基于zigbee无线定位装置设计.docx

唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：基于zigbee的无线人员定位装置设计 系 别： 机电工程系 班 级： 11测控技术与仪器（1）班 姓 名： 李 群 指 导 教 师： 赵晨光 2015年6月* 日基于zigbee的无线定位系统的设计摘 要近些年来zigbee技术在应用越来越广泛，作为一种新型技术发展了不过二十年，但是它的应用可以说方方面面，比如智能家居、物联网、科学检测。本论文也是对zigbee技术在无线通信方面的研究，研究了基于zigbee的人员定位技术。在定位技术中涉及了基于RSSI定位算法。并利用zigbee硬件平台和软件测试平台设计了一种定位装置。其中，硬件平台以集成了射频与51 微控制器的CC2431 芯片为核心，该平台包括射频模块、辅助电路、功能指示电路等。实际节点可以根据其类型特点，选取硬件电路的不同部分加以实现。节点通信程序的开发以TI 公司提供的Z-Stack 协议栈为基础，论文介绍了节点间通信流程，给出了各类节点详细的通信实现方法。在IAR Embedded Workbench（EW）环境中编写了上位机监测软件，论文给出了详细的软件实现方案在。关键字：ZigBee 技术；无线定位；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack The Dsign of the Wireless Location System based on ZigbeeAbstractZigBee technology,based on the IEEE802.15.4 protocol,is a newly developed range wireless communication technology with the merits of low cost、low power at comparable lower data rate. While the ZigBee technology is more and more adopted in application areas like home automation, telemeter and remote control,automation, medical treatment and so on,the real-time localization in the ZigBee becomes a hot topicThesi s,aiming at ZigBee network,investigates the wireless location, Discussion of based location algorithm for wireless sensor network positioning echanism and on this basis, designs a low-cost and practical for indoor wireless positioning system. This paper a location system，three parts are included.They are hardware platform,program of nodes and PC monitor software.The core of hardware platform is which is integrated by RF and 51 MCU,the localization nodes are designed and . It includes RF module, auxiliary module and function indication circuits. In actual , Based on the function differences of nodes, different parts of the hardware can be selected to achieve corresponding functions. The exploitation of node program is based on Z-Stack protocol stack which is provided by TI, The introduces the nodes communication flow elaborate. The achievement ways of different of nodes are given .In IAR Workbench（EW）circumstance, the PC monitor is compiled, elaborate software solution is proposed in this paper.Keywords : ZigBee；Wireless Location；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack目 录1前言11.1课题研究背景11.1.1国外发展状况11.1.2国内发展状况21.2课题的主要内容及结构安排22 zigbee技术简介32.1 ZigBee发展概述32.2 IEEE 802.15.4标准32.2.1物理层概述32.2.2物理层服务规范42.2.3物理层数据格式52.2.4 GHz频段的物理层技术52.2.5 MAC层规范介绍52.3 ZigBee规范72.3.1 ZigBee应用层规范72.3.2 ZigBee网络层规范82.3.3 ZigBee网络层的功能92.4 2006协议栈102.4.1 2006协议栈介绍102.4.2协议栈的构架103 无线传感网络中定位技术介绍113.1 无线传感网络定位技术概述123.1.1无线传感网定位相关的基本概念123.1.2无线传感网定位的性能评价指标133.2 无线传感网络定位技术的分类143.2.1 基于测距与非基于测距的定位算法143.2.3 绝对与相对定位算法143.3 无线传感网络中基于测距的定位算法153.3.1 包围盒定位法153.3.2 基于RSSI 的定位法163.3.3 基于TOA 的定位法173.3.4 基于AOA 的定位法183.3.5 定位算法总结194基于ZigBee网络的定位系统设计204.1系统硬件功能介绍204.2硬件选择204.3节点硬件总体设计214.3.1串口电路设计224.3.2电源电路设计234.3.3复位电路设计234.3.4 JTAG接口244.3.5液晶电路244.3.6参考电路设计254.4软件系统设计274.3定位方法及步骤概述294.4上位机软件304.5协调器与PC机通信实现335总结356致谢36附录39唐山学院毕业设计1前言随着科技的发展，对事物以及人员定位越来越受到人们的关注。比如在航海中如何确定航线，在空中的飞机如何到达目的地都需要精准的定位确定路线。为了确定移动的事物，需要建立坐标系并且有参考坐标。在全球定位中首先出现的是基于通讯卫星的全球定位系统GPS。它一经问世边被广泛应用于军事、民用中。但是它只适用于大范围定位，对于建筑物理的定位，它的精度明显不够。所以人们又陆续研究了能够应用于建筑物内部的定位方法，比如红外技术、IEEE 802.11 技术、超声波技术、以ZigBee/IEEE802.15.4 为代表无线网络技术和RFID 技术。本文试图利用Zigbee技术实现一种较低成本、较低复杂的室内定位系统。1.1课题研究背景1.1.1国外发展状况无线定位服务的发展始于美国。1996年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)制定了E-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不断提高的用户定位服务。1999年FCC对E-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(Location Based Service)产业的快速发。其他国家后来又陆续研究出红外技术、IEEE 802.11 技术、超声波技术、以ZigBee/IEEE802.15.4 为代表无线网络技术和RFID 技术。但是当今应用最广泛的还是美国研制利用通讯卫星定位的GPS，它可以作为当今定位的最高水平。但是凡事没有十全十美它有有局限性，就是对于县范围的精准定位对她来说还是比较困难。所以就基于短距离通信的定位技术红外技术、IEEE 802.11 技术、超声波技术、以ZigBee/IEEE802.15.4 为代表无线网络技术和RFID 技术得到更多的发展。1.1.2国内发展状况 我国对人员定位系统的研究起步比较晚且发展较缓慢, 最早的时候利用RFID (射频识别)技术来实现人员定位。但是这种方式比较简单,效率低,实际上是一种考勤的方式,不能真正实现人员定位。后来借鉴国外GPS的经验，国内建立了北斗导航系统一代，但是由于一代技术不能日益增多的需求，后来研发了北斗二代，它能实现10米以内的定位，但是它成本高昂，、且适合大范围的定位。随着zigbee技术被引入中国,国内研究机构展开了对以zigbee技术为基础的定位的研究,直到适合人员定位的CC2430/CC2431出现,在其芯片硬件、协议栈、相关配套软件方面取得了很大的突破,发展非常迅速。CC2431是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统,集成了增强工业标准的8051MCU内核。同时CC2431是2007年TI公司推出的世界首款自带定位系统的片上系统(SoC),以满足低功耗Zigbee/IEEE802.15.4无线传感器网络应用的要求,实现了 ZigBee技术定位的飞跃,相比于集中型的定位系统,CC2431基于RSSI(Received Signal Strength Indicator,接收到的信号强度)功能降低了网络流量与通信延迟,在典型应用中可实现3到5m的精度。本文也是结合CC2430/2431做的课题研究。1.2课题的主要内容及结构安排结合实际生活生产的需要,本文提出了基于ZigBee技术的无线定位监测系统的设计与研究,它对于建筑物定位的发展有很大意义。论文的主要内容安排：第一章 介绍本课题研究的背景、国内外现状和论文的主要内容安排。第二章ZigBee技术及其发展概述和协议栈结构：首先叙述 ZigBee技术的由来及发展,其次对IEEE 802.15.4标准作介绍,包括它各层的应用约束,同时在其基础上分析了 ZigBee技术的技术规范。第三章 本章首先介绍了关于无线传感器网络定位方面的基础知识，接着将目前定位技术的评价指标和定位方法的分类作了介绍，最后综合分析了定位技术的优劣，选择了适合本课题的定位算法，即基于RSSI定位算法第四章 系统的软硬件设计以及程序流程图。第五章 总结对课题研究后的感悟2 zigbee技术简介在深入研究zigbee定位之前，应该先了解无线通信协议。Zigbee协议栈是硬件之间进行通信的关键所在。此协议栈随着科技的发展一步步完善，最初只有物理层和MAC层，后来随着各个国家的加入，应用的范围越来越广，在原来的基础上又陆续加入了应用层和网络层，从而形成现在的zigbee协议栈。Zigbee联盟日渐壮大，为zigbee技术的应用和发展作出了巨大贡献。如今的zigbee吸引了数以百计的芯片生产商投入巨资研究它。2.2 IEEE 802.15.4标准2.2.1物理层概述IEEE 802.15.4物理层主要完成以下几项任务：信道能量检测(ED)、链路质量指示 (LQI) 、空闲信道评估(CCA)、信道选择、数据收发和接受。IEEE 802.15.4物理层规范通信频率，分为三个频段：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ。在这三个频度上所采用的调制方式和扩频参数可见表2-1。表2-1频率/MHZ扩频参数数据参数码片速率/(kchip/s)调制方式比特速率/kbps符号速率符号阶数868/915868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制245024002483.52000O-QPSK25062.5十六进制 正交IEEE 802.15.4 物理层在三个频段上划分了不同信道，如下列公式，我们将信道编号k为026。在2450MHZ频道上划分了16个信道，915MHZ频道有10个信道，868MHZ频道只有一个信道。27个信道和中心频率定义如下：fc=868.3MHZ k=0fc=9062(k-1)MHZ k=1,2,10fc=24055(k-11)MHZ k=11,12,262.2.4 GHz频段的物理层技术2.4GHz频段的物理层技术在IEEE 802.15.4标准下,支持250kbps的数据速率,采用十六进制的准正交调制技术。符号周期中,釆用4个信息映射,符号速率为62.5ksymbol/s,码片速率为2000 kchip/s的32位准正交伪随机序列;最后符号码片序列通过0-QPSK调制到载波上,调制原理如图2-2所示。图2-2 2.4GHZ物理层调制方案2.2.5 MAC层规范介绍IEEE 802.15.4标准的MAC子层的任务主要有以下几项:协调器产生网络信标;信标同步;支持PAN关联和解关联;CSMA-CA信道访问机制;处理和维护保证时隙(GTS)机制;在两个对等MAC实体间提供可靠链路。MAC层服务规范MAC层的参考模型如图2-3所示。图2-3 MAC层参考模型MAC层的作用是:提供特定服务汇聚子层(SSCS)与物理层之间的接口。同时,MAC层还包括MAC层管理实体(MLME),用于提供调用MAC层管理功能的管理服务接口; MAC层管理实体还有另外一个作用是对MAC PAN信息库(MAC PIB)进行维护。MAC层提供MAC数据服务,是通过MAC公共部分子层(MCPS)的数据SAP(MCPS-SAP)进行的;提供MAC管理服务是通过MLME-SAP实现的。此夕卜,MSPS和MLME之间还隐含了一个内部接口,作用是实现MLME调用MAC数据服务。MAC帧,即MAC协议数据单元(MPDU),是由一系列字段按照特定的顺序排列而成的。MAC帧由以下三部分组成:MAC头、MAC有效载荷和MAC尾。MAC帧格式如表2-2所示。表2-2字节数：210/20/2/80/20/2/8可变长度2帧控制帧序号目的PAN标识码目的地址 源PAN标识码源地址帧有效载荷FCS地址信息MAC头MAC有效载荷MAC尾MAC头是由帧控制字段、帧序号字段和地址信息域组成;决定MAC有效载荷部分长度的是帧的类型,并且确认其有效载荷部分长度为0; MAC尾代表帧校验序列(FCS)。MAC层允许通过物理信道传输MAC帧。除了数据服务,它还提供了一个管理接口和自身管理对物理信道和网络信标的访问。它同样控制帧校验,保证时间戳,处理节点联合,最终为完全服务提供钩点。其管理任务如下:作为PAN的协调器要为设备活动产生网络信标;同步信标;支持PAN关联和离开;支持设备安全;信道访问使用CSMA-CA;管理GTS机制;在点对点MAC实体间提供可靠连接。2.3 ZigBee规范ZigBee协议栈架构包括IEEE 802.15.4标准定义了 ZigBee协议栈的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)和ZigBee联盟定义的网络层(NWK)和应用层。大体结构顺序：最底层IEEE 802.15.4的物理层，其次由下到上是MAC层、网络层、应用层。2.3.1 ZigBee应用层规范ZigBee应用层由以下APS、 应用框架、 ZDO和厂商定义的应用对象四部分组成。 APS子层负责维护绑定表并在绑定设备间传递信息,体现绑定的匹配能力。ZDO具体功能为:确定设备角色(网关、ZigBee路由器以及终端移动设备)、初始化、对绑定请求产生响应、建立网络安全关系;ZDO还有另外的一个作用是:发现网络设备,确认其所能提供的应用服务。 .ZigBee应用支持子层(APS)应用支持子层通过一组ZigBee设备对象(ZDO)和定义的应用对象都适合的服务,提供了网络层与应用层之间的接口。服务通过两个实体来提供:APS数据实体(APS-DE)通过APSDE-SAP提供数据传输服务;APS管理实体(APSME)通过APSME-SAP提供管理服务并对对象数据库进行维护和管理,也就是APS信息库(AIB)。应用支持子层的数据实体(APSDE)为ZDO和应用对象提供服务,向网络层提供数据服务,完成设备之间的传输。 .ZigBee ProfileProfile为ZigBee网络中设备之间通信的关键存在,是统一的标准。ZigBee分为私人的和公 的两个等级去定义Profile。 Profile标识符是规范在ZigBee联盟和文件范围之外的管理问题的唯一标准。对于Profile标识符的应用程序,每个Profile须向ZigBee联盟请求,在获得标识符后,即可获得以下定义:设备描述;串(簇)标识符。Profile标识符在ZigBee协议中占有重要的地位,也是其重要的枚举量。这就决定了即使在单独的ZigBee设备中,也存在许多的Profile进行维持让它更好地运行,同时设备通过一个分层寻址定义现在其功能。 .ZigBee设备对象ZDOZDO是执行ZigBee终端设备、路由器和协调器的一个应用,是通过使用网络和应用支持层原语进行的。ZDO分布在ZigBee协议栈中的APL、 APS层之上,是应用解决方案。其功能为:(1)初始化应用支持子层(APS)、网络层(NEK)、安全服务提供(SSP)以及其它ZigBee设备层。(2)通过信息集合配置确定和执行在终端中的应用。2.3.2 ZigBee网络层规范ZigBee网络层支持星状、树状和网状拓扑,其网络拓扑结构如图2-6所示。图2-6 ZigBee网络拓朴结构示意图在IEEE802.15.4标准中,定义了两种物理节点:半功能设备(Reduced FunctionDevice, RFD)和全功能设备(Full Function Device, FFD) 。 FFD是功能齐全的节点,负责发布控制、收集数据、与其相关的子节点进行通信,在整个控制中起着通信路由的作用。RFD可以定义为全功能的一个子集,功能比较精简,同时也降低了成本。RFD节点因为其功能不具有数据转发和路由功能,这样RFD节点之间不能通信，信息传递是和FFD进行的。星状拓扑中,网络是由负责网络中设备的初始化和维护的ZigBee协调器控制,其它设备(如终端设备)可以直接与其器通信;网状和树状拓扑结构中,ZigBee协调器通过ZigBee路由器进行网络扩展和建立,并对网络关键参数进行选定。树状网络的通信方式是采用IEEE 802.15.4定义的面向信标结构,在其拓扑结构中,网络中移动数据和控制信息时的路由器采用分层路由策略;网状网络的通信方式釆用完全对等的通信网络拓扑比较：在星形网络中,ZigBee协调器一般使用持续电力系统供电,而其它设备采用电池供电。星形网络拓扑结构只适于小范围组网的系统中。通过选择一个PAN标志符来唯一地确定本网络,网络建立之后,协调器就可以允许其他的设备加入到该网络中。和星形网络拓扑结构相比,树簇型网络拓扑结构有以下优点:覆盖的物理范围更大,容纳的网络子节点更多;但是随着网络级联的逐渐增大,增加了传输的时延,增加了误码率及相关开销。对于网状连接方式,结构组网灵活,允许通过多跳路由的方式转发数据,终端节点可以通过不同的路径将数据传输到ZigBee协调器,减少了消息传输的延时。同时由于网状连接方式中每个节点智能化,所以当网络中任一节点发生故障时,附近的无线节点会自动代替该节点继续进行信息的传输和转发。所以网状连接方式的健壮性比较强,网络覆盖度大,比较适用于矿井监控系统中。2.3.3 ZigBee网络层的功能ZigBee网络层提供相关的函数,保证MAC层的正常通信运行,同时提供服务接口面向应用层,与此同时,网络层还提供了数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体提供数据传输服务,网络管理层实体提供网络管理服务,完成对信息库(NIB)的维护和管理;它们分别通过网络层数据实体服务接入点(NLDE-SAP)和网络管理实体服务接入点(NLME-SAP)进行的工作。网络层为MAC层提供接口是通过MCPS-SAP和MLME-SAP ,为应用层提供接口服务通过NLDE-SAP与NLME-SAP 。2.4 2006协议栈2.4.2协议栈的构架图2-7协议栈构架3 无线传感网络中定位技术介绍无线传感器网络技术的应用主要是把大量的传感器节点放置于需要监测的区域，让这些节点采集人们所感兴趣的数据，之后通过无线传输的方式把采集到的信息汇集到总处理器，总处理器通过分析数据得出所检测区域的状况。由此可以看出，位置信息对所采集的数据是非常重要的。对于无线传感网中定位技术的研究是非常有意义的。本章首先介绍了关于无线传感器网络定位方面的基础知识，接着将目前定位技术的评价指标和定位方法的分类作了介绍，最后着重介绍了基于测距的定位算法。其中，到达时间差定位算法有不需要时间原点同步的特点，这将有助于在该算法的基础上设计出更好的定位算法。3.1 无线传感网络定位技术概述无线传感网定位技术就是根据网络中一些位置已知的节点通过与位置未知的节点交换数据，从而得出位置未知节点的具体位置。3.1.1无线传感网定位相关的基本概念PS(Global Positioning System)：即为人们所熟悉的全球定位系统。该定位系统由24颗卫星所组成，能够得到准确的位置信息。锚节点(Anchor Node)：指无线传感器网络中位置已经事先知道的传感器节点。该节点的位置信息可以通过GPS 测定，或者通过放置该节点的时候人工测定出。它的主要功能是和其通信范围内的位置未知的节点进行数据交换从而确定它们的具体位置。也有的文献中将锚节点称作信标节点(Beacon Node)。未知节点(Unkown Node)：指无线传感器网络中位置未知的节点，该节点的位置信息需要通过一些方法测量得到。也称为待定位节点(Unpositioning Node)。邻居节点(Neighbor Nodes)：指在传感器节点通信范围内的所有其他传感器节点。如果某个节点想要把信息传得更远，可以将信息通过邻居节点转发。连通(Connectible)：若两个传感器节点之间可以进行数据传输，则可以把这两个无线传感器节点称为连通的。连通度(Connectivity)：指无线传感器网络中，与某个传感器节点相连通的节点的数目称为该节点的连通度。锚节点密度(Anchor Density)：指无线传感器网络中，锚节点个数占整个网络中传感器节点数据的百分比。基于测距(Range-based)：指需要测量距离然后进行定位的方法。非基于测距(Range-free)：指不需要距离的测量就能进行定位的方法。视距关系(Line of sight, LOS)：指两个传感器节点之间没有障碍物阻挡，能够进行两个节点之间直接的传输数据。非视距关系(Non-line of sight, NLOS)：指两个传感器节点之间有障碍物阻挡。3.1.2无线传感网定位的性能评价指标评价定位技术好坏的最重要的指标就是定位的准确性和精确度。定位的准确性指的是通过某定位算法求得的位置与实际位置之间的最大距离。定位的精确度指的是定位准确性能达到的百分比，它需要通过多次实验得到的。对于定位性能的评价必须同时考虑定位的准确性和精确度。实际应用中使用的定位算法都具备很强的稳定性能，多次定位得到的位置偏差不大，所以对于定位技术的评价可以用定位的误差表示。定位的误差分为绝对误差和相对误差，绝对误差指的是定位的位置与实际位置相差的距离，相对误差指绝对误差与节点之间可以通信的最长距离的百分比。假设有N 个未知节点，这些节点的实际位置是 ，(i = 1,2,N)，经过定位算法的运算得到的测量位置是 ，(i = 1,2,N)，于是就可以得到定位平均绝对误差为： E=1Ni=1N|Xi-Yi| (3-1)如果节点之间能够通信的最大距离是R，那么定位的平均相对误差为： Er=ER (3-2)此外还有一些其他的评价标准如表3-1 所列举：以上介绍的定位技术的评价指标还可以作为设计定位系统的参考因素，不同的定位应用中应该选择不同的定位算法，在保证定位精度的前提下，最大限度地减少资源浪费。这些评价指标之间并不是孤立的，它们存在联系。对于定位技术的好坏只能从某个方面进行评价，实际应用中应该综合考虑各方面的要求设计出合适的定位系统。表 3-1定位技术的评价标准名称描述容错性和自适应性通常情况下，定位算法运行时需要比较理想的环境，但在实际应用中，网络节点会因为周围环境和自身问题出现失效的情况，这时就需要定位系统的软、硬件具备很强的容错性和自适应性。功耗由于传感器节点电源能量有限，所以在保证定位准确性和精确度的前提下，尽量减少定位所需要的功耗是非常有必要的。代价该项评价标准包含了时间代价、空间代价和资金代价等，其中资金代价是指实现一个定位系统所需的总费用，该项直接关系到定位系统的发展前景。3.2 无线传感网络定位技术的分类根据分类标准的不同，可以将无线传感网定位算法进行不同的分类。例如，根据是否需要测量节点之间的距离，可以将定位算法分为基于测距(Range-based)的定位算法和非基于测距(Range-free)的定位算法。如果根据定位所得到的位置信息的类型，可以将定位算法分为绝对定位算法和相对定位算法。3.2.1 基于测距与非基于测距的定位算法基于测距的定位算法利用信号强弱差值计算出参考节点和移动节点距离从而计算出一定节点的位置。而非基于测距的定位算法则根据网络拓扑结构等信息进行未知节点的定位。常用的基于测距的定位算法有：基于接收信号强度测量法(RSSI)、测量时间法(TOA)、测量时间差法(TDOA)和到达角度测量法(AOA)。常用的非基于测距的定位算法有：质心算法、凸规划法。这样划分的两种定位算法各有其优缺点。基于测距的定位算法需要对距离进行精确的计算，所以它的定位相对于非基于测距的算法较为准确，但是他在处理数据的过程中耗费的功更多同时成本也大大增加。而非基于测距的定位算法在成本和功耗方面比较小，易于实现，但是其定位精度比较差。在实际的应用中应该根据需求的不同选择不同的定位算法。值得注意的是，在非基于测距的定位算法中，网络多跳路由算法也需要计算未知节点和参考节点之间的距离，但是这种距离的估算是根据网络的拓扑结构信息进行计算的，。目前，实际应用中广泛使用的是基于测距的定位算法，本文所要研究的也是基于测距的定位算法。3.3 无线传感网络中基于测距的定位算法本文将着重对基于测距的定位算法做深入的介绍，下面本文将介绍无线传感网中几种基于测距的定位算法。同时也对各种定位算法分析比较，进而选出较为适合的算法应用到本课题的研究。3.3.2 基于RSSI 的定位法RSSI（receive signal strength indicator）即为接收信号强度指示。无线信号在传播过程中的存在着特定的关系，即随着传输距离的增加信号也越来越弱。人们在研究中发现，接收信号强度值与信号的传播距离之间有着明确的关系。在实际的信号传播过程中，可以利用RSSI 值来确定信号的传播距离。在实际测量过程中，参考节点会向移动节点发送一个信号，由于信号的衰减特性，在移动节点和参考节点的信号强度不相同，基于一定的算法公式就可以计算出传输距离。我们采用的是cc2431芯片，它本身具有定位引擎和无线信号收发的功能吧，所以基于RSSI的定位技术很方便并且价格低廉。在实际提供RSSI 值测量的芯片中，信号在节点之间的传播可以使用经验的无线信号传输模型进行模拟，即： Pij=0-10nplog10(dij0) (3-3) 为发送节点i发送信号后，接收节点j接收到该信号时的信号强度值，单位为dBm， 为发送节点i和接收节点j之间相距的距离。 为接收节点接收到与它相距 的发送节点发送信号的强度值，单位为dBm，通常情况下，选取 为1m。 为路径损耗指数，它与具体的环境相关。设A 为信号传播了1 米后的信号强度，则上面的无线信号传输模型可以改写为： Pij=A-10nplog10(dij) (3-4)通过式（3-4）可以看出，参数A和 决定了接收信号强度值和信号传播距离之间的关系。基于RSSI 定位法就是通过RSSI 值估算出收发节点之间的距离，然后根据参考点的位置对移动节点知节点进行定位。该算法的定位原理如图3-2 所示，假设A、B 和C 都是参考节点，位置分别为(x1,y1)、( x2,y2)和(x3,y3)，M点为未知节点，设它的位置为(x, y)。M点向A点、B点和 C点分别发送数据包，设A 点接收到M 点发送的信息时，RSSI 值为RSSI 1，B 点接收到C 点发送的信息时，RSSI 值为RSSI 2 ，C点接收到M 点发送的信息时，RSSI值为RSSI 3。图3-2 基于RSSI 定位原理图根据信号强度值与传输距离的关系可以将RSSI 1、RSSI 2 和RSSI 3 分别转换成对应的距离AMRSSI 1、BMRSSI 2、CMRSSI 3 ,那么就可以建立方程 (x1-x)2+(y1-y)2=AMRSSI 1(x2-x)2+(y2-y)2=AMRSSI 2(x3-x)2+(y3-y)2=AMRSSI 3 (3-5)解(3-5)的方程组可以得到(x,y)，进而可以对M定位。由于我们采用的是cc2431芯片，所以在试验中节省了硬件设施，也不用节点之间进行繁琐的数据处理以及交换，表面看来很好很方便，适合广泛的应用。但是在实际应用中RSSI受到多径衰减，非视距等诸多因素的影响，信号随着距离衰减的比例会有误差，不能得出理想的数据。就算是未知节点和参考节点始终不动，得出的数据也会有很大的差异。另外，也有可能节点上使用了未经校准的无线收发装置，这也使得在不同设备上使用相同的方式发射信号，而在接收端测得不同的RSSI 值。因此基于RSSI 的测距稳定应不强，当外界情况变化很大时，收到的信号强度会员里理论值致使距离算出的距离不准确，从而会造成很差的定位效果。所以在实际操作中为了提高精度要尽可能的增加参考节点个数，利用均值减小外界的不良干扰。3.3.3 基于TOA 的定位法TOA(Time Of Arrive)即为到达时间。基于TOA 定位法就是利用无线信号在节点之间的传输时间来测量节点之间距离，然后对未知节点进行定位。该定位法的原理图如图3-3 所示。图3-3基于TOA 定位原理图图3-3 表示在二维平面内，用三个位置已知的锚节点对未知节点进行定位。A、B 和C 都是参考节点，位置分别为: (x1,y1)、( x2,y2)和(x3,y3)，M点为未知节点，设它的位置为 。M节点在 时刻向A、B 和C 广播一个数据包，三个参考节点A、B 和C 接收到该数据包的时刻分别是T1，T2,T3。设电磁波在空气中的传播速度为C，那么未知节点M 和参考节点A 之间的距离为C*(T1-T0) 。同理可得未知节点M与锚节点B和锚节点C之间的距离分别为 C*(T2-T0)和C*(T3-T0)。这样就可以建立方程组： (x1-x)2+(y1-y)2=C*(T1-T0)(x2-x)2+(y2-y)2=C*(T2-T0)(x3-x)2+(y3-y)2=C*(T3-T0) (3-6)求解方程组(3-6)可以得到未知节点的位置。在了解这种定位算法后我们发现，在实际中应用不仅要记录参考节点和未知节点传输数据的准确时间，而且还要系统的时间同步准确无误。时间同步在研究中也很重要，又给实验带来许多繁琐。北斗导航二代系统就是采用了此种算法，那是一个非常昂贵的系统，对于本次试验不切实际，耗费巨大。介绍过基于TOA方法以后发现，它的定位方法在本质上和基于信号差值定位的方法没有本质，区别不同的是测距的方法。他们都是先基于一定的方法，测出未知节点到三个不在同一直线的参考节点距离，再利用三边定位算法计算出未知节点的位置信息。三边定位是一种较为精确的算法，图3-4 给出了三边定位法的原理图，分别以参考节点未知节点的距离为圆心画圆。三个圆的公共焦点就是所要知道的未知节点的位置。结合对以上两种定位算法的分析与研究，又根据实际情况和自身能力，我选择了基于RSSI的定位算法。这种定位算法不需要额外硬件，及经济又方便，还便于在实验中实现。图3-4三边定位法的原理图3.3.4 基于AOA 的定位法AOA(Angle Of Arrive)即是到达角度。基于AOA 的定位法是当节点接收到信号时，通过利用天线阵列判断信号源的方位，继而进行定位。基于AOA 的定位法原理上就是三角定位法。三角定位法主要是利用天线测得未知节点和锚节点之间的角度关系，然后根据锚节点的位置确定出未知节点的位置。下面将介绍三角定位法，三角定位法的原理如图3-6 所示。图3-6三角定位法原理图图3-6 中，A、B、C 都表示位置已知的锚节点，D 表示的是未知节点。节点A，B，C 的坐标分别为: 、 和 。假设未知节点的坐标为 。未知节点D相对于锚节点A，B，C的角度分别为 ，这三个角度可以通过天线测量出来。对于节点A，节点C和 来说，如果弧段AC在三角形ABC内，那么能够唯一确定一个圆，如图中的圆 ，如图中的圆O1，假设圆心O1的坐标为(xO1,yO1)，半径为R1。而AO1C=2-2ADC。那么可以得到以下方程组： (xO1-x1)2+(yO1-y1)2=R2(xO1-x3)2+(yO1-y3)2=R2(x1-x3)2+(y1-y3)2=2R2-2R2cosAO1C (3-15)可以通过解(3-15)的方程组可以得到圆心O1的坐标和半径。同理可以分别得到圆O2和圆O3的坐标和它们的半径。最后通过利用圆心O1，O2，O3和三边定位法原理可以确定未知节点D 的坐标。3.3.5 定位算法总结结合对以上三种定位算法的分析与研究，又根据实际情况和自身能力，我选择了基于RSSI三边定位算法。这种定位算法不需要额外硬件，及经济又方便，还便于在实验中实现。在cc2431中有定位引擎，也适当降低了定位的难度。在实验中为了降低基于RSSI受外界影响的程度我们适当增加了参考节点数量，此次试验我们设置了6个参考节点。4基于ZigBee网络的定位系统设计室内人员定位系统由随机分布的集成有数据处理单元和通信模块的ZigBee节点,通过自组织的方式构成网络,整个网络构成的特点符合监测精度高、覆盖区域广、高容错性、可远程监控等优点。任何无线定位功能的实现都是基于某种无线通信网络的，以ZigBee技术为载体的定位同样也是基于一个网络的。本文实现的系统就是在ZigBee网络的基础上，通过定位跟踪室内人员、物品来进行实时监测和管理。对定位环境模型进行适当修改后，也可应用于矿井巷道等其它环境中。4.1系统硬件功能介绍在基于zigbee人员定位装置的研究中, 定位硬件选择也是本方案主要研究对象,它由ZigBee协调器(网关)、ZigBee路由器(参考节点)和ZigBee终端设备(定位节点)三个主要部分组成。协调器在整个系统的发起者和中枢的作用。一般来说协调器与上位机通过有线形式直接相连,上位机向协调器发出组网的命令,负责为其他后续新增子节点;另一方面,子节点的请求数据还要通过协调器发送给上位机进行处理。在完成同上位机进行通讯的工作之余,协调器在网络中也能充当参考节点。参考节点的位置在定位过程中是固定的,其坐标由人们事先确定并赋值。在定位过程中,它负责接收其他节点发送过来数据包,并根据包内提供的定位相关参量如RSSI值求出参量的平均值,然后交由定位节点将数据打包,最后发给协调器节点。参考节点除了提供自身位置坐标信息外,还可以作为路由使用。定位节点是一类可移动的节点,其位置是未知的,我们进行定位的目的就是要取得其坐标信息。4.2硬件选择CC2431芯片内部集成了一个增强型可编程8051内核,速度是标准8051处理器的8倍。闪存规格有32/64/128KB三种规格,满足不同需要。无线射频核心部分采用CC2431的射频收发器,接收灵敏度高,抗干扰能力强。除去这三个上要部分,CC2431还集成了4个不同种类的定时器、l个14位ADC、看门狗电路以及AES安全协处理器等一批实用外设,大大简化了外围电路的设计过程,加上多达21个的UO端口使得该芯片扩展性很强,方便了用户进行二次开发。CC2430同CC2431芯片均为ehipeon推出的smartRF系列产品,硬件规格参数基本相同,二者最大的差别是CC2431内部含有一个无线定位跟踪引擎,这个由摩托罗拉公司设计认证的定位引擎可实现高精度快速定位。CC2431基于Chipeon公司的SmartRF技术平台,生产工艺达到0.18月m,采用7mmx7mm的QLP48封装,高度集成化既减小了体积,更降低了能耗,工作功率仅为lmw,且具备自动休眠功能,休眠状态下功耗更低,电池寿命可达半年到两年。综上所述,由于CC2431节点以上的优点,能够很好满足本系统设计要求,现选其为协调器节点、路由节点和终端节点的模块主芯片。4.3节点硬件总体设计定位节点硬件设计框架如图4-1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。根据节点实际功能要求，只需连接所需器件即可。图4-1节点硬件设计框图4.3电路设计4.3.1串口电路设计如图4-2串口转换串口电路通过 SP3223E 完成电平转换，串口利用RS232C9针的D型连接器作为口。4.3.2电源电路设计如图4-3供电电路电源电路采用的是 5V 电源通过TPS79533 转换为3.3V 工作电压供电；USB 提供电源，通过TPS79533 转换位3.3V 工作电压；仿真器直接提供3.3V 工作电压和电池供电四种电源方案。4.3.3复位电路设计复位电路的作用是将单片机复位，该电路是一个典型的按键复位电路，如图4-4所示，当单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高点平，单片机就完成了复位操作。如图4-4复位电路4.3.4 JTAG接口CC2431支持在线仿真调试,利用IAR等编译软件通过JTAG仿真接如图4-5,可以实现对控制器的在线实时仿真。图4-5 JTAG接口4.3.5液晶电路液晶采用的是OCM12864-9图形点阵液晶显示模块，该模块提供了一个完善的驱动电路，提供了20个引脚作为和设备的连接接口。该模块的位并行数据通信，为了节约更多的端口提供给用户自己发挥，我们采用了74HC595解码。如图4-6液晶电路 4.3.6参考电路设计CC2431是无线SOC设计，其内部已经集成了大量的必要电路，无需更多的外围电路即可实现信号的收发功能。如图4-7为CC2431/2430参考设计电路。C104去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性；，电路中的非平衡变压器由电容C112和电感L100、L101、102 以及一个PCB微波传输组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻的要求；R102为32MHZ晶振提供合适的工作电流图4-7为CC2431/2430参考设计电路4.4软件系统设计系统设计所需要的开发环境和工具包括IAREW集成开发环境、JLINK仿真器以及无线802.15.4抓包分析器等工具。根据系统主要功能，将系统软件分为3个主要功能模块：协调器主程序软模块；ZigBee路由器程序模块； ZigBee终端移动节点程序模块。协调器主程序软模块：ZigBee协调器作为整个定位系统的组织者,它接收来自上位机的控制命令通过网络传输到指定节点,同时接收来自固定节点的数据信息并传输给上位机。整个系统都是通过串命令在控制着流程,每一个串命令都会实现一个对应的功能,作为协调器,本身是个中心控制站,所以涉及到的串命令较少。图4-7协调器主程序流程图 ZigBee路由器程序模块：系统上电后,首先进行初始化设置,包括对CC2430的I/O 口、寄存器等初始化,设置工作频率、工作模式等。路由节点加入网络后,主动扫描信道,通过协调器网络发起的请求连接,得到许可后,分配给16位