（精密仪器及机械专业论文）Zigbee无线定位系统(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取 得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括任何他人已 经发表或撰写过的研究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有 权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印和电子版，允许论文 被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印， 缩印或扫描等复制手段保存学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 瑟劲 心9 国年毒冠| 日 第l 章引言 1 1 2z i 曲e e 定位的用途 1 矿井下人员定位一利用区域定位技术，可以随时了解矿工的工作位置和相关信 息。一旦煤矿发生事故，可以准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人 员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案。 2 医院中杯看护对象的定位利用区域定位技术，可以随时了解被看护对象活动 区域或贵重医疗设备的放置场所。被看护对象也可以通过随身装置，向医护人 员发出求救信号。 3 消防人员定位一利用区域定位技术，可以动态掌握进入火灾现场消防队员的活 动范围，为现场指挥提供有效的资料。 4 建筑工地管理一利用区域定位技术，可以了解施工人员的考勤及活动状况。 同时，如果将瓦斯传感器、环境监测传感器等多种传感器和定位节点结合，将矿 井下生产作业区的温湿度、氧含量、有毒有害气体含量、粉尘含量等多种环境参数通过 无线网络传送到煤矿井下救援系统，实现实时监测，这对煤炭行业与其相关行业的平稳 健康发展无疑有重要的意义。 1 2 z i 曲e e 定位的选择 随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如红外、蓝牙和射频识别技 术、z i g b e e 等，在办公室、家庭、i t 厂等得到了广泛应川。 红外线聿内定位技术一红外线窜内定位技术定位的原理是，红外线l r 标识发射调 制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的 室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仪能视距传播。直线视距和 传输距离较短这两大丰要缺点使其室内定位的效果很差。；，i 标识放往口袋坐或者。有墒壁及 其他遮挡时就不能正常t 作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。i 天l 此，红 外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者+ 房问内的灯光干扰，在精确定位上有局限 性。 蓝牙技术一蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是。种短距离低功耗的无线传 输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多月_ 户的皋础网络连接 模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网( p i c o n e l ) 的辛设备，就可以获得川户的 位置信息。蓝牙技术丰要应川于小范同定位，例如甲层大厅或仓库。蓝牙事内定位技术 最大的优点是设备体积小、易于集成在p d a 、p c 以及手机中，冈此很容易推广普及。理 论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开扁，蓝牙事 内定位系统就能够对其进行位置判断。采川该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信 号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空 问环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大 射频识别技术一射频识别技术利川射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到 识别和定位的r i 的。这种技术作川距离短般最长为几。i 米。但它可以在几毫秒内得到 第l 章引言 厘米级定位精度的信息，且传输范同很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优 点，可望成为优选的室内定位技术。开前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型 的建立、用户的安全隐私和国际标准化等i 口j 题。优点是标识的体积比较小，造价比较低， 但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。 z i g b e e 技术z i g b e e 是1 种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识 别和蓝牙之间，也可以用于事内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之 间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过尤线电波 将数据从。个传感器传到另。个传感器，所以它们的通信效率非常高。z i g b e e 最显著的 技术特点是它的低功耗和低成本。 图1 1 各种无线传输方式比较图 通过比较图中各个无线技术的优劣点可以看出，对于在室内区域定位中，成本低， 功耗低，有统一协议标准的z i 曲e e 具有很多优势，同时z i 曲e e 还具有的自组织、自愈能 力，网络容量大，组网形式多样，数据安全，时延短等特点更是为定位的实现提供了很 多方便 1 3 本文的研究内容及行文安排 对于研究无线定位系统，最重要的就是确定一个定位模型，主要包括定位算 法，程序控制和空间组网，所以本文研究的主要内容就始终围绕着定位算法的实现， 程序控制和组网。 9 第1 章引言 本文的行文安排大致如下：第二章对目前人们常用的几种定位算法( 场强定位 法、到达时间法、到达角度法、到达时| 白j 差法) 做了简单的介绍，从而确定出z i g b e e 所 用的定位算法。第三章主要是讲解z i 曲e e 的定位模型( 包括算法及实现过程) 。第四章 阐述硬件电路设计。第五章软件方面则是对m f c 界面程序和基于c o d e w a h i o r 的单片 机程序以及组网分别进行了详细的讲解。最后在第六章旱总结了本文的工作。 1 0 第2 章无线定何算法 第2 章无线定位算法 无线定位在军事和民用技术中已获得了广泛应用。现有的定位和导航系统有：雷 达，塔康，l o r a j lc ，v o r t a c ，j t i d s ( 联合战术信息分布系统) ，g p s 等。不过对于每 个定位系统，其核心部分始终是算法。在此章中，主要将介绍三种常用定位算法，并通 过比较确定出z i b e e 定系统位算法， 2 1 到达时间法( t o a ) 与达时间差法( t d o a ) 2 1 1 时间法基本算法内容 t o a 算法： 这种方法涉及对信号由基站传输到移动台或由移动台传输到基站的时间的测 量。在该方法中，移动台位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播距离为半径的 圆上。如图2 1 所示，在多个基站进行上述计算，则移动台的二维位置坐标可由三个圆 的交点确定。 板可j 眄了f 了f c ( 1 一1 ) = o ( i 竺l ，2 ，3 ) 图2 1t o a 算法模型图 得到的t o a 方程组如图2 2 ： 其中( x i ，y i ) 代表基站的位置，c 为光速，t 为移动台信号发射时刻，t i 为移动 台信号的第一个径的到达时间，i 为基站编号( b t s l ，b t s 2 ，b t s 3 ) 。 利用上面的方程组便可求出三个圆相交的点( x ，y ) 。在实际应用中由于多径 干扰、噪声干扰、周围地形、建筑物的影响，3 个基站所确定的3 个圆并不相交于一 点，而是一个区域( 如图l 所示) 。这样就增加了算法的复杂度。所以t o a 技术很少 被应用到实际中。 t d o a 算法： 第2 ：葶无线定位算法 移动台可以对一系列的基站进行监听，并测量出每一对信号到达时1 白j 的差。可 以由3 个基站得到两个独立的t d o a 的测量值，每一个t d o a 的测量值可以确定一个 移动台必位于其上的双曲线定位区，两个双曲线的定位区便确定了移动台的位黄。出 于两个双曲线交于两个点，产生两个解，利用第三个t d o a 测量值及一些先知条件就 可确定唯一解。 如图2 3 所示，其中a 、b 、c 分别表示基站b t s l 、b t s 2 、b t s 3 ，r 表示移动 台与接收站间的距离。类同t o a ，可得到t d o a 的方程组如图2 4 所示： r i a 图2 2t d o a 算法模型图 厢= 瓦厂玎可可一c ( i 一l ：) = o 一i j _ _ = _ 而i - 萝可一c ( 。一f ， = o 一厢= i f 疋7 可一c 心一l ： ：o 图2 3 到达时间著公式 由于t d o a 是通过检测信号到达两个基站的时间差，同t o a 相比，降低了时 间同步要求。所以对于公共蜂窝网中移动台的准确定位而言，t d o a 的测量更具实 际意义，并备受关注，成为当前通信及信号处理领域一个热门的研究课题。 2 1 2 具体实例：g p s 1 简介： 全球卫星定位系统g p s 是目自订应用最为广泛的室外定位技术，它是2 0 纪7 0 年代 初美国用于军事目的开发的卫星导航定位系统。主要利用几颗卫星的测量数据计算移 动用户位置，经度、纬度和高度。一般用车辆导航和手持设备在此基础上还出现 了增强型g p s ，辅助g p s 等技术，它们可以广泛用于航空、航海和野外定位等领域。 利用g p s 进行定位的优势是卫星有效覆盖范围人，定位导航信号免费：缺点是定位信 第2 章无线定位算法 号到达地面是较弱，不能穿透建筑物，因此不适合室内定位，此外定位器终端的成本 较高。g p s 所能达到的定位精度范围在5 m 2 0 m 。 2 太空部分： 全球卫星定位系统实际上是由2 4 颗卫星所组成，其中有3 颗为备用卫星，这些 卫星分布于距地表2 0 ，2 0 0 公罩的上空，而且分属于6 个轨道面；卫星轨道面倾斜角为 5 5 度，提供全球全天候，每秒一次，持续不断的定位讯号。这些卫星每1l 小时5 8 分 环绕地球一次，即每天绕过您的头顶二次，就像是月球一样不停地绕着地球旋转，其 速度约每秒1 8 哩。这些卫星需要地面管制站随时加以监控是否g p s 卫星在其f 确的 轨道上及f 常运作，另外监控中心可上传资料给卫星，卫星再将这些信息下传给g p s 使用者使用。地面共有五个监控中心，四个上传资料站及一个控制中心，这些控制站 以纬度来划分其所控制的卫星。一般所使用之g p s 接收机在任何时刻接收到4 颗或更 多的卫星。 图2 一甲星系统图 3 地面部分： 地面设施部分主要包含g p s 监控站与使用者接收设备两部份。 监控站：包括一个主控制站，三个地面天线及五个监视站。五个监视站均匀分布 在全球各地，主控制站位元元于c o l o r a d os p r i n g s 。五个监视站中之三个同时办为地面 天线所在。每个监视站均有一个g p s 双频接收机、标准原子钟、传感器及数据处理 机，且其坐标均经过美国国防部制图局精密测量而得。每个监视站，每天2 4 小时不停 地连续追踪观测每一颗卫星，并将每1 5 秒之虚拟距离观测量及观测所得之气象资料及 电离层资料联合求解得每1 5 分钟一组之匀化数据，然后将数据再传送到主控制站，主 控制站即统合各监视站之资料并据以计算卫星星历、卫星时表改f 量及电离层改f 系 第2 章无线定位算法 数等，并且将所得结果汇集成导航信息先传递到地面天线处，再由地面天线传回到各 卫星上，用以更新卫星内之资料。地面天线利用s 频道之无线电波传送资料到卫星。 正常情形下每隔8 小时就会传一次资料回到卫星上。 使用者接收设备：主要是一个卫星讯号接收器，依照不同的目的而有不同的定位 能力，基本功能是接收l l 载波，分离出c a 电码，进行最简单的虚拟距离定位，也是 一般车辆定位所使用的机型。其中必须注意的是：g p s 卫星产生两种不同的载波来承 载所有电码与讯息，其中c a 码仅调置在l 1 载波上，p 码则分别调置在l 1 与l 2 载波 上，并区别为p 1 与p 2 电码，但美国军方目前仅开放c a 码仅民间使用。而一般间使 用之接收机可经由差分修f ( d g p s 差分定位) 达1 5 口尺或更加之准确度。但使用d g p s 讯号需付费，一般使用者应考量成本及使用目地是否需要到如此精准。 4d g p s ( 差分全球定位系统) d g p s 即差分全球定位系统( d i f f e r e n t i a lg 1 0 b a ip o s i t i o ns y s t e m ，简称d g p s ) ， 是在g p s 的基础上利用差分技术使用户能够从g p s 系统中获得更高的精度。 d g p s 实际上是把一台g p s 接收机放在位置己精确测定的点上，组成基准台。 基准台接收机通过接收g p s 卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，将伪距和已知的 精确距离相比较，求得该点在g p s 系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修f 值 以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。附近的d g p s 用户接收到来自基准台的 误差修正信息，以此来修f 自身的g p s 测量值从而大大提高其定位精度。差分技术的 基础是：在同一地区内，g p s 缓慢变化的系统误差，包括选择可用性( s a ) 误差，对基准 台及其邻近用户的影响是相同或相近的。应用差分技术可有效地削弱s a 、电离层延 迟、大气层延迟、星历误差、卫星钟误差，达到米级定位精度。如下图2 6 所示： 图2 6d g p s 模型图 5 讯号部分 g p s 卫星产生两组随机电码，一组称为c a 码，一组称为p 码。c a 码主要开 放给民间使用，因此在精度上刻意降低，p 码则是美国国防部保留为其军事用途的电 码，精度比c a 码高很多，因此设有密码，一般民间使用者无法解读。一般而言， 1 4 襄2 章无线定位算法 g p s 卫星传送两种频率的载波，l l ( l i n k1 ) 载波的频率为1 5 7 5 4 2m h z ，l 2 ( l i n k2 ) 载 波的频率为1 2 2 7 6 0 m h z 。 6g p s 定位原理 每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在( 己知值) ， 接收机所在的位置坐标为未知值，而太空卫星的讯息在传送过程中，所需耗费的时 间，可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，将此时间差值乘以电波传送速度 ( 一般定为光速) ，就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离，如此就可依三角向量 关系来列出一个相关的方程式。 一般我们使用的接收机就是依上述原理来计算出所在位置的坐标数据，每接收 到一颗卫星就可列出一个相关的方程式，因此在至少收到三卫星后，即可计算出平面 坐标( 经纬度) 值，收到四颗则加上高程值，五颗以上更可提高准确度，这就是g p s 的 基本定位原理。一般来说，使用者接收机每一秒钟的坐标数据都是最新的，也就是说 接收机会自动不断地接收卫星讯息，并实时地计算其所在位置的坐标数据，如此使用 者便不需担心是否接收机显示的数据太旧或是不准确了。计算公式如下图： 卫星 卫星2卫星3 ( x l 两2 l 1 一p o w e r 聿2 ) l i n k _ q u a l i t y2l ； 第3 章z i 曲e e 无线定位系统 e l s e i f ( 1 i n k q u a l i t y l 2 一p o w e r 。2 ) l i n k - q u a l i t y = 2 ； e l s e i f ( 1 i n l ( - q u a l i t y l 3 一p o w e r 枣2 ) l i n k q u a l i t y = 3 ； e l s e i f ( 1 i m t u a l i t y l 4 p o w e r 聿2 ) l i n k _ q u a l i t y = 4 ； e l s e l i n k _ q u a l i t y = 5 ； 芯片中数据库函数： i f j f d e n n es p e cp o w e r 拌d e n n el lp o w e r 牟d e f i n el 2p o w e r 撑d e f i n el 3p o w e r d e f i n el 4p o w e r 拌d e n n el 5p o w e r d e f i n el 6p o w e r 撑d e f i n el 7p o w e r 3 5具体坐标计算 3 5 1 最小二乘法 最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的 最佳函数匹配。最小二乘法是用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令误差平 方之和为最小。当在实验中获得自变量与因变量的一系列对应数 据，( x l ，y 1 ) ，( x 2 ，y 2 ) ，( x 3 ，y 3 ) ，( x n ，y 1 1 ) 时，要找出一个已知类型的函数，) r = f ( x ) ，与之拟合，使得 实际数据和理论曲线的离差平方和： y i f ( x i ) 2 ( 从i = l 到i = n 相加) 为最小这种求 f ( x ) 的方法，叫做最小二乘法。求得的函数y = f ( x ) 常称为经验公式，在工程技术和科学研 究的数据处理中广泛使用最普遍的是直线( 一次曲线) 拟合，在现代质量管理上，对散布图 的相关分析上也用此法。很多其他的优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小 二乘形式表达。 踟 鲫 他 的 钌 第3 章z i g b e e 无线定位系统 3 。5 2 三角测量原理 三角测量是一种常用的目标定位方法，它用多个点与目标之1 日j 的距离来计算 目标的坐标位置在一个二维坐标系统中，最少需要到三个参考点的距离彳能唯一确定 一点的坐标，如图所示，节点m 的坐标未知，参考点a l ，a 2 ，a 3 的坐标以及它们到m 的距离 已知从m 到a l 的距离为r l ，m 就能推出m 的位置肯定在是以a 1 为中心，r l 为半径的一 个圆上。同样也能推出m 位于以a 2 为中心，r 2 为半径的圆上，位于以a 3 为中心，r 3 为半 径的圆上这三个圆恰好相交于一个确定的点m ，于是就可以计算出唯一确定的m 的坐标 位置注意到这个定位方法可以扩充到三维的情况，只需要简单地加入第四个参考点此 方法类似与g p s ( 全球定位系统) 的定位技术。 图三角测量的几何图示 图3 2 三角测量几何图 3 5 3 计算公式 一般，三角测量问题可以阐述为：给定一组参考点薯，z ，z ，和一组距离测量。 通过下面的鼻山等式来解出未知的甜，“，甜：。 ( 五一“。) 2 + ( j ，l 一“，) 2 + ( z l 一“：) 2 ( 叠一“，) 2 + ( y 2 一“j ，) 2 + ( z 2 一甜：) 2 ( x 3 一掰，) 2 + ( 乃一甜y ) 2 + ( z 3 一“：) 2 ( _ 一致) 2 + ( 几一“j ，) 2 + ( z 4 一“：) 2 此处，( 葺，只，互) 是节点i 的三维坐标，( 虬，“，“：) 是未知节点的坐标，是节点i 的 未知节点的测量的距离。在上式中，各行减去最后一行，并进行线性交换，结果如下： a u = b 第3 章z i 曲e e 无线定位系统 l ( 一) + ( 夕i y 4 ) + ( z i z 4 ) l 彳= i ( x 2 一) + ( 少2 一儿) + ( z 2 一z 4 ) i l ( 玛一h ) + ( y 3 一虬) + ( 乙一z 4 ) j “= i ； b = 2 一，：，2 一x 1 2 + 2 一j ，1 2 十只2 一毛2 + 乙2 吃2 一2 一而2 + 2 一儿2 + 儿2 一z 2 2 + 乙2 吩2 一2 一屯2 + _ 2 一乃2 + 以2 一z 3 2 + 乙2 采用最小二乘法，既可解出u 。 “= ( 彳彳) - i 4 b u 即待定位点坐标。 3 6组网控制时序 3 6 1 z i 曲e e 网络拓扑结构 在z i g b e e 网络中，有两种类型的设备：全功能设备，也称为主设备；精简功能设备， 也称为从设备。网络中的每个节点分别担任三种不同的角色中的一种：终端设备、路由 器和协调器。其中，精简功能设备只能担任终端设备。 z i g b e e 无线网络可以根据不同的使用环境而分别采用星型网络拓扑结构、簇 状网络拓扑结构、网状网络拓扑结构，如图2 所示。 图3 3 星状拓扑网络 2 4 图3 4 网状拓扑结构 第3 章z i 啪e e 无线定侍系统 图3 5 树状拓扑网络 终糍漤藩 誊弘鳞鍪内器 终璃嚣 图3 6 说明 3 6 2 z i 曲e e 网络设备类型 z i 曲e e 网络由协调器发动并建立，协调器首先进行信道扫描，找到一个空闲信道进 行通信。同时确定网络的拓扑参数及使用的路由算法。终端节点加入网络时，只要将自 己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供相应的认证信息，即可请求加入 网络。父节点将它的相关信息添加进邻居表。 z i g b e e 网络中采用i e e e8 0 2 1 5 4 定义的两种无线设备：全功能设备( f u l l f u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 可以与其它f f d 或 者r f d 通信，而r f d 只能与f f d 通信。r f d 只需要极少的资源和存储空间，相对于 f f d 具有较低的成本。 ( 1 ) 网络协调器：包含所有的网络消息，是3 种设备类型中最复杂的一种，存储 容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络 节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 ( 2 ) 全功能设备( f f d ) ：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的f f d 或是精 简功能装置( r f d ) 连结，f f d 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 附带由标准指定的全部8 0 2 1 5 4 功能和所有特征； 更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用； 也能用作终端设备； ( 3 ) 精简功能设备( r f d ) ：r f d 只能传送信息给f f d 或从f f d 接收信息。 附带有限的功能来控制成本和复杂性： 在网络中通常用作终端设备； z i g b e e 相对简单的实现自然节省了费用。r f d 由于省掉了内存和其他电 路，降低了z i g b e e 部件的成本，而简单的8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本。 0 0 童 第3 章z i 曲e e 无线定位系统 ：设备类夔 拓扑类型可否成为协调器通话对象 ：全功能设备 ( f f d ) 星形，树形，网状 可以任何z i g b e e 设备 、简化功能设备 ( r f d ) 星形不可以只能与协调器逶话 图3 7网络设备类型图 i 玎d 节点收到数据后，只判断是否是给自己的数据。如果是，则交给上层处理；如 果不是，则直接丢弃。 f f d 节点收到数据后，先判断是否是给自己数据。如果是，则交给上层处理；如果 不是，则判断目标地址是否是邻居节点。如果是，则直接发送到目标地址；如果不是，则查 看现有的路由表是否有路由途径。如果有，则按照表中的路由途径转发；如果没有，则查找 目标地址的路由途径。如果找到，则按照找到的途径转发，并且将找到的途径添加进路由 表；如果没有，则通知发送节点转发失败 3 6 3 定位组网 由于同一节点无线发射接收不能同时进行，所以必须对发射接收进行严格的时 序控制。以确保不会丢失信号数据。对此，我们将单独运用一个节点控制时序，通过 它对不同节点给出的握手信号，给出各个不同节点发出信号的指令。如下图中，节点e 将会用来控制时序。下图为具体控制流程。 图3 - 8 定位模型图 第3 章z i 曲e e 无线定伊系统 待测节 点泼 出信号 节点- 蠼收 到e 指令，发 送接i 坎到a 的信号强度 节点e 接收 到节点a 发 送的信号强 度大小后 发送指令绐 节点b 节点 b 。c 。d ，e 接 收到信号，计鱼出 信号强度大小并 且傈存起来 节点e 接收到 靠号后。发 送指令结节 点a 节点b 接收 节点e 接收到节点 到e 指令，发 拔送的信号强度 迸接收到a 大小后，发送指令 的信号强度 给节点c 上 节点e 接收到节 节点c 接收到e 点跋送的信号 指令后，发送 强度大小后，发 、 接收到钠信 送指令绐节点d 号强度 1 节点d 接收到 节点e 接收到d 发 e 指今，发送 送的信号强度大 接收到舶信 专 小后准备接收a 号强度 信号，进行下一轮 的时序控制 图3 9 空间时序控制图 3 6 4 组网两种传输方式 采用r s 4 8 5 的传输方式，各组成部分主要性能 ( 1 ) 信息处理平台。主要负责各网络传输节点所发信息的存储，并能对信息进行 分析处理和显示，将信息供其它有权限的成员查阅。 ( 2 ) 无线基站。实现对标识卡数据的采集并通过有线和无线两种方式将信息发送 给信息处理平台，同时承载其它无线基站数据信息的中继转发功能。 ( 3 ) 身份证标识卡。主要是通过定时向系统发信号进行注册，来实现人员的定 位。 ( 4 ) r s 2 3 2 r s 4 8 5 隔离转换器。此模块完成r s 2 3 2 总线与r s 4 8 5 总线的转换， 在功能上作为系统信息处理中心与无线基站之间的数据传输通道。 2 7 第3 章z i 曲e e 无线定位系统 图3 1 0r s 4 8 5 传输框图l 系统的通信组网方式 系统的组网方式若采用r s 4 8 5 总线方式，由于该方式在一对总线上挂过多的节 点会影响通信距离，因此其网络节点数和通信距离均有限。因此通信组网方式采用 z i g b e e 通信技术。其通信链路的建立在链路层协议中己经得到了保证，并且可实现自 动组网和通信数据的逐级转发。并且可容纳较多的节点数。因此当需较多的节点数和 中继功能时，采用z i 曲e e 通信方式就可实现。但系统的物理层协议使用的是2 4 g 扩频 通信方式，此技术虽然在相同的发射功率和接收灵敏度的前提下可以传输较远的通信 距离，并且抗干扰能力较强，但信号的穿透力和绕射能力不够，对于环境复杂情况， 所有区域不可能均是直线可视的，在一个通信节点发生故障时有可能导致一段区域的 通信全部中断。针对这一问题采取3 种方式提高其通信可靠性。 ( 1 ) 所有通信节点要保证能与上下4 个节点进行通信，当任意1 个发生故障时， 可跳过这一节点与下1 个节点直接通信，根据网络传输模块通信距离合理布置节点。 ( 2 ) 整个系统通信网应该尽量布成一个环网，当某一段出现问题，无线信号无法 通过时可从另一端继续与系统保持通信。 ( 3 ) 对于地形复杂区域，无线信号无法跨节点级连和形成通信回路，可利用网络 传输模块的r s 4 8 5 总线与系统相连，提高系统通信的可靠性，当出现问题时，只要通 信电缆未断，仍可与系统保持通信链路的畅通。 采用c a n 总线的传输方式 第3 章z i 曲e e 无线定何系统 图3 1 lr s 4 8 5 传输框图2 定位方式和4 1 相同； ( 1 ) 固定节点：实现对移动节点数掘的采集并通过有线和无线两种方式将信息发 送给信息处理平台，同时承载其它无线基站数据信息的中继转发功能。 ( 2 ) 移动节点：主要是通过定时向系统发信号进行注册，来实现人员的定位。 ( 3 ) c a n 总线：在功能上作为控制台与固定节点之间的数掘传输通道。 ( 4 ) 控制台：主要负责各网络传输节点所发信息的存储，并能对信息进行分析 处理和显示。 2 9 第4 章硬件系统 第4 章硬件系统 z i 曲e e 丌发板是一个包含诸多硬件的复杂系统，能够协调统一的实现多种功能。 其中有带串口( r s 2 3 2 ) 和不带串口两种不同丌发板。以下两图是设计的两种丌发板示意 图。 图4 1 带串口r s 2 3 2 节点图 带串口r s 2 3 2 节点：包含r s 2 3 2 串口、晶振和外围元件、m c 9 s 0 8 g t 3 2 单片 机、2 4 g 线收发器、m c l 3 1 9 2 、天线5 部分部分，其中m c 9 s 0 8 g t 3 2 单片机和2 4 g 无线收发器m c l 3 1 9 2 通过s p i 接口连接，2 4 g 无线收发器和天线需要一个阻抗匹配电 路。 第4 章硬什系统 图4 2 不带串口1 了点图 不带串口r s 2 3 2 节点：包含晶振和外围元件、m c 9 s 0 8 g t 3 2 单片机、2 4 g 线收发 器、m c l 3 1 9 2 、天线4 部分部分。其中和带有串口节点一样，m c 9 s 0 8 g t 3 2 单片机和 2 4 g 无线收发器m c l 3 1 9 2 通过s p i 接口连接，2 4 g 无线收发器和天线需要一个阻抗匹 配电路。 4 1 开发板简介 4 1 1p r o t e l 简介 p r o t e i 是p r o t e i 公司在8 0 年代末推出的e d a 软件，在电子行业的c a d 软件 中，它当之无愧地排在众多e d a 软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在 国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学 习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件 栏上常会写着要求会使用p r o t e l 。早期的p r o t e l 主要作为印制板自动布线工具使 用，运行在d o s 环境，对硬件的要求很低，在无硬盘2 8 6 机的1 m 内存下就能运行， 但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通 率也低，而现今的p r o t e l 已发展到p r o t e l 9 9 ( 网络上可下载到它的测试板) ， 是个庞大的e d a 软件，完全安装有2 0 0 多m ，它工作在w l n d o w s 9 5 环境下，是个 完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合 信号仿真、多层印制电路板设计( 包含印制电路板自动布线) 、可编程逻辑器件设 计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有c i i e n t ，s e r v e r ( 客户，服务 器) 体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如o r c a d ，p s p i ce ， e x c e l 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度p c b 的1 0 0 御通率。在国 内p r o t e l 软件较易买到，有关p r o t e l 软件和使用说明的书也有很多，这为它的 普及提供了基础。想更多地了解p r o t e l 的软件功能或者下载p r o t e l 9 9 的试用 版，可以在i n t e r n e t 上访问它的站点2 0 0 5 年年底，p r o t e i 软件的原厂商a j t i u m 公 司推出了p r o t e l 系列的最新高端版本a u md e s i g n e r6 0 。 a i l - u md e s i g n e r6 0 ，它 是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的 板级设计解决方案。a 1 1 u md e s i g n e r 是业界首例将设计流程、集成化p c b 设计、可 编程器件( 如f p g a ) 设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产 品，一种同时进行p c b 和f p g a 设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从 概念转变为最终成品所需的全部功能。 第4 章硬什系统 4 1 2m cl3 2l3 开发板 在实际丌发板中，共分为电源部分、l e d 提示部分、m c l 3 2 1 3 单片机部分、， 陶瓷天线部分、串口部分、外围电路6 部分。从以下硬件布局图中就可以很清楚的 看到，其核心部分是在m c l3 2 13 部分，其周围不但聚集了大量电阻电容等，而且 非常紧密，对布线和焊接电路板都非常具有难度。 图4 3 实际硬件布局图 第4 章硬什系统 图4 4 实际硬件布线图 4 2 m c l 3 2 1 3 无线收发控制器 图4 5m c l 3 2 1 3 芯片图 f r e e s c a l e 的m c l 3 2 1 x 系列是第二代z i g b e e 平台，在9 x 9 x l m m7 1 引脚l g a 封 装中集成了低功耗的2 4 g h zr f 收发器和8 位微控制器m c l 3 2 1 3 器件具有6 0 k b 的i n 存m c l 3 2 1 x 解决方案能在简单的点对点连接到完整的z i g b e e 网状网络中用作无线连 接。小占位面积封装中的无线电收发器和微控制器的组合使它成为成本效益的解决方 第4 章i 厦什系统 案m c l 3 2 1 x 中的r f 收发器工作在2 4 g h zi s m 频段，和8 0 2 1 5 4 标准兼容收发器包 括低噪音放大器，1 m w 输出功率，带v c o 的功率放大器( p a ) ，集成的发送接收丌 关，板内的电源稳压器以及完全的扩展频谱的编码和译码。m c l 3 2 l x 中的微控制器是 基于h c s 0 8 系列微控制器单元( m c u ) ，h c s 0 8a 版本，高达6 0 k b 的闪存和4 k b 的 r a m 。 t p 阿医习匮司 砰l c t h 韩 竺竺i h 甲 穹 0 扪停 jp f h 耐 降 f 2 曲l 幻” 1 c 袖姐 m e m b e r v i a r i a b l e s 选项卡，选择c s c o f l l 丌l t e s t d l g 类，为i d c m s c o m m l 添加控制变量： m _ c t r l c o 唧，这时在对话框头文件中自动加入了 a f x i n c l u d e s ( ) # i n c l u d e m s c o m m h 胛 ) ) a f x 工n c l u d e s 4 3 第5 章软件系统 ( 3 ) 在对话框中添加控件向主对话框中添加两个编辑框，一个用于接收显示数 据i d 为i d ce d i tr x d a t a ，另一个用于输入发送数据，i d 为i d ce d i tt x d a t a ，再添 加一个按钮，功能是按一次就把发送编辑框中的内容发送一次，将其i d 设为 i d c b u t t o n m a n u a l s e n d 。将接收编辑框的p r o p e r t i e s 一 s t y l e s 中把m i l t i l i n e 和 v e r t i c a ls c r 0 1 l 属性选上发送编辑框若想输入多行文字，也可选上m i l t i l i n e 。再 打开c l a s s w i z a r d 一 m e m b e rv i a r i a b l e s 选项卡，选择c 0 咖t e s t d l g 类，为 i d c e d i t r x d a t a 添力口c s t r i n g 至乏量m s t r r x d a t a ，为i d c e d i t t x d a t a 添力口 c s t r i n g 变量m s t r t x d a t a 。说明： m - s t r r x d a t a 和m s t r t x d a t a 分别用来放入接收 和发送的字符数据。 ( 4 ) 添加串口事件消息处理函数0 n c o m m ( ) 打开c 1 a s s w i z a r d 一 m e s s a g em a p s ，选 择类c s c o m m t e s t d l g ，选择i d c m s c o m m l ，双击消息o n c o 姗，将弹出的对话框中将函 数名改为0 n c o 咖这个函数是用来处理串口消息事件的，如每当串口接收到数据，就 会产生一个串口接收数据缓冲区中有字符的消息事件，刚才添加的函数就会执行，我 们在0 n c o m m ( ) 函数加入相应的处理代码就能实现自己想要的功能了。在函数中加入如 下代码： _ ：it ll ( 、m r l le 、s i1 ) i 麓：；l 澎t 、m ! ! ! j t j 7 i j 1 ) f ) ：a ( ! r y t h r l c ( ：o r f ； r ! f ，f ：f ；( j ：“if j ： 1 i ；“t ；lt ? f f ：f ”l t 、n t jr o v a r i a n tv a r i a n t in p ： c 0 le s a f e a r r a ys a f e a r r a y in p ： l o n gl e n ，k ： b y t er x d a t a 2 0 4 8 ：设置b y t e 数组a n8 一b i ti n t e g e r t h a ti sn o ts i g n e d c s t r i n gs t r t e m p ： i f ( mc t r l c o 咖。g e t c o m m e v e n t ( ) = = 2 ) 事件值为2 表示接收缓冲区内有字符 以下你可以根据自己的通信协议加入处理代码 v a r i a n ti n p = mc t r l c o 咖g e t i n p u t ( ) ：读缓冲区 s a f e a r r a y _ i n p = v a r i a 肌- i n p ：v a r i a n t 型变量转换为c 。1 e s a f e a r r a y 型变 量 1 e n = s a f e a r r a y _ i n p g e t o n e d i m s i z e ( ) ：得到有效数据长度 f o r ( k = o ：k l e n ：k + 十) s a f e a r r a y - i n p g e t e l e m e n t ( k ，r x d a t a + k ) ：转换为b y t e 型数组 f o r ( k = o ：k m e s s a g em a p s ，选择类c s c o 舢t e s t d l g ，选择 i d c b u t t o n m a n u a l s e n d ，双击b n c l i c k e d 添加o n b u t t o n m a n u a i s e n d ( ) 函数， 数中添加如下代码： v o i dc s c o m m t e s t d l g ：0 n b u t t o n m a n u a l s e n d ( ) t o d o ：a d dy o u rc o n t r o ln o t i f i c a t i o nh a n d l e rc o d eh e r e u p d a t e d a t a ( t r u e ) ：读取编辑框内容 叱c t r l c o 姗s e t o u t p u t ( c 0 1 e v a r i a n t ( m - s t r t x d a t a ) ) ：发送数据 ) 5 2 4 输入坐标，距离，输出坐标 打丌 并在函 ( 1 ) 输入坐标：在区域定位中，放置信标节点的坐标，需要我们每次填写，如信标节点 坐标固定，也可编写在程序中，不用每次运行都填写一次 ( 2 ) 距离： 4 5 第5 章软什系统 图5 3距离计算流稃幽 ( 3 ) 输出坐标：在第二章中，介绍了z i 曲e e 定位将采用空间4 点定位法，所以讲此算 法编写在程序中，每当电脑接收到连接着的节点发过来的数据时，自动调用程序中的算法， 并把计算出的结果通过函数u p d a t e d a t a ( f a l s e ) 在m f c 界面程序中显示出来 5 3单片机程序 系统单片机软件是基于f r e e s c a l e 公司的c 。d e w a r r i o r 的编程环境，主要采用c 语言以及简但媒体存取控制( s m a c ) 协议进行编程。单片机程序共分为三类：即连接计算 机的节点程序，信标节点程序，未知节点程序 5 3 1 c o d e w a r r i o r 简介 c o d e w ar r o r t md e v e i o p m e n ts t u d i o ( 丌发工作室) 是完整的用于编程应用中 硬件b m g u p 的集成开发环境。 采用c o d e w a r r j o ri d e ，开发人员可以得益于采用各 种处理器和平台( 从m o t o r o i a 到tj 到i n l e i ) 间的通用功能性。根据g a r t n e r d a l a q u e s l 的报告，c o d e w ar r i o r 编译器和调试器在商用嵌入式软件丌发工具的使用率 方面排名第一。而这只是流行的c o d e w ar r o r 软件丌发工具中的两个。c o d e w a o r 包括构建平台和应用所必需的所有主要工具一l d e 、编译器、调试器、编辑器、链接 器、汇编程序等。另外，c o d e w a r r i o ri d e 支持丌发人员插入