú)線定位系統(tǒng)中，定位的參數(shù)、算法以及 通信技術(shù)三者必不可少。在本章中主要講解了定位的基本原理、幾種常用的參數(shù) 以及算法，在下一章對(duì)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)做了介紹。第四章：CC2533位引擎工作過(guò)程及性能測(cè)試。該章主要講述了定位系統(tǒng)中所 使用的參數(shù)特性，并對(duì)用來(lái)做定位計(jì)算的定位引擎的工作原理做了簡(jiǎn)要介紹。第五章，實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析。在室內(nèi)環(huán)境中對(duì)引擎的定位效果

26、進(jìn)行了測(cè)試并分析測(cè) 試結(jié)果。第六章：總結(jié)。對(duì)畢設(shè)完成的工作進(jìn)行總結(jié)，并提出改進(jìn)意見(jiàn)。頁(yè)49共頁(yè)5第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì)2 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 ZigBee 技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1 ZigBee發(fā)展概述近十年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距離無(wú)線通信技術(shù)。為了滿足對(duì)低功率、低價(jià)格無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求，2000年12月, IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式批準(zhǔn)成立了 802.15.4工作組，其目標(biāo)是：在廉價(jià)的、倒定 或便攜的、移動(dòng)的裝置中，提出一個(gè)具有低復(fù)雜度、低價(jià)格、低功耗、低數(shù)據(jù)傳 輸率的無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)。也就是要開(kāi)發(fā)一種低速率的WPAN（LR-WPA

27、NLow-RateWireless Personal AreaNetwork)標(biāo)準(zhǔn)。2002年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭 飛利浦等公司共同宣布組成 ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開(kāi)發(fā)ZigBee技術(shù)。 2003年11月，IEEE正式發(fā)布了該項(xiàng)技術(shù)的物理層和 MACB所采用的標(biāo)準(zhǔn)脅議， 即IEEE802.I5.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為ZigBee技術(shù)物理層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 2004年12月，ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，正式發(fā)布了完整的 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)。2006年IEEE發(fā)布了 IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)修訂版。2.1

28、.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)IEEE802.15 委員會(huì)制定了三種不同的 WPAN(Wireless Personal AreaNetwork) 標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、QoStt力等。802.15.1標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)，具有中等速 率，適合于從蜂窩電話到PDA勺通信,其QoS機(jī)制適合于話音業(yè)務(wù)。802.15.3 標(biāo)準(zhǔn)是高速率的 WPANS準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的 QoS保證。802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)也就是ZigBee技術(shù)，目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成 本無(wú)線通信的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)速率和 QoS的要求不高。ZigBee的主要技術(shù)特征如 表2-1所小。選才 ZigBee技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)

29、發(fā)，是基于其具有的諸多性能優(yōu)點(diǎn)。具體來(lái)講，可 總結(jié)如下：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。ZigBee技術(shù)的最大傳輸速率只有250kbps,專注于低速率 傳輸應(yīng)用。設(shè)備省電，功耗極低。ZigBee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩 頁(yè)49頁(yè)，共6第華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間表2-1 ZigBee的主要技術(shù)特征.特性取值/狀態(tài)868/915MHz和 2.4GHz 頻段868MHz 20kbps數(shù)據(jù)速率 915MHz 42kbps2.4GH250kbps868/915MHz:BPSKS制方 2.4GHO-QPSK直接序列擴(kuò)擴(kuò)頻方10-100m通信范15-3

30、0ms通信延868MHz:1信道數(shù)915MHz:102.4GHz:16尋址方64bitIEE地址16bi網(wǎng)絡(luò)地CSMA/明時(shí)隙化CSMA/CA信道接星形、樹(shù)狀、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓極功激狀態(tài)模休(3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。ZigBee 采用了 CSMA-CA(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通 信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；MAC1采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此通信可靠性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算

31、法采用AES-128,同時(shí)協(xié)議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。(4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知 其它節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，構(gòu)成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)增加或者 刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并 對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漤?yè)49共頁(yè)7第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。(5)時(shí)延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時(shí)延都在15ms至1130ms之間，因此設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送的延時(shí)時(shí)間很短，適合實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用。(6)成本低廉，工作頻段靈活。設(shè)備的復(fù)雜

32、程度低，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的， 可以有效地降低設(shè)備成本。ZigBee的工作頻段靈活，使用的頻段分別為 2.4GHz(全球)、868MHz歐洲)及915MHz俄國(guó))，均為免執(zhí)照頻段。(7)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就是說(shuō)每個(gè) ZigBee節(jié)點(diǎn)可以與數(shù)萬(wàn)節(jié)點(diǎn)相連接，可以說(shuō)網(wǎng)絡(luò)容量極其龐大，尤其適用大規(guī) 模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2.2 IEEE802.15.4 協(xié)議棧和ZigBee協(xié)議棧概述2.2.1 IEEE802.15.4 協(xié)議棧LR-WPA腿一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、低功耗的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，它的存在使得無(wú)線 連接在低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用中成為可能。為了滿足

33、這些需求，IEEE802.15.4工作組為L(zhǎng)R-WPA店門制定了物理層和 MACF層的標(biāo)準(zhǔn)。它具備 以下主要特征：(1)實(shí)現(xiàn)20kb/s、40kb/s、100kb/s、250kb/s四種不同的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。(2)支持星型和點(diǎn)到點(diǎn)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(3)在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是由協(xié) 調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址。采用可選的時(shí)槽保障(GTS, Guaranteed Time Slots) 機(jī)制。(5)采用帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoida

34、nce)的信道訪問(wèn)機(jī)制。(6)支持ACK機(jī)制以及保證可靠傳輸。低功耗機(jī)制。(8)信道能量檢測(cè)(ED, Energy Detection)。鏈路質(zhì)量指示(LQI , Link quality indication) 。(10)工作在ISM頻段上，其中在2450MH或段上有16個(gè)信道，在915MH函段上 有30個(gè)信道，在868MHZ!有3個(gè)信道。(11)數(shù)據(jù)安全策略。IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI),如圖2-1所示，每一層 頁(yè)49頁(yè)，共8第華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。高層協(xié)議IEEE802.2LLCSSCSMACPHY物理媒

35、質(zhì)圖2-1 IEEE802.15.4 協(xié)議棧架構(gòu)層由射頻收發(fā)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了 PHY和數(shù)據(jù)鏈路層的PHYMAC層。器以及底層的控制模塊構(gòu)成。物理層的特 性是激活和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器、能量檢測(cè)、鏈子層為高層訪MAC各質(zhì)量指示、空閑 信道評(píng)估、通過(guò)物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。問(wèn)物理信道提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的服 務(wù)接口。它的功能是進(jìn)行信標(biāo)管理、信道介入、保證管理、幀確認(rèn)、應(yīng)答幀傳送、 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)隙(GTS)時(shí)基于ZigBee層為實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī) 制應(yīng)用提供一些方法。連接和斷開(kāi)連接。止匕外，MACF層之上的高層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，對(duì)于不同的高層協(xié)議，也可以通過(guò)在MAC以及特

36、定服務(wù)聚合子層(SSCSLogical Link Control)邏輯鏈路控制子層(LLC, 子層。ServiceSpecific Convergence Sublayer)來(lái)訪問(wèn) MAC2.2.2 ZigBee 協(xié)議棧概述聯(lián)盟 ZigBeeZigBee 技術(shù)作為一種新興的低速率短距離無(wú)線通信技術(shù)，也是協(xié)議棧有物理所主導(dǎo)的無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完整的 ZigBee(ZigBeeAlliance)子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用 匯聚子層和高層應(yīng)用規(guī)范層組成。每一層為上層提供一層、MACS列特殊的服務(wù)： 數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所都支持一定數(shù) 量SAP為上層提供一個(gè)接口，有

37、的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)每個(gè)頁(yè)49共 頁(yè)9第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)如圖2-2所示應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用匯聚子層Zigbee聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)IEEE802.邏輯鏈類型LL其他邏輯路控制標(biāo)業(yè)務(wù)特定匯聚子IEEE802SSC5.媒體訪問(wèn)868/915MH868/915M的理物理層 圖2-2 ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)圖其中，IEEE802.15.4 . 2003標(biāo)準(zhǔn)定義了底層：物理層(Physical Layer, PHY和 MAC。 IEEE802.15.4定義的PHY分別工作在兩個(gè)頻段上：868/915MHz和 2.4GHz。其中

38、低頻段物理層覆蓋了 868MHz勺歐洲頻段和915MHzI勺美國(guó)與澳大利 亞等國(guó)的頻段，高頻段則全球通用。IEEE802.15.4 MAC層采用CSMA-C機(jī)制來(lái) 控制信道接入，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可信賴的傳輸機(jī)制。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層 (Network Layer , NWK)應(yīng)用層 (ApplicationLayer, APL)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的 機(jī)制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)制。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設(shè)備間的路由， 發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲(chǔ)潛在鄰居信息也是由NWKg完成的。ZigBee協(xié)調(diào)器的NWK層還必須負(fù)責(zé)啟動(dòng)一個(gè)新的

39、網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。應(yīng)用匯聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(APS), ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持 子層(APS)負(fù)責(zé)維護(hù)設(shè)備綁定表，以及傳輸在綁定的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備綁定 表用于根據(jù)設(shè)備間提 頁(yè)49頁(yè)，共10第 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)供的服務(wù)和需求來(lái)匹配設(shè)備并儲(chǔ)存相關(guān)設(shè)備信息。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如ZigBee協(xié)調(diào)器或中斷設(shè)備)，提出或響應(yīng)綁定請(qǐng)求， 以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)

40、系。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)還要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā) 現(xiàn)及判定對(duì)方提供服務(wù)類別。2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成2.3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持IEEE802.15.4定義的兩種類型的物理設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)、 精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD和RFD勺不同是按照節(jié)點(diǎn)的功能區(qū)分的，一個(gè)FFD可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，因此一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該至少含有一個(gè)FFD RFD只能與主設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只能作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，將兩種物理設(shè)備定義成了三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由 器、終端設(shè)備。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器和終端設(shè)備 節(jié)

41、點(diǎn)。設(shè)備類型不會(huì)以任何方式限制可能應(yīng)用在特定設(shè)備上的應(yīng)用類型。圖2-3協(xié)調(diào)器功能模塊示意圖（1）協(xié)調(diào)器，這個(gè)設(shè)備“開(kāi)啟” 一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PANID）并開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)?？蛇x擇地，協(xié) 調(diào)器節(jié)點(diǎn)也能被用來(lái)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的安全性和應(yīng)用水平的綁定。 協(xié)調(diào)器的功能主要是開(kāi) 啟和配置網(wǎng)絡(luò)。一旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了 （甚至可以 斷開(kāi)）。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運(yùn)行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。頁(yè)49共頁(yè)11第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì)路由器功能模塊示意圖圖2-4輔允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；：多跳路由

42、；2）路由器，路由器執(zhí)行的功能有 （助它的電池供電的子終端設(shè)備通信。 一般來(lái)說(shuō)，路由器被期望能一直保持激活狀態(tài)，因此它通常是由固定電源供電的。 而不能使用電池供電。路由器為它的子 節(jié)點(diǎn)緩存信息，直到子節(jié)點(diǎn)被喚醒并請(qǐng)求數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)信息 的時(shí)候，這個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到它的父路由器。然后，路由器負(fù)責(zé)傳輸信息，執(zhí) 行所有相關(guān)的重發(fā)，以及如果需要的話，等待確認(rèn)。這使得終端設(shè)備可以回到休 眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的 目的。.終端節(jié)點(diǎn)功能模塊示意圖圖2-5它可以有選擇終端設(shè)備，終端設(shè)備對(duì)維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒(méi)有特殊的責(zé)任，因此， （3） 的休眠和喚醒。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接受來(lái)自它的父

43、節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)。因此終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長(zhǎng)時(shí)間。頁(yè)49頁(yè)，共12第華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請(qǐng)求， 包括入網(wǎng)、退 出網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能，一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點(diǎn)在大部 分的時(shí)間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。 若對(duì)電池供電沒(méi)有要求，網(wǎng)絡(luò) 中可以全部采用FFD設(shè)備。2.3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式。星型網(wǎng)絡(luò)，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，具拓?fù)?結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。如圖2-6中(a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過(guò)中 心節(jié)點(diǎn)傳輸。如果用通信模塊構(gòu)造星

44、形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個(gè)模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)， 其他模塊可以配置成終端節(jié)點(diǎn)。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 這種簡(jiǎn) 單帶來(lái)的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和 管理方便。中心節(jié)點(diǎn)需基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)要承擔(dān)更多 的管理工作。由于把每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)放在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)， 這必然會(huì)限制 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓?fù)浜茈y實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。 集中的信息涌向中 心節(jié)點(diǎn)，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。到目前為止，星形拓?fù)涫亲畛?見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制中。FU(a)星型網(wǎng)狀協(xié)調(diào)器FFD RFD(b)樹(shù)狀圖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2-

45、6 ZigBee若干個(gè)星形拓?fù)溥B接在(b)所示。2-6樹(shù) 狀拓?fù)涫嵌鄠€(gè)星形拓?fù)涞募?，如圖中的一起，擴(kuò)展到更廣闊的區(qū)域。樹(shù)形拓?fù)?是可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)“多跳”信息服務(wù)的最 頁(yè)49共頁(yè)13第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹(shù)形拓?fù)渥钪档米⒁獾牡胤骄褪撬３至诵切瓮負(fù)涞暮?jiǎn)單性：較少的上層路由信息、較低的存儲(chǔ)器需求。但是樹(shù)形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的 動(dòng)態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，信息源與目的之間，有且只有一條傳輸路徑，任何 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷或故障將會(huì)使部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。樹(shù)形拓?fù)涞淖罴褢?yīng)用是在穩(wěn)定 的無(wú)線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡(jiǎn)單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng) 用之中。如

46、圖2-6所示的(c)中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)?，具有很高的適應(yīng)環(huán)境 的能力。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小的路由器，都具有重新路由選擇的能力， 以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯 一的。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹(shù)形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，不存在一 個(gè)固定的路由模式。這樣信息傳輸?shù)臅r(shí)間更加依賴瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計(jì)。2.4 Z-Stack 協(xié)議棧2.4.1 Z-Stack 概述為了適應(yīng)ZigBee產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需求，德州儀器(TI)推出了一套完整的協(xié)議棧 Z-Stack。Z-Stack 是 ZigBee 技術(shù)的核心軟件，是開(kāi)發(fā) IEEE802.15.

47、4/ZigBee 技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵軟件，Z-Stack符合ZigBee2006規(guī)范的要求，并且在硬件上 支持CC2530 CC2530以及MSP43評(píng)臺(tái)。TI協(xié)議棧一直在不斷的完善中，從最 初的1.1.0版本到現(xiàn)在的1.4.3版本，無(wú)論從路由協(xié)議還是從地址分配模式都作 了大量的改進(jìn)。本文構(gòu)建的定位系統(tǒng)是以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)中按照 節(jié)點(diǎn)完成的功能分為參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)。對(duì)Z-Stack協(xié)議棧的理解運(yùn)用是項(xiàng)目 開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，下面對(duì) Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行了較詳細(xì)的說(shuō)明。Z-Stack運(yùn)行在IAR 7.20以上的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，IAR 7.20運(yùn)用C51編譯器，是 一個(gè)與K

48、ELLC5僂似的，功能強(qiáng)大的C51編譯器/IDE/DEBUG開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在該集 成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，可以看到個(gè)完整的 Z-Stack協(xié)議棧包含的功能部分組成。Z-Stack是完全符合ZigBee2006標(biāo)準(zhǔn)的，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)也與ZigBee規(guī)范完全吻 合。包括最上層的應(yīng)用層(APP),在該層內(nèi)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，外部任務(wù) 的調(diào)用和執(zhí)行，并可以通過(guò)API函數(shù)調(diào)用下層的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。HAL(Hardware Abstract Layer)層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺(tái)的 不同，給出了各種不同的硬件資源，如按鍵、發(fā)光二極管、串口、定時(shí)器以及 ADC?各種硬件設(shè)各的功能函數(shù)定義。 用戶可以通

49、過(guò)調(diào)用它的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用 程序功能的頁(yè)49頁(yè)，共14第 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 外部表征。MACZ及NWK主要實(shí)現(xiàn)了 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。OSAL(Operate System Abstract Layer) 是操作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運(yùn)行在該 操作系統(tǒng)之上。Tools是配置文件，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部文件的修改可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的信 道編號(hào)和PANID號(hào)，并且最重要的一個(gè)功能是通過(guò)設(shè)置其相應(yīng)的文件包含可以預(yù)定義節(jié)點(diǎn)的 邏輯類型，即協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點(diǎn)或者是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。ZDO ZigBee設(shè)備對(duì)象的簡(jiǎn)稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的入網(wǎng)，綁定以及設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能實(shí)現(xiàn)。ZMain是

50、應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個(gè)應(yīng)用程序都是從 ZMain函數(shù)作為入口，首先是 硬件初始化，存儲(chǔ)器初始化最后是操作系統(tǒng)無(wú)限循環(huán)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)以及各種用戶配置各層之間通過(guò)各層的API函數(shù)Z-Stack協(xié)議棧結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，OSAU勺運(yùn)行機(jī)制。簡(jiǎn)單的說(shuō)，Z-Stack協(xié)議棧就是用戶的應(yīng)用程序、 結(jié)合起來(lái)的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)相互連接和通信，最終達(dá)到完整有效的運(yùn)行。 要想理解它的運(yùn)行機(jī)制，很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要理解2.4.2 OSAL運(yùn)行機(jī)制OSAL(Operator System Abstract Layer,操作系統(tǒng)抽象層)層是與協(xié)議棧相獨(dú)立 的，但是整個(gè)協(xié)議棧都要基于本操作系統(tǒng)(OS)才

51、能正常運(yùn)行，或者說(shuō)協(xié)議棧運(yùn)行 在本層之上。OSALS供如下服務(wù)和管理功能：信息管理、任務(wù)同步、時(shí)間管理、 任務(wù)管理、內(nèi)存管理、電源管理以及非易失存儲(chǔ)管理。開(kāi)始下一個(gè)激活任務(wù) N激活任務(wù)？ Y執(zhí)行激活任務(wù)圖2-8 OSAL操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程具體來(lái)說(shuō)，OSA比一個(gè)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制的操作系統(tǒng)。它是通過(guò)對(duì)任務(wù)的事件 觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件，每個(gè)事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)事件 號(hào)。當(dāng)頁(yè)49共頁(yè)15第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的Event就被設(shè)置為相應(yīng)的事件，這樣事件調(diào)度就會(huì) 調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。OSA葉的任務(wù)可以通過(guò)任務(wù)處理 API函數(shù)添加到系

52、統(tǒng)中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。 OSALff務(wù)調(diào)度流程如圖2-8所示。2.4.3 ZigBee 組網(wǎng)協(xié)調(diào)器組建個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）成功后，頻繁的以廣播方式向外發(fā)送信標(biāo)幀，用來(lái) 表示它的存在。其它終端節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)幀，以完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)任務(wù)，終端節(jié)點(diǎn)要加 入1% PAN那么只要將自己的信道以及個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符 （PAN ID）設(shè)置成與要加入網(wǎng) 絡(luò)中的父節(jié)點(diǎn)的相同，并提供正確的認(rèn)證信息，即可請(qǐng)求加入（Join）網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)， 父節(jié)點(diǎn)要檢查自身的短地址資源，如果自身地址未滿，那么就可以為該子節(jié)點(diǎn)分 配短MAC*址，只要節(jié)點(diǎn)接收到父節(jié)點(diǎn)為之分配的 16位的短地址，那么在通信 的過(guò)程中，將使用該地址進(jìn)行通信。如果

53、沒(méi)有足夠的地址資源，那么節(jié)點(diǎn)將收到來(lái)自父節(jié)點(diǎn)的連接失敗響應(yīng)，此時(shí)子節(jié)點(diǎn)即可以向其他父節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求 ZigBee網(wǎng)絡(luò)短地址來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層將不斷重 復(fù)這個(gè)過(guò)程直到節(jié)點(diǎn)成功加入到網(wǎng)絡(luò)為止。組網(wǎng)算法流程如圖2-9所示。在Z-Stack中，一個(gè)具體的Sample應(yīng)用組網(wǎng)過(guò)程如下：一個(gè)作為協(xié)調(diào)器編譯的 Sarhple應(yīng)用將會(huì)組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使用 DEFAULT CHANLIST說(shuō)明的信道 之一。如果它沒(méi)有定義 ZDAPP_CONFIG_PAN_D0XFFFFI勺話，協(xié)調(diào)器將會(huì)建立 一個(gè)以 ZDAPP_CONFIG_PAN_D PAN ID 的個(gè)最網(wǎng)。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0XFF

54、F基于它自身IEEE地址產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的PAN ID。一個(gè)作用路由器或終端贏譯的 Sample應(yīng)用將會(huì)試圖加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它使用 DEFAULT_CHANLIST明的信道之一。如果 ZDAPP_CONFIG_PAN_Dt被定義 為0XFFFF路由器將被限制僅僅加入那些被定義的 PAN ID。iZDAPP_CONFIG_PAN_DT被定義為0XFFFFI勺時(shí)候，因?yàn)橐粋€(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)路 由器或終端之間的行為不的差異，不可預(yù)料的結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ffi義為一個(gè)有效的、小于或等于 OX3FFF勺值，協(xié) 調(diào)器將僅僅試圖用這個(gè)特殊的個(gè)域網(wǎng)ID建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此，如果協(xié)調(diào)器被限

55、 制在一個(gè)信道，并且特定的個(gè)域網(wǎng)ID已經(jīng)在那個(gè)信道里被建立起來(lái)，新的起始 協(xié)調(diào)器將會(huì)做出連續(xù)的變化直到它產(chǎn)生一個(gè)唯一的個(gè)域網(wǎng)ID。新加入的路由器和終端將不會(huì)知道建立的“不沖突”的個(gè)域網(wǎng)ID值，因此僅僅會(huì)加入特定的個(gè)域網(wǎng)ID。當(dāng)被允許的信道屏 頁(yè)49頁(yè)，共16第華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）蔽允許不止一個(gè)的信道并且由于 PAN ID沖突，協(xié)調(diào)器不能使用第一個(gè)信道的時(shí) 候，一個(gè)相似的、有挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景將會(huì)出現(xiàn)一在被允許的情況下，路由器和終端將會(huì)加入第一次信道掃描到的特定 PAN ID。作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電掃描信道（ED）并檢測(cè)網(wǎng)根據(jù)能量值，選擇信道作為子節(jié)PAN I獲節(jié)點(diǎn)上組網(wǎng)成接收信頻繁發(fā) 送信設(shè)備發(fā)

56、修改自PAN和信與父節(jié)點(diǎn)相作為父節(jié)接受網(wǎng)絡(luò)加入請(qǐng)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)已短地址判未分配短地發(fā)送入網(wǎng)響成功 加入網(wǎng)無(wú)短地發(fā)送連接失敗響休眠狀入網(wǎng)失敗圖2-9組網(wǎng)算法流程圖2.4.4 Z-Stack 協(xié)議棧運(yùn)行機(jī)制一個(gè)完整的基于Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用程序主流程圖如圖2-10所示。由圖可以 看出，在Z-Stack開(kāi)始運(yùn)行之前，系統(tǒng)必須完成硬件設(shè)備及內(nèi)部存儲(chǔ)器的初始化， 其間要判斷節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)地址，若此時(shí)長(zhǎng)地址為全FF,那么要往存儲(chǔ)器隨機(jī)寫入64位的長(zhǎng)地址，然后進(jìn)入操作系統(tǒng)的無(wú)限循環(huán)中。在該循環(huán)中，操作系統(tǒng)不斷監(jiān)視系統(tǒng)的任務(wù)列表，根據(jù)任務(wù)的不同，操作系統(tǒng)分別做出不同的處理。因此，必須 首先在任務(wù)列表中 頁(yè)49共頁(yè)

57、17第基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 添加任務(wù)，完成任務(wù)的初始化，在事件處理的回調(diào)函數(shù)中加入相應(yīng)事件處理函數(shù), 如按鍵事件、狀態(tài)轉(zhuǎn)換事件、數(shù)據(jù)包發(fā)送確認(rèn)事件、收到數(shù)據(jù)包的指示事件等， 響應(yīng)到某種事件，就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相關(guān)的消息事件處理函數(shù)。事件的激發(fā)方法和執(zhí)行順序是值得注意的，協(xié)議棧中通常使用三種函數(shù)進(jìn)行事件激發(fā)，三種函數(shù)為 osal_start_timer() 、osal_start_timerEx() 和osal_set_event()。其中，函數(shù) osal_start_timerEx ()被用來(lái)開(kāi)啟一個(gè)在 n 毫 秒后為麻勺時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)鐘到期時(shí)，調(diào)5任癡t獲得特定的事件，使用時(shí)需指明任 務(wù)ID。函數(shù)osal_start_timer() 也被用來(lái)開(kāi)啟一個(gè)在n毫秒后到期的時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)鐘到期時(shí)，調(diào)用任務(wù)將獲得特定的事件，但使用時(shí)不用指明任務(wù)ID。函數(shù) osal_set_event()被用來(lái)設(shè)置任務(wù)事件標(biāo)志，一旦程序執(zhí)行到此處，就轉(zhuǎn)入相應(yīng)- - . - - - =-的消息處理函數(shù)關(guān)全部中電源檢存儲(chǔ)器初始開(kāi)發(fā)板初始設(shè)備地址檢F按鍵協(xié)議棧初始化OS初始化OS無(wú)線循環(huán)圖2-10 Z-St