zigbee无线定位开题报告.ppt

基于Zigbee协议的无线定位网络在安保系统中的应用,工程082 第一组,一.Zigbee技术简介,Zigbee来源 在现实生活中存在着这样的应用情况:系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传输，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗大等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。在这种需求下，ZigBee技术孕育而生，之所以称之为ZigBee技术是由于人们发现蜜蜂在采蜜过程中，跳着优美的“Z”字形舞蹈来传达信息，再加上蜜蜂自身体积小，所耗能量小的特点，人们就将这种具有低成本、体积小、能量消耗小和传输率低的无线通信技术称为ZigBee技术。,Zigbee技术优势 低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。 低成本。通过大幅简化协议 ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。, 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。 近距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。 短时延。Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ，节点连接进入网络只需30 ms ，进一步节省了电能。,高容量。最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。 高安全。Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。,免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4 GHz (全球)、915 MHz(美国)和868MHz(欧洲) 。,Zigbee联盟 ZigBee联盟成立于2001年8月，2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟ZigBee联盟，这一事件成为ZigBee技术的里程碑，到目前为止，加盟ZigBee联盟的涵盖了IT领域以及其他行业的150多家企业。,Zigbee技术与与其他无线通信技术的比较,Zigbee协议栈概述 ZigBee技术作为一种新兴的低速率短距离无线通信技术，也是ZigBee联盟所主导的无线传感器网络技术标准。完整的ZigBee协议栈有物理层、MAC子层、网络层、应用汇聚子层和高层应用规范层组成。每一层为上层提供一系列特殊的服务:数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。,Zigbee协议栈,IEEE802.15.4定义的PHY层分别工作在两个频段:868/9l5MHz和2.4GHz。MAC层采用CSMA一CA机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层(NWK)，应用层(APL)架构。网络层的主要职责包括提供设备用来加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是有NWK层完成的。ZigBee协调器的NWK层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。,应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括:安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。ZigBee应用层包括应用支持子层(APS)，ZigBee设备对象 (ZDO)以及用户定义应用对象。应用支持子层(APS)负责维护设备绑定表，以及传输在绑定的设备间传输数据。设备绑定表用于根据设备间提供的服务和需求来匹配设备并储存相关设备信息。ZigBee设备对象 (ZDO)负责定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器或中断设备)，提出或响应绑定请求，以及建立网络设备间的安全关系。ZigBee设备对象 (ZDO)还要负责网络设备的发现及判定对方提供服务类别。,Zigbee网络构成 设备类型： ZigBee网络支持IEEE802.15.4定义的两种类型的物理设备:全功能设备(FFD)、 精简功能设备(RFD)。FFD和RFD的不同是按照节点的功能区分的，一个FFD可以充当网络中的协调器和路由器，因此一个网络中应该至少含有一个FFD。RFD只能与主设备通信，实现简单，只能作为终端设备节点。,在ZigBee网络中，将两种物理设备定义成了三种逻辑设备类型:协调器、路由器、终端设备。一个ZigBee网络包括一个协调器节点和多个路由器和终端设备节点。设备类型不会以任何方式限制可能应用在特定设备上的应用类型。 协调器:这个设备“开启”一个ZigBee网络。它是网络中的第一个设备。协调器节点选择一个信道和一个网络标识符 (PANID)并开启网络。可选择地，协调器节点也能被用来设置网络中的安全性和应用水平的绑定。协调器的功能主要是开启和配置网络。一旦这些完成以后，协调器与路由器的功能就一样了(甚至可以断开)。由于ZigBee网络的分布式本质，网络的继续运行不依赖于协调器的存在。,路由器:路由器执行的功能有1)允许其他设备加入网络;2)多跳路由;3)辅助它的电池供电的子终端设备通信。一般来说，路由器被期望能一直保持激活状态，因此它通常是由固定电源供电的节点被唤醒并请求数据而不能使用电池供电。 终端设备:终端设备对维持网络结构没有特殊的责任，因此，它可以有选择的休眠和唤醒。终端设备仅仅周期性的向它的父节点发送或接受来自它的父节点的数据。因此终端设备能够使用电池供电的方式工作很长时间。,在能量管理方面，网络协调器与路由器需要突发的处理一些请求，包括入网、退出网络以及数据中转等功能，一般情况下，使用永久性电源;若终端节点在大部分的时间里都处于休眠状态就可以采用电池供电。若对电池供电没有要求，网络中可以全部采用FFD设备。,拓扑结构： zigBee网络主要有三种组网方式：星型网络，树状网络和网状型网络，其拓扑结构如图所示。如图(a)所示，星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都是通过中心节点传输。 星状拓扑结构最大的优点就是结构简单。中心节点需要承担更多的管理工作。由于把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围，并且星形拓扑很难实现高密度的扩展。集中的信息涌向中心节点，容易造成网络堵塞、丢包、性能下降等。到目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量的应用在远程检测和控制中。,树状拓扑是多个星形拓扑的集合，如图中的(b)所示。若干个星形拓扑连接在一起，扩展到更广阔的区域。树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构，树形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性:较少的上层路由信息、较低的存储器需求。,无线网络拓扑图,如图所示(c)，网状网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。,二.课题背景,随着现代移动通信技术和无线网络的蓬勃发展，人们对无线定位的需求与日俱增。无线定位服务是指通过无线终端和无线网络的配合，确定移动用户的实际位置信息，从而提供用户所需的与位置和方向相关的服务。无线定位服务的发展始于美国。1996年，美国联邦通信委员会制定了E一911法规，要求所有移动通信运营商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求分阶段实施定位精度不断提高的用户定位服务。1999年Fcc对E一911法进行修订，对定位精度提出新的要求，极大的促进了美国LBS(LocationBasedServiee)产业的快速发展。此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位服务。,这些服务主要应用于:紧急救援，报警信息发布，跟踪业务，交通监控，车辆导航服务，城市观光等。无线定位服务已经在军用、民用和商用领域证明了其重要性。现今实用的定位系统多半基于GPS技术，导致应用成本较高。低成本、高可靠性的新型定位系统的研究开发变得非常紧迫。另一方面，无线传感器网络(WSN)可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐、抗灾等领域，它是信息感知和采集的一场革命。由于WSN的低成本、便于大规模应用，使得以WSN为载体的定位研究被给予了广泛的关注。WSN的定位机制逐渐成为其主要技术之一。,在无线通信协议体系中，IEEE802.15.4是其中一种新兴的协议标准，因其优越性，它获得了快速的发展。它确定了低速个人局域网标准，定义了物理层 (PHY)和媒体接入控制层 (MAC)。2003年，ZigBee联盟在物理层和媒体接入控制层的基础上对网络层和应用层进行了具体定义，为用户提供了大量的API函数，从而形成了完整的ZigBee协议。ZigBee技术作为一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术，它的独特技术特点使得其成为WSN中的理想通信技术选择。,三.Zigbee无线定位简介,节点定位基本原理 在三维空间中，知道了1个点到4个已知参考点的距离，就可以确定该点的坐标，这一点与全球定位系统(GPS)的基本原理一样。只不过在无线传感器网络中，坐标系是二维空间也不需要时钟同步，因此，只要知道了1个节点到3个参考节点的距离就可以确定节点的位置。 假设3个参考节点的坐标分别为(x1，y1）、(x2，y2)、(x3，y3)，待定位节点的坐标是(xu，yu)，该节点到3个参考节点的距离分别是rl、r2、r3，根据二维空间距离计算公式，可以获得方程组，解此方程组即可算出坐标。,Zigbee无线定位技术是基于RSS(接收信号强度）实现定位的，即接收信号强度大小与距离的关系如下式： 其中Gt和Gr分别是发送设备和接收设备的增益。是波长，d是接收机和发射机之间的距离。通过接收信号强度大小可以计算出定位节点和参考节点的距离。,硬件设计 定位节点硬件设计框架如图所示。硬件电路设计包括两部分:无线通信模块设计和辅助功能模块设计。无线通信模块为节点间的无线数据收发接口，它是节点核心部分。辅助功能模块完成定位状态指示、供电、串口通信等辅助功能，它通过RS232串口转换电路实现PC机与协调器节点间的数据传输。为了降低开发成本，硬件平台没有按节点功能分别单独设计，而是将所有功能放在了一个平台上。,硬件组成图,本课题的Zigbee无线通信芯片采用的是TI公司生产的cc2430/cc2431。cc2430/cc2431是一颗真正的系统芯片 (SOC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能 2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。其中cc2431是由cc2430加上无线电定位引擎组成。cc2430芯片延用了以往cc2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。,它使用1个8位MCU(8051)，具有 128KB可编程闪存和 8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器、 AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18微米CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为 27mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于 27mA或 25mA。cc2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。,四.当前研究工作简介（SampleApp实验）,SampleApp实验现象： 协调器：上电运行，地址检测，通过之后进行通道扫描，此时红灯闪烁，一旦协调器成功建立网络，此时红灯停止闪烁，红灯变为常亮。此时液晶上会有相应指示：,路由器/终端：上电运行，仍然是地址检测，之后就是通道扫描寻求是否有存在的网络，一旦检测到存在网络并成功加入该网络，此时红灯点亮，也就表明路由器成功加入了网络。此时液晶同样会有相应指示：,之后按下协调器 UP，路由器的绿灯闪几下；按下路由器的 UP，那么协调器的绿灯也会闪几下；如果有更多的节点，同样类似，只要是该设备的节点就能接收到闪烁小灯的信息。 如果按一下协调器的 RIGHT，再按下路由器的 UP，此时协调器就没有反应，表明 协调器已经退出组1；但是再按下协调器RIGHT，在按路由器的 UP就与上一步类 似了。路由器与此类似可以通过 RIGHT 退出/加入组 1。,内部函数简介 主函数为ZSEG int main()，基本上都是初始化函数，其中有几个重要函数，例如osal_start_system()，它的功能是进入操作系统；zmain_ext_addr()，它的功能是初始化64位扩展地址，即检测 FLASH 中的物理地址，因为这个地址在 FLASH中是固定的存储空间，一旦为有效地址就退出函数，一旦为无效地（0xFFFFFFFFFFFFFFFF）,那么就对其物理地址进行简单的初始化并检测按键。,初始化任务函数 SampleApp_Init()，SampleApp_TaskID = task_id， 初始化应用建立的任务 ID 号，不同的任务对应不同的ID号；SampleApp_NwkState = DEV_INIT，初始化应用设备的网络状态，一旦网络设备状态发生变化就会引发相应的任务函数。,事件处理函数SampleApp_ProcessEvent()，一旦 SampleApp_TaskID任务的某个OSAL 事件发生，那么就可以通过调用该函数来处理。在SampleApp_ProcessEvent()中有一个事件处理循环，循环检测是哪个事件发生，部分程序如下：,if ( events while ( MSGpkt ) switch ( MSGpkt-hdr.event ) 可以看到是通过检测 SYS_EVENT_MSG 是否有事件信息发生。,switch ( MSGpkt-hdr.event ) ，这里是判断 SYS_EVENT_MSG 事件类型，不同的 SYS_EVENT_MSG 类型需要不同的处理。 比如发生按键事件： case KEY_CHANGE，就会调用按键处理函数SampleApp_HandleKeys( );,地址模式 typedef enum afAddrNotPresent = AddrNotPresent, afAddr16Bit = Addr16Bit, afAddrGroup = AddrGroup, afAddrBroadcast = AddrBroadcast afAddrMode_t;,单点传输，这是标准地址模式，被用于发送一个数据包到网络中单个已知地址的设备。这个addrMode 参数被设置为 Addr16Bit，目的网络地址在数据包中一同被发送。 间接传输，数据包中的最终目的地址不识