（控制理论与控制工程专业论文）基于zigbee无线传感器网络的移动定位技术及应用.pdf

硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 摘要 z i g b e e 技术作为一种新兴的低成本、低功耗、低速率短距离无线传感器网络技术， 越来越多地用于环境监测、工业现场采集、智能家居和医疗护理等领域，其中基于z i g b e e 无线传感器网络的移动节点定位技术也日益受到关注。目前许多定位方法大都基于静态 节点定位，对移动节点的定位研究尚不成熟，但在实际应用中，移动节点的位置信息相 对于静态节点的位置信息更加重要，因此对移动节点的定位研究有其重要价值。 论文介绍了基于z i g b e e 技术的应用设计平台，硬件以c c 2 4 3 0 2 4 3 1 为核心，外扩 了串口r s 2 3 2 、红外发射器、红外接收器等电路，软件上实现了z i g , b e e 通信协议和定 位算法，完成了基于z i g b e e 技术的实际项目哳返跑测试系统的设计和调试。论文 探讨移动节点的定位方法和精度问题，着重阐述了参考节点数目、参考节点分布情况以 及不同定位算法三个方面的实验与分析结果。 论文研究结果表明，基于z i g b e e 无线传感器网络技术可以方便地构成实际的应用 系统。采用典型的无线传感器网络的折返跑项目完成了无线组网、信号传感等功能。在 移动节点定位方面，尽管定位误差较大，但通过增加参考节点的数目以及改进定位算法 等，可以达到提高定位精度的目的。 关键词：z i g b e e 技术，移动定位，折返跑，c c 2 4 3 0 2 4 3 1 a b s t r a c t a sa ne m e r g i n gl o w c o s t , l o w - p o w e r , l o w - r a t e , s h o r t - r a n g ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e c h n o l o g y , z i g b e et e c h n o l o g yi su s e di nt h ef i e l d sa se n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , i n d u s t r i a l s i t e a c q u i s i t i o n , i n t e l l i g e n th o m ea u t o m a t i o na n dm e d i c a lt r e a t m e n t t h ep o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yo fm o b i l en o d ew h i c hb a s e do nz i g b e ei si n c r e a s i n g l yc o n c e r n e d a tp r e s e n t ， m o s tl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sw h i c hb a s e do ns t a t i cn o d e sp o s i t i o n i n gi sn o tm a t u r ei nt h e p o s i t i o n i n go ft h em o b i l en o d es t u d y b u tt h em o b i l en o d e sl o c a t i o ni n f o r m a t i o ni sm o r e i m p o r t a n ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h ep o s i t i o n i n go ft h em o b i l e n o d e t h et h e s i si n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o np l a t f o r mb a s e do nz i g b e e c c 2 4 3 0 2 4 31i su s e da s t h ec o r ec h i pw i t ht h ee x p a n s i o no fs e v e r a li n t e r f a c e s ，s u c ha sr s 2 3 2i n t e r f a c e ，i n f r a r e d e m i t t e ra n di n f r a r e dr e c e i v e r z i g b e ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h ma r e f i n i s h e di ns o f t w a r e t h es y s t e mw h i c hb a s e do nt h ez i g b e et e c h n o l o g yr e a l i z e st h ed e s i g n a n dd e b u g g i n go fs h u t t l er u ni t e m i no r d e rt oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y , t h et h e s i s m a k e sm o r ee x p e r i m e n t sw h i c hc h a n g i n gt h en u m b e r , t h ed i s t r i b u t i o no fr e f e r e n c en o d e sa n d t h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ，a n da n a l y s e st h er e s u l t s t h et h e s i sr e s u l t ss h o wt h a tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yb a s e do nz i g b e ec a nb e e a s i l ya p p l i e d s h u r l er a ni t e mw h i c hu s e dt h et y p i c a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o m p l e t e st h e f u n c t i o n so fw i r e l e s sn e t w o r ka n ds i g n a ls e n s i n g t h r o u g hi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fr e f e r e n c e n o d e sa n di m p r o v i n gt h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ，t h ep o s i t i o n i n ge r r o ro ft h em o b i l en o d ei s r e d u c e da n dt h ea c c u r a c yi si m p r o v e d k e yw o r d s ：z i g b e e ，w i r e l e s sl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , s h u t t l er u n ，c c 2 4 3 0 2 4 31 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：麴 爰一尸年多月芗驴日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：缝互互年易月知日 硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近年来，随着技术的进步，低功耗多功能的无线传感器网络w s n ( w r i e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 也随之应运而生。无线传感器网络可以无处不在，能够广泛应用于军事、医院、 地下煤矿、智能家居、大型车间和仓库管理等领域。z i g b e e 作为一种新兴的无线网络技 术受到越来越多的关注并被用于诸多方面，本文提到的折返跑考核项目就是基于z i g b e e 技术【l 】的一项应用。 无线传感器网络不断进行数据信息的采集，其中位置信息是不可或缺的一部分，如 在战场侦察、地下煤矿、火灾等现场的监控应用中，都需要知道传感器节点的位置信息。 人们对无线定位的需求与日俱增，尽管全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 导 航逐渐深入到人们的日常生活中，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点， 但g p s 设备通常能耗高、体积大、成本高，更适应于无遮挡的室外环境。在一些特定 环境中( 如室内、水下，地下煤矿等) ，g p s 会由于接收不到卫星信号而失效：另一方面， 在多数无线传感器网络应用中，要求传感器节点小巧，在这样的情况下，g p s 就显得无 能为力，。总得来讲，g p s 定位不适合在室内环境中使用。 基于z i g b e e 无线传感器网络的出现为室外或室内的无线定位注入了新的活力，其 综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理等 技术，具有灵活、成本低、易于布置等特性，能方便准确的采集各类信息。近年来，越 来越多的企业和研究单位开始关注这种短距离无线通信技术，也带动了室内定位技术的 发展。目前对无线传感器网络的定位研究中，大都是基于静态节点的定位，但在实际应 用中却大量存在对移动节点的定位，本文主要阐述了基于移动节点的定位分析，通过不 同算法的对比，期望提高移动节点的定位精度。 1 2 国内外无线定位研究现状 1 9 9 2 年，a t & t ( l a b o r a t o r i e sc a m b r i d g e ) 开发出最早的室内定位跟踪系统a c t i v e b a d g e 2 ，它利用红外线技术实现室内定位，但由于红外方向性强、距离短等弊端，定 位精度不高，之后经过许多专家学者的努力又开发出更多的定位系统和算法，代表成果 有a c t i v eb a t 、r a d a r ( r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g ) 、s p o t o n 和c r i c k e t 等。 a c t i v eb a t 室内定位系统由剑桥大学a t & t 实验室开发，基于室内超声波无线射频 定位技术，采用t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 技术的三角定位法。它比a c t i v eb a d g e 定位精度要 高，但它使用有线网络，对网络节点的依赖性较强，且系统的扩展性受到很大限制。 l 绪论 硕士论文 r a d a r 室内定位系统由m i c r o s o f t 公司开发，其基于i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 室内无线 射频定位系统，属于信号传播模型与经验测试相结合的场景法定位系统。其显著特点为 采用无线网络，易于安装，需要基站少，应用中要考虑节点的能耗和大小等问题。 s p o t o n 室内定位系统基于射频识别技术d ) ，用聚合算法对三维空间进行定位。 目前，还没有建成完整的s p o t o n 系统。 c r i c k e t 室内定位系统由麻省理工学院开发，是超声波定位的典型例子，相比于 a c t i v eb a d g e 和a c t i v eb a t ，它采用超声波时延信号进行定位，定位精度较高，但由于 该系统需要同时发射射频和超声波信号，因此需要较高的底层硬件设施投资，且系统功 耗较大。 近年来，由t i 公司和摩托罗拉公司共同研发的c c 2 4 3 1 无线定位芯片也值得我们关 注，c c 2 4 3 1 是一个带硬件定位引擎的芯片，能满足低功耗，符合z i g b e e i e e e 8 0 2 1 5 1 4 无线传感器网络的应用需要。它不需要如g p s 定位技术那样使用卫星定位，而是采用 c c 2 4 3 1 芯片组成的无线网状网络实现较高的定位分辨率和定位精度。c c 2 4 3 1 定位引擎 原理基于接收信号强度指示r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 技术，根据接收信号 强度和己知参考节点的位置计算出移动节点的位置，然后将位置信息发送给接收端【3 1 。 目前，室内定位技术在国内还没有形成规模，主要集中在科研单位和学校，大部分 的研究还停留在对算法的研究及优化上，大学从事的无线室内定位还只是停留在室内仿 真阶段，没有形成完整的体系。经过近年来的努力，国内外学者在无线传感器网络定位 算法的研究中取得了较大进步，但还是出现一些问题，譬如：更加精确的测距方法、在 大规模传感器网络定位过程中存在的误差累积问题、对移动节点定位算法的研究等等。 现有的定位算法大都在能耗、成本和精度等方面做了折中考虑，由于各种应用差别的存 在，适用于各种场所的定位算法也就成为空谈，因此要针对不同的应用场合，结合节点 的规模、成本以及系统对定位精度的要求等多方面的考虑，来选择最适当的定位算法。 1 3 无线传感器网络及其定位存在问题 今天，世界正大踏步地从网络时代向无线互联网时代迈进。新兴的无线网络技术， 如w i f i 、z i g b e e 、b l u e t o o t h 等在办公室、家庭、工厂等各方面都得至o - j 广泛应用。根 据投资银行r u t b e r g 公司、国际数据公司和无线数据研究集团等的预测，无线网络新技 术将在未来的3 年内达到几百亿甚至上千亿美元的营业收入，而无线定位技术的应用将 占有其中超出上百亿美元的份额。无线网络技术在为世界经济带来巨额财富的同时，也 为无线定位技术的发展注入了新的活力【4 】【5 1 。无线网络定位技术具有广阔的发展前景， 在这些技术当中，虽然b l u e t o o t h 、u w b 等都取得了一定的成效，但z i g b e e 技术在功耗、 成本上都有着得天独厚的优越性，并逐渐崭露头角，显示其雄厚的发展潜力，因此， z i g b e e 无线传感器网络技术在未来无线定位方面具有良好的发展前景。 2 硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 近1 0 年来，对无线传感器网络自身定位的研究登上了一个新的台阶，取得了一些 可喜的研究成果，特别是进入2 1 世纪后，提出了许多新颖的定位思想和方案，并解决 了些无线传感器网络的自身定位问题【6 】。但是，每种系统和定位方法都是针对不同 问题所产生的，之间的交集较少，还需要我们不断努力去探索。总的来说，如今的无线 定位技术仍存在下列一些问题： ( 1 ) 缺乏比较精确的测距方法。 ( 2 ) 定位的实时性较低。 ( 3 ) 存在误差现象，在大规模定位节点较多的情况下，误差将被放大。 ( 4 ) 传感器节点受距离、能量的限制，需要在算法复杂度与能量耗费之间寻求一种 合理的折中算法。 ( 6 ) 现今的定位研究大都是基于静态节点的研究，对于移动节点的定位研究较少。 ( 7 ) 目前的定位方法一般是基于二维平面的研究，应深入到三维或多维空间方向。 1 4 论文主要工作及章节安排 本文主要工作是设计了基于z i g b e 圮技术应用的硬件设计平台，硬件上以 c c 2 4 3 0 2 ；4 31 为核心，外扩了串口r s 2 3 2 、红外发射器、红外接收器等电路，软件上实 现了z i g b e e 通信协议和定位算法，完成了基于z i g b e e 技术的实际项目折返跑测试 系统的设计和调试。论文探讨移动节点的定位方法和精度问题，着重阐述了参考节点数 目、参考节点分布情况以及不同定位算法三个方面的实验与分析结果。 本文共分六章，具体章节安排如下： 第一章绪论。首先阐述了课题的研究背景意义、无线定位的国内外现状、无线传 感器网络的发展趋势，最后总结了论文的主要工作及论文框架结构。 第二章z i g b e e 技术及无线传感器网络定位技术。本章阐述了z i g b e e 技术的主要特 性及其应用领域，详细描述其网络结构及无线数据传输，并介绍了无线定位技术及定位 方法。 第三章z i g b e e 的应用平台设计。本章详细介绍了基于z i g b e e 技术应用的硬件设计 平台，包括主控芯片的电路、天线电路设计、微控制器单元设计及外围电路设计，并描 述了硬件实现的软件平台及协议栈。 第四章折返跑测试系统设计与实现。本章旨在介绍z i g b e e 无线传感器网络技术在 实际中的应用，详细分析了项目实现的整个流程，包括基于z i g b e e 的组网过程及项目 功能的实现。 第五章z i g b e e 技术的移动节点定位研究。本章阐述了移动节点定位的软件实现， 包括网状结构的组网流程、定位过程的数据交换，并对测试结果分析。由于目前对移动 节点的定位存在较大误差，因此本章分别对参考节点数目及定位方法两方面进行分析实 3 l 绪论硕士论文 验，期望提高定位精度。 第六章总结与展望。总结本文的主要工作，分析目前研究的局限性，提出一些有 待于解决的问题。 4 硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 2z i g b e e 技术及无线传感器网络定位技术 z i g , b e e 技术作为一种新兴无线通信技术不同于其他一些无线传感器网络技术，其不 追求高速率、远距离等特点，而是以低功耗、低速率、低成本为主要特点，被广泛用于 多个领域，其中，定位就是无线传感器网络的主要应用领域之一。 2 1z i g b e e 技术 由英国i n v e n s y s 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等公 司在2 0 0 2 年共同宣布组成z i g b e e 技术联盟，共同研究开发z i g b e e 技术。z i g b e e 是一 种新兴的低功耗、低速率、低成本短距离无线网络技术，在工业、农业、军事、环境、 医疗等领域都有极高的应用价值。 2 1 1z i g b e e 技术的主要特性及应用 z i g b e e 作为一种新兴的无线传感器网络技术，之所以更适用于远程控制领域并被如 此多的企业看好，是由其自身的技术优势所决定的，其特点如下： ( 1 ) 低成本。z i g b e e 降低了对通信控制器的要求，因此可以采用8 位单片机存储器， 大大降低了硬件成本。预计z i g b e e 模块初期成本在几十元左右，广泛应用后可降到2 0 元左右：且由于z i g b e e 协议栈免专利费用，因此可进一步降低软件的应用费用。 ( 2 ) 工作频段灵活。可供使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ， 均为免执照频段。 ( 3 ) 低速率。z i g b e e 根据不同的工作频段，其数据传输速率会有所不同，但都处于 较低的速率。在2 4 g i - - l z 频段上，有1 6 个数据传输速率为2 5 0 k b p s 的信道；在8 6 8 m h z 频段上，有1 个2 0 k b p s 的信道，在9 1 5 m h z 频段上，有1 0 个4 0 k b p s 的信道。 ( 4 ) 低功耗。这是z i 9 8 e e 网络最显著的一个特点。在工作模式下，由于z i g s e e 技 术的传输速率低，传输数据量较小，因此信号的收发时间短；在非工作模式时，z i g b e e 节点又处于休眠模式。一般z i 9 8 e e 节点用两节普通5 号干电池供电，可使用6 个月以 上。 ( 5 ) 短时延。z i g b e e 的通信时延以及从休眠状态到激活的时延都非常短。设备搜索 时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值为1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s ，这 对某些时间敏感的信息至关重要，另外还能减小能量消耗。 ( 6 ) 数据传输可靠。由于z i g b e e 采用了防冲突机制c s m a c a ，同时对需要固定带 宽的通信业务采用预留专用时隙的策略，避免了发送数据时的竞争和冲突。在接入层采 用确认数据传输机制，每个发送数据包必须等待接收点的确认信息才可以发送下一个数 5 2z i g b e e 技术及无线传感器网络定位技术硕士论文 据包。如果传输过程中出现问题可以进行重发，从而建立起可靠的数据通信模式。 ( 7 ) 近距离通信。由于z i g b e e 的低功耗特点，决定设备的发射功率较小，一般两个 z i g b e e 节点的通信距离在10 - - 一7 5 m 内。 ( 8 ) 组网方式灵活。z i g b e e 组网方式灵活，可以组成星状、树状、网状三种方式， 网络可以随节点设备的加入或退出呈现动态变化。 ( 9 ) 网络容量大。z i g b e e 设备分为三种方式，网关( 即为协调器) 、路由器和终端设 备。每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，即每个z i g b e e 主设备可以与另外2 5 4 台 从设备相连接。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过6 4 0 0 0 个z i g b e e 网 络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个z i g b e e 网络节点数目将非常可观， 十分符合大面积传感器网络的布建需求。 ( 1 0 ) 自配置。在可通信距离内，z i g b e e 通过网关自动建立网络，采用载波侦听肿 突检n ( c s m a c a ) 方式进行通道接入；节点设备可随时加入和退出，是一种自配置、自 组织的组网模式。 ( 1 1 ) 三级安全模式【8 1 。z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性校验， 支持鉴权和认证，并在数据传输中提供了三级安全处理。第一级是无安全方式：对于某 种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，设备就可以选择这种方 式来转移数据。第二级安全处理：设备可以使用接入控制列表( a c l ) 来防止非法设备获 取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全处理：在数据传输中采用属于高级加密 标准( a e s 1 2 8 ) 的对称密码，a e s 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法设备。 不同的应用可以灵活确定其安全属性。 由于上述特点，使得z i g b e e 在许多方面得到了应用，主要用于功耗要求低、数据 传输率不是很高而且传输距离不是十分远的场合，比如通过建立完备的z i g b e e 网络， 智能建筑【9 】可以随处感知可能发生的火灾隐患，及早提供相关信息；根据人员分布情况 自动控制中央空调，实现能源的节约；及时掌握客房内客人的出入情况，以便突发状况 时能及时发出通知；在机场，持有z i g b e e 终端的乘客们可以随时获取导航信息；在工 业领域，人们可以通过z i g b e e 网络及时了解厂房内不同区域的温湿度：在医院，z i g b e e 网络可以及时、准确地收集病人的信息和检查结果，快速准确地做出诊断。本文提到的 折返跑测试系统设计就是基于z i g b e e 技术的一项实际应用。 2 1 2z i g b e e 技术的网络结构 z i g b e e 体系结构由四层模块组成，分别为物理层( p r r o 、媒体接入控制层( m a c ) 、 网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) t 1 0 】。i e e e8 0 2 1 5 4 是i e e e 确定的低速率无线个域网 ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 标准，这个标准定义了p h y 层和m a c 层，但只是定义这两层两 层并不能保证不同设备间的对话，z i g b e e 联盟在i e e e8 0 2 1 5 4 基础之上建立它的网络 6 硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 层( n w k ) 和应用层( a p l ) 框架。z i g b e e 协议栈如图2 1 所示，每一层为其上一层提供 套服务功能：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他服务。每个服务实体和上 层之间的接口称作“服务访问点( s a p ) ，通过s a p 交换一组服务原语为上层提供相关 的服务功能。 图2 1z i # e e 协议结构体系 2 1 2 1 物理层 z i g b e e 物理层【l l 】协议采用i e e e8 0 2 1 5 4 定义的协议标准。z i g b e e 对不同的国家地 区提供不同的工作频率范围，分别为2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两 个物理层标准，都采用直接序列扩频( d s s s ) 技术，使用相同的物理层数据包格式，区别 在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率，如表2 1 所示： 表2 1 物理层工作频率范围 工作频率范围m h z国家和地区信道编号中心频率m i - z 比特速瓜b p s 8 6 8 8 6 8 6 欧洲 k = 08 6 8 32 0 9 0 2 9 2 8北美 k = i ，2 ，1 09 0 6 + 2 ( k - 1 ) 4 0 2 4 0 0 2 4 8 3 5全球 k = 1 1 ，1 2 2 6 2 4 0 1 + 5 ( k 1 1 ) 2 5 0 7 2z i g b e c 技术及无线传感器网络定位技术硕士论文 物理层主要职责为：激活和关闭射频收发器；检测当前信道能量( e n e r g yd e t e c t ，e d ) 提供链路质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ；提供载波侦听肿突检测机 t t j ( c a r d e r s e n s o rm u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) ；提供空闲信道评估( c l e a r c h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ；选择合适的工作信道；发送和接收数据。 z i g b e e 的发射频率有一定的限制，可根据需要设置相应的服务原语进行控制，其发 射功率范围为0 - + 1 0 d b m ；另一个参数为接收灵敏度，是在给定接收误码率的条件下接 收设备的最低接收门限值，通常用d b m 表示，z i g b e e 接收灵敏度的测量条件为无干扰 条件，传送长度为2 0 个字节的物理层数据包，其误码率小于1 的条件下，接收天线端 所测的接收功率为z i g b e e 的接收灵敏度，通常要求为8 5 d b m 。 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无线信道的接口， 物理层中存在数据服务接入点和物理层管理实体服务的接入点。通过这两个服务接入点 提供如下服务：通过物理层数据服务接入点( p d 。s a p ) y 寸物理层数据提供服务；通过物理 层管理实体( p l m e ) 服务的接, k 点( p l m e s a p ) y 可物理层管理提供服务，结构如图2 2 所 示： 图2 2 物理层结构模型 z i g b e e 物理层数据包格式如表2 2 所示，由同步包头、物理包头和物理层净荷三部 分组成。如下图，同步包头包括4 个字节的前导码和1 个字节的s f d ( s t a r to ff r a m e d e l i m i t e r ) ，收发器接收帧时，根据前导码实现片同步和符号同步，s f d 标志同步域的结 束和数据包的开始；物理帧头低7 位，表示帧长度，所以物理层的帧负荷域长度不超过 1 2 7 字节。如果数据包的长度类型为5 字节或大于8 字节，那么物理层服务数据单元 ( p s d u ) 携带m a c 层的帧信息，即m a c 层协议数据单元。 表2 2 物理层格式 4 字节1 字节l 字节 长度可变 前导码( p r e a m b l e ) s f d帧长度( 7 比特) 保留位( 1 比特) p s d u 同步头物理帧头 物理层帧负荷 硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 2 1 2 2 媒体接入层 m a c 层协议采用i e e e8 0 2 1 5 4 定义的协议标准。i e e e8 0 2 系列标准将数据链路层 分为逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 和介质接入控制子层m a c 两个子层。 l l c 子层的主要功能是进行数据包的分段与重组，以及确保数据包按顺序传输。m a c 层处理所有物理层无线信道的接入，其主要功能为：网关产生网络信标、与信标同步、 支持个域网链路的建立和断开、为设备的安全性提供支持、采用c s m a c a 机制、处理 和维护保护时隙机制和在两个对等的m a c 实体间提供一个可靠的通信链路。m a c 层 在服务协议汇聚层( s s c s ) 和物理层之间提供了一个接口。m a c 层包括一个管理实体， 该实体通过一个服务接口可调用m a c 层管理功能，它还负责维护m a c 层固有的管理 对象和数据库。从图2 3 m a c 层参考模型可以看出，在m a c 层两个不同服务的接入点 提供了两个不同的m a c 层服务：m a c 层通过它的公共部分子层服务接入点为它提供 数据服务；m a c 层通过它的管理实体服务接入点为它提供管理服务。 图2 3 m a c 层参考模型 m a c 层数据包由帧头、载荷和帧尾组成，如表2 3 所示，帧控制域指明了m a c 帧 的类型( 包括信标帧、数据帧、确认帧、m a c 命令帧) 、地址域的格式以及是否需要接收 方确认等信息；帧序列号用于匹配确认帧，实现m a c 子层的可靠传输；地址域采用的 寻址方式分为两种，一种是6 4 位长地址，一种是1 6 位短地址。 表2 3m a c 层数据包格式 2 字节1 字节0 佗字节0 2 80 2 字节0 2 8可变2 字节 字节字节 帧控制 序列号目的标识符目的地址 源标识符 源地址帧载荷f c s m h r ( m a c 层帧头) m a c 载荷m f r 2 1 2 3 网络层 网络层( n e t w o r ks p e c i f i c a t i o n ) l 拘主要功能为：允许设备加入和离开网络；对帧信息采 取安全机制和路由机制；发现和维护设备间的路由；发现单跳邻居并存储相关的邻居信 息。此外，z i g b e e 网关的网络层还负责建立一个新的网络并为新加入的设备分配1 6 位 短地址等工作，提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正常工作，并为应用层提 9 2z i g b e e 技术及无线传感器网络定位技术 硕士论文 供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必要的功能服务实体， 分别为数据服务实体和管理服务实体，如图2 4 所示，网络层数据实体通过网络层数据 实体服务接入点( n l d e 。s a p ) 提供数据传输服务，网络管理层实体通过网络层管理实体 服务接入点c r e m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层通过m c p s s a p 和m l m e s a p 接 口为m a c 层提供接口，通过n l d e s a p 与n l m e s a p 接口为应用层提供接口服务。 图2 4 网络层参考模型 网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用，其提供如下的服务： 配置一个新的设备，初始化一个网络，连接、复位、断开网络，路由发现，邻居设备发 现和接收控制。 网络层数据实体为数据提供服务。在两个或多个设备之间传送数据时，它将按照应 用协议数据单元( a p d u ) 的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络，网络层数 据实体提供如下服务：生成网络层协议数据单元呷d ，制定拓扑传输路由和确保通 信的真实性机密性。 网络协议数据单元( n p d u ) 即网络层帧的结构，其结构组成如表2 4 所示： 表2 4 网络层帧结构 2 字节 2 21 l o ，80 80 1变长变长 字节字节 字节 字节 字节字节字节 帧控制目的源地广播广播序i e e e 目m e e多点传源路 帧的有 地址址半径域列号的地址 源地址送控制 由帧效载荷 网络层帧报头 有效载荷 2 1 2 4 应用层 z i g b e e 应用层框架包括应用支持层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商所定义 的应用对象。 a p s 主要功能包括：维持绑定表、在绑定的设备间传送消息。z d o 功能包括：定 义设备在网络中的角色( 是z i g , b e e 网关还是终端设备) ，发起和响应绑定请求，在网络设 备之间建立安全机制，除此，还负责发现网络中的设备，并且决定向它们提供何种应用 服务。 1 0 硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 z i g b e e 应用层除了提供一些必要函数以及为网络提供合适的服务接口外，还可以添 加要实现的功能函数。 2 1 3z i g b e e 技术的拓扑结构 z i g b e e 网络存在两种类型的物理设备：全功能设备( f d l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和半 功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，i 心d ) ，其中全功能设备又包括协调器( c o o r d i n a t o r 又称网关) 和路由( r o u t e r ) ，半功能设备为终节点设备( e n dd e v i c e ) 。 z i g , b e e 网络的拓扑灵活多样，支持星型网络( s t a r ) 、簇型( 树形) 网络( c l u s t e rt r e e ) 和 网状网络( m e s h ) 【1 2 1 ，如图2 5 所示： 星塑 ：代表半功能节点 = 代表全功能节点 厂、 图2 5 三种网络拓扑结构 网状 星型网络中，z i g b e e 网关即协调器是整个网络的中心，网关能和其他节点通信，但 终端设爸间不能相互通信，必须通过网关进行转发才能相互通信，星型网络是一种简单 的拓扑结构，设备成本低，路由管理较少，但所有信息的传输都必须通过协调器，容易 造成网络阻塞、丢包、性能下降等状况。 簇型网络又称树形网络，可以描述为多个星型网络的集合，使通信区域大幅扩大。 簇型网也是只有一个网关，但此协调器的主要功能是组网，不再是数据的转发中心，终 节点发送数据给自己的父节点路由节点，由路由节点传到网关。簇型网络的通信模式一 般为信标( b e a c o n ) 模式，使网内节点能做到很好的同步，便于终端节点定期进入休眠状 态，降低功耗，延长网络寿命。簇型网络成本较低、覆盖距离大，但其动态适应性差， 若其中任何一个节点中断或脱离网络，则可能导致整个系统的瘫痪，因此簇型网络的稳 定性较低。 网状网络，是一种复杂的网络拓扑，具有很强的适应能力，网络节点除了网关，其 它节点功能都是平等的，都具有路由功能，网内的所有节点之间都能相互通信，但网关 和路由节点整个过程都处于接收状态，因此节点功耗较大。网状网络也是由网关建立一 个网络，允许路由节点加入。由于网状网络的通信节点都是对等的，路由器不发送信标， 路由拓扑是动态的，有多种路由可供选择，这虽然提高了网络的容错性，但也降低了网 络中节点的同步性。 2z i g b e e 技术及无线传感器网络定位技术 硕士论文 2 1 4z i g , b e e 技术的无线数据传输 无线接收的射频信号经过低噪声放大器和i q 变频处理后，经过滤波、放大、a d 变换、自动增益控制、数字解调，最终恢复出要传输的正确数据。待发送数据先送入1 2 8 字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是由硬件自动生成的。再根据8 0 2 1 5 4 标准，所要 发送数据流的前3 2 码片扩频序列扩频后发送到d a 变换器，然后经过低通滤波最终被 调制到2 4 g h z ，并经放大后送到天线发射出去。 z i g b e e 无线传输模式分为三种：第一种是主设备发送数据给从设备，第二种是从设 备发送数据给主设备，第三种是从设备间进行数据交换。 数据发送过程是协议栈由高到低，经过层层封装，而数据接收过程刚好相反，协议 栈由低到高，数据包层层解析，发送接收数据在各层之间的传输过程及协议栈各层对应 的数据帧格式如图2 6 所示： 用户 士千 a p s +千 n w k +千 m a c +千 p h y n w ka p s i a p s h e a d e r l h e a d e r p a y l o a d m cm i 肿si 胛im header h e a d e r h e a d e r p a y l o a d f r ii 唧l ci 删ki 鹏i 肿slm headerh e a d e rh e a d e rh e a d e r p a y l o a d f r llili 图2 6z i g b e e 协议栈结构与各层对应的数据帧格式 8 0 2 1 5 4 标准中定义了两种发送数据的地址模式，长地址模式和短地址模式，一般 采用短地址模式，可以减少数据包负载长度，节省传输带宽。另外，每层传送的数据包 不但包括规定的数据格式，还包括规定的传播方式，其中目的地址的设置方式有三种， 单播( u n i c a s t ) 、组播( m u l t i c a s t ) 和广播( b r o a d c a s t ) - - 种。 单播方式：目标节点是唯一的，在发送数据时，目的地址定义为要接收数据节点的 地址。 广播方式：发送命令到在网络中的所有节点，首先将a p s 层数据帧的目的地址定 义为0 x f f f f ，然后通过n w k 层将m a c 层的目的地址设置为0 x f f f f 。 组播方式：即为点对多点的方式，发送组播信息时，具有相同组号的所有设备能接 收到该组播消息。组播方式仅用于数据帧的传输。 1 2 靠 硕士论文 基于z i g b e e 无线传感器网络的移动定位技术及应用 数据传输时各层之间的内容如图2 7 所示： 字节： 应用层 字节； n w k 层 字节： m a c 层 字节： p h y 层 f r a m e c o n t r o ld e s e p c l u s t e r l d p r o f i l e l d s r c e p p a y l o a d a p d u 帧控制目的端点簇标志协议子集标志源端点净荷 应用层数据头 一应用层净荷一 一二可蛮7 n w k f r a m e c t l d e s a d d rs r c a d d rr a d i u s n s e q u e n c e n s d un p d u 网络帧控制 目的地址源地址 有效半径狰荷长度 净荷 一 网络屡教辊婆 一 月络层净莅 一一二二j m a c f r a m e c f l n s e q u e n c ed e s t p a n i dd e s t a d d rs r c p a d$ r c a d d rn s d u f c s m a c 帧控制序号目的网络目的地址源网络源地址净荷校验 一 地址域。 一 一 m a c 数据头 净荷 m f r jl 一1 一可蛮一一 夕一 p r e a m b l e s f df r a m el e n g t hr e s e r v e dp s d up p d u 前同步帧开始 帧长度( 7 b i t )保宦j ( 1 b i t ) 净荷 同步头( s h r ) 。 一物理层报头( p h r )一 物理层净莅 图2 7 数据传输时各层之间的内容 2 1 5 原语概念 z i g b e e 四层协议间是通过原语进行通信的，原语通常分为四种基本类型。 ( 1 ) r e q u e s t ：用于请求发起的服务。 ( 2 ) i n d i c a t i o n ：用于指示一个内部事件的重要意义。 ( 3 ) r e s p o n s e ：响应原语，用以完成指示原语先前调用的程序。 ( 4 ) c o n f i r m ：用以传送一个或多个先前相关的服务请求结果。 2 2 无线传感器网络定位技术 无线通信技术的成熟和发展带动了新兴业务的出现，越来越多的应用都需要自动定 位服务。无线定位最初应用于导航定位系统中，之后在其他领域也得到广泛应用。 2z i g b e e