（微电子学与固体电子学专业论文）基于zigbee的探测系统设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信和无线数据网络的发展以及人们生活质量的不断提高，物品和 人员的位置感知计算、基于位置的服务变得越来越重要。然而目前出现的定位技 术仍存在一些不足之处：如成本高，体积大，功耗大，受视距影响，不能在室内 定位等。针对现有定位系统存在的问题，本文提出了一种基于z i g b e e 的探测系统 的设计方案。该系统具有低成本、低功耗、低复杂度、较高的定位精度等诸多优 点。本论文主要的研究内容和成果： 1 方案论证，一是对现有的定位技术进行剖析，总结其优点和不足，从成本、 功耗、抗干扰性等角度论证利用z i g , b e e 实现定位的可行性：二是对现有的 定位算法进行比对，并提出基于r s s i 的比值加权定向算法。 2 系统设计，一是设计系统硬件，包括硬件设计流程、系统框图、子模块电 路和p c b 的设计；二是设计系统软件，首先设计l c d 和按键部分程序， 然后研究z i g b e e 通信协议和架构对探测系统的影响，进行节点通信流程和 程序设计；最后设计节点定位部分，基于z i g b e e 探测定位协议绘制软件流 程图并开发探测器程序。 3 系统测试，搭建简单有效的测试平台测试系统性能，对测试结果进行分析， 提出设计和算法上的进一步改进措施。 综上所述，本文中设计的z i g b e e 探测系统，不仅实现小体积、轻质量、低功 耗的设计，而且达到了系统通信和定位的目的，值得进一步去探讨和研究。 关键字：z a g b e e 探测系统定位算法 i e e e8 0 2 1 5 4 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n i q u e sa n dt h e i m p r o v e m e n to fq u a l i t yo fp e o p l e sl i f e ，s e r v i c eb a s e do i ll o c a l i z a t i o ni sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t h o w e v e r ，t h ew i r e l e s sl o c a l i z a t i o ns y s t e m sa v a i l a b l eo nt h e m a r k e tt y p i c a l l ys u f f e rf r o mo n eo rm o r es h o r t a g e s ：ah i g hc o s t , ab i gs i z e ，aw e a k c a p a c i t yo fr e s i s t i n gd i s t u r b a n c e , a n dal a r g ep o w e rd i s s i p a t i o n i na l l u s i o nt ot h e q u e s t i o n si ne x i s t i n gl o c a l i z a t i o ns y s t e m s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n dd e s i g n sa d e t e c t i o n s y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y i ti sp r o v i d e d 诵t ha d v a n t a g e so fl o w e rc o s t , l o w e rp o w e rd i s s i p a t i o n , l o w e rc o m p l e x i t y , a n dh i g h e rl o c a l i z a t i o np r e c i s i o n t h e t h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 d e m o n s t r a t et h ep r o j e c t f i r s t , a n a l y s et h ed e t e c t i o ns y s t e ma v a i l a b l ea n d s u m m a r i z em e r i t sa n df a u l t s ，e s t a b l i s ht h ev a l i d i t yo fl o c a l i z a t i o nb yz i g b c c t e c h n o l o g y ；, s e c o n d , c o m p a r el o c a l i z a t i o na l g o d t l u na v a i l a b l ea n dp r o p o s e r a t i oo f w e i g h t e dr s s id i r e c t i o n a la l g o r i t h m 2 d e s i g nd e t e c t i o ns y s t e m f i r s t ，d e s i g nh a r d w a r ec i r c u i t , i n c l u d i n gh a r d w a r e d e s i g nf l o w , s y s t e mb l o c kd i a g r a m ，c e l lm o d u l e ，w h o l es c h e m a t i cd i a g r a ma n d p c b s e c o n d , d e s i g ns o f t w a r ef l o wc h a r ta n ds o f t w a r ep r o g r a m m e ，i n c l u d i n g f o u rp a r t ss u c ha sl c d ，k e y - p r e s s ，c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n dl o c a l i z a t i o n f u n c t i o n 3 t e s t i n gd e t e c t i o ns y s t e m a n a l y s et e s tr e s u l t , r a i s ec o r r e c t i v ea c t i o n sa b o u t l o c a l i z a t i o na l g o r i t h ma n ds y s t e md e s i g n i nc o n c l u s i o n , a sf a ra st h ez i g b e ed e t e c t i o ns y s t e mi sc o n c e r n e d ，i tn o to n l y r e a l i z e ss m a l l e rv o l u m e ，l o w e rw e i g h ta n dl o w e rp o w e rd i s s i p a t i o n ，b u ta l s or e a c h e st h e a i mo fl o c a l i z a t i o n s o ，i ti sw o r t hf o rf u r t h e rd i s c u s s i o na n dr e s e a r c h k e y w o r d ：z i g b e e d e t e c t i o ns y s t e ml o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi e e e8 0 2 1 5 4 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在j 解密后适用本授权书。 本人签名：壑孳鱼 导师签名：戳 日期五啦二乒 第一章绪论 第一童绪论 1 1 研究背景与意义 2 0 0 2 年，美 h o n e y w e l l 、英 i n v e n s y s 、日本三菱电气、美国m o t o r o l a 、荷兰 p h i l i p s 等几家公司联合宣布成立z i g b e e 联盟，合力推动z i g b e e 技术。到了2 0 0 4 年底， z i g b e e l 0 版标准正式公布，从l z i g b e e 作为i e e e 8 0 2 1 5 4 标准而被确定下来。2 0 0 4 年底至u 2 0 0 6 年不到两年时间，z i g b e e 联盟已经由最初的十多家公司发展到全世界 1 5 0 多家知名厂商的商业团体。目前，在美国，z i g b e e i = , 经开始在大厦管理、家庭 自动化、玩具、自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 、车载轮胎压力检测、军事 等多个领域投入使用。2 0 0 7 年7 月，英国j e n n i e 在 w i r e l e s sj a p a n2 0 0 7 ( 东京有明国 际会展中心) ”上展出t z i g b c e 的多种收发l s i 及通信模块，在2 m w 输出功率下实 现l k m 传输，采用q p s k 时，接收灵敏度高达9 7 d b m ，另外，还根据用户的要求进 行了音乐传输。在国内，目前除了成都无线龙等几家公司外，有关z i g b e e 开发的 公司还很少，但是通过2 0 0 7 。2 0 0 8 年的不断积累和进步，专家们估计，在不远的将 来，国内很多领域也将看至t j z i g b e e 的身影。 z i g b e e 以全球统一开放的2 4 g h zi s m 频段为主要频段，采用直序扩频技术， 是一项新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、自配置、具备灵活的网络拓扑 结构的无线网络通信技术，主要用于近距离无线网络连接，适应于自动化控制和 远程控制的应用领域。 随着现代人们生活质量的提高，短距离无线定位功能显得越来越重要，然而 目前出现的定位系统还存在一些缺点，如：功耗大，成本高，体积大，受视距影 响、不适于室内定位等。针对定位系统的这些不足之处，本文提出了一种基于 z i g b c c 的探测系统设计方案。该方案充分利用设备通信时的接收信号强度随距离 的增加而衰减的特性和z i g b e e 技术低功耗、低成本的优势，在实现功能的同时又 克服了以上缺点。z i g b e e 的不足之处是通信距离短，只有1 0 0 米，为此方案中分别 采用射频放大器和低噪声放大器对发射信号和接收信号进行放大，有效的将通信 距离提高至u 1 0 0 0 米范围。可见，利用z i g b 0 5 技术实现定位是很好的设计方案。 1 2 实现目标 基于z i g b e e 的探测系统设计方案，首先要实现探测功能，在此基础上，要努 力降低系统成本、功耗，以及提高定位距离和定位精度，另外考虑到探测系统作 为便携设备，还要尽量减小设备尺寸和重量。文中探测系统选择的z i g b 0 5 芯片是 t i c h i p c o n 公司的c c 2 4 3 0 ，这是世界上首个真正的单芯片z i g b e e 解决方案，它 2 基于z i g b e e 的探测系统设计与研究 出色的设计、强大的功能、以及低成本、低功耗的特点完全满足探测系统的需求。 通过对c c 2 4 3 0 射频电路和天线的设计，使系统实现了通信探测功能，同时，系 统中还设计了l c d 液晶和按键，作为人机交互设备，用来指示用户操作。 c c 2 4 3 0 芯片外围接口电路简单，几乎全部功能要通过软件实现，这就增加 了软件开发的难度。如何利用软件实现系统数据收发、目标定位，以及如何利用 软件控制键盘接口和l c d 显示接口，成为工作的重点和难点。 1 3 论文内容和所作工作 本论文主要描述了基于z i g b e e 技术的探测系统的设计与研究，工作主要有以 下三点i 1 通过对比目前存在的定位技术的优缺点以及各种定位算法的差异，提出基 于z i g b e e 的探测系统的设计方案及系统中应用的基于r s s i 的两步比值 加权定向算法。 2 进行系统设计，包括硬件原理图和p c b 的设计，软件l c d 驱动显示、按 键、节点通信和节点定位流程及具体程序的设计。 3 进行系统测试，对测试所得结果进行理论分析，提出进一步改进措施。 本论文各章的结构安排如下： 第一章简单介绍了本文的研究背景与意义、系统实现目标和论文所作主要工作和 文章结构安排。 第二章分析目前存在的定位技术的原理及优缺点，并且针对其不足之处，提出 z i g b e e 探测定位系统的设计方案；对现有的各种定位算法进行比对，提出 基于r s s i 比值加权定向算法。 第三章进行系统设计，一是设计系统硬件，包括硬件设计流程、系统框图、子模 块电路和p c b 的设计；二是设计系统软件，首先设计l c d 和按键部分程序 流程，然后研究z i g b e e 通信协议和架构对探测系统的影响，进行节点通信 流程和程序设计：最后设计节点定位部分，基于z i g b e e 探测定位协议绘制 软件流程图并开发探测器程序。 第四章介绍z i g b e e 探测定位系统测试的软硬件平台，对系统进行测试和分析，提 出具体改进措施。 第五章对整个论文工作进行总结。 第二章定位技术和定位算法 3 第二章定位技术和定位算法 本章首先介绍了现有的几种定位技术的原理及其优缺点，并对这些定位技术 进行对比，针对其不足之处，提出基于z i g b e e 技术的探测系统设计方案；然后对 现有的定位算法进行比较，突出r s s i 定位算法应用在z i g a e e 探测系统中的优势， 并针对实际应用环境中的复杂情况，对r s s i 定位算法进行分段拟合和动态加权， 得到基于r s s i 的动态加权估计算法，进而拟合出分段算法公式。 2 1 定位技术 2 1 1 定位技术的原理及特点 无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法。目前存在 的定位技术主要有以下几种：g p s 定位技术、手机定位技术、超声波定位技术、 红外线定位技术、超宽带定位技术以及其他无线定位技术等，它们具有各自的优 点和不足，下面简单介绍这些定位技术的定位原理及其特点。 1 g p s 定位技术 ( 1 ) g p s 定义和系统组成 g p s 全球定位系统，是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统，可 以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息，是目 前应用最为广泛的定位技术。 g p s 全球定位系统由三部分构成：空间卫星部分，由2 1 颗工作卫星和3 颗 备用卫星组成，分布在6 个轨道平面上；地面控制部分，由1 个主控站( 负责 管理、协调整个地面控制系统的工作) 、5 个监控站( 数据自动收集中心) 和3 个 注入站( 在主控站的控制下，向卫星注入导航电文) 组成；用户接收机部分， 分为导航型和大地型，大地型接收机又分为单频型( l 1 ) 和双频型( l 1 ，l 2 ) 。 ( 2 ) g p s 定位原理 g p s 的基本定位原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用 户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度 和时间信息。按定位的结果，g p s 定位可分为绝对定位和相对定位。 a 绝对定位原理 绝对定位亦称单点定位，利用g p s 进行绝对定位的基本原理为：以g p s 卫 星与用户接收机天线之间的几何距离观测量p 为基础，并根据卫星的瞬时坐标 ( 墨，k ，z s ) ，以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。 4 基于z i g b c e 的探测系统设计与研究 设接收机天线的相位中心坐标为( x ，】，z ) ，则有： p = ( k - x ) 2 + ( 】：一y ) 2 + ( z s - z ) 2 ( 2 - 1 ) 卫星的瞬时坐标( 墨，k ，乙) 可根据导航电文获得，所以式中只有彳、y 、z 三个未知量，只要同时接收三颗g p s 卫星，就能解出测站点坐标( x ，】，z ) 。但实 际上，g p s 接收器在仅接收到三颗卫星的有效信号情况下只能确定二维坐标即经 度和纬度，只有收到四颗或四颗以上的有效g p s 卫星信号时，才能完成包含高度 的3 d 定位。可见，g p s 单点定位的实质就是空间距离的后方交会。 图2 1 所示为绝对定位图。 图2 1g p s 绝对定位图 b 相对定位原理 g p s 相对定位，亦称差分g p s 定位，是目前g p s 定位中精度最高的一种定位 方法。其基本定位原理为：如图2 2 所示，用两台g p s 用户接收机分别安置在基 线的两端，并同步测量相同的g p s 卫星，以确定基线端点( 测站点) 在w g s 8 4 坐标系中的相对位置或称基线向量。 图2 2 g p s 相对定位 ( 3 ) g p s 定位的优缺点 利用g p s 进行定位的优势是全天候定位，卫星有效覆盖范围大，三维定时定 速高精度，快速省时高效率，定位导航信号免费，用户安全隐蔽且用户的数量不 第二章定位技术和定位算法 受限制，应用广泛多功能等。缺点主要有以下两个方面： a 价格高，这主要体现在两个方面。一是g p s 定位系统最基本的问题是要 求卫星和用户接收机都配备精准的时钟，尽管为了降低成本一般用户接收 机采用了价格较低的石英钟，但为了确保定位精度，卫星上必须采用原 子钟用金属元素制作的金色钟( 耗资达1 0 0 万美元) ；三是定位器终 端的成本较高。 b 应用范围受限。在理想情况下，因为g p s 系统有2 4 颗卫星环绕地球运动， 通常在水平角1 0 度以上都能观测到7 颗卫星，但是如果附近有山、建筑 物或其他遮挡物，所能观测到的卫星会很少，而且定位信号到达地面时较 弱，不能穿透建筑物，因此不适合室内定位。 2 手机定位技术 ( 1 ) 手机定位原理 随着移动技术的发展，手机不仅仅只有通话功能，还可以将它作为一个g p s 定位系统。常见的手机导航分为两种：一种是手机内置或外置g p s 卫星导航，二 是通过运营商的基站进行导航定位的方式。基于运营商的手机定位又分为两种： 一是g s m 网络的基站定位，二是c d m a 网络的基站定位。 对于g s m 用户，可以通过手机接收运营商的网络信号来定位。手机定位利 用g s m 移动通信网的蜂窝技术来实现位置信息的查询，g s m 无线通信网是由许 多像蜜蜂蜂窝一样的小区构建而成的，每个小区都有自己的编号，通过手机所在 小区的识别号就可以知道手机所在区域。 联通c d m a 网络定位方式和g s m 网络有所不同。定位之星业务是中国联通 c d m a1 x 网络采用先进的g p s o n e ( 结合c d m a 基站和g p s 信息的定位方式) 定位技术向公众提供的高精度定位业务。定位精度在室外环境下高达5 米5 0 米。 同时无论在室内还是室外，只要c d m a1 x 网络覆盖到的地方即可实现定位，而 且缩短了定位时间。 ( 2 ) 手机定位的优缺点 表2 1 是三种手机定位方式的比较，可以看出各种方式的优缺点。 表2 1 三种手机定位方式的比较 g p s 卫星g s m 网络c d m a 的g p s o n e 原理卫星定位，精度高 网络定位，精度低卫星+ 网络，精度更高 定位 采用终端计算，速度慢，网络计算，速度快， 终端采集+ 网络计算：速度快，盲区少， 终端耗电；对卫星的依效果不好，无法精 终端功耗低( 1 颗卫星+ 1 个基站即可准确 实现 定位，没有卫星仅通过基站也可实现三角 赖性强，盲区多确定位 定位，精度也超过g s m 网络) 终端g p s 手机或g p s + 手机手机g p s o n e 手机 费用免费收费收费 6 基于z i g , b e e 的探测系统设计与研究 另外，手机由于基于现有手机通信基站，受环境影响较大，在郊区和农村可 以将移动台定位在1 0 2 0 米范围内；在城区由于高大建筑物较多，电波传播环境 不好，定位精度收到影响，定位范围为1 0 0 - , 2 0 0 米，一般响应时间在3 - 6 s 之间。 而在无法接收到手机信号的地方无法定位。 3 超声波定位技术 超声波定位技术可用于一定范围的非接触式定位，主要采用反射式测距法， 通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波， 根据回波与发射波的时间差丁计算出待测距离s = t v 2 ( v 为超声波波速) ，有 的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成， 主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射 同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信 号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3 个或3 个以上不在同一直 线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系 下的位置。 超声波定位具有的优点：整体定位精度较高可达l e n a ，方向性好，不受光线 影响，结构简单；缺点：超声波受多径效应和非视距传播影响很大，不能用于室 内环境，在空气中的衰减较大，只适用于较小的范围( 超声波在空气中的传播距 离一般只有几十米) ，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。 4 红外线定位技术 红外线技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，利用其进行定位的原 理是，红外线取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。 利用红外线定位的优势是：设备体积小、功耗低、连接方便、简单易用、低 成本。虽然红外线具有相对较高的定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使 得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其定位的 效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，如果安 装接收天线，会使造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光 灯或其他室内灯光干扰，在精确定位上有局限性。因此，有人把超声波测距技术 和红外线定位技术相结合，设计了基于超声波和红外线探测技术的测距定位系统， 来弥补二者的不足之处。 5 超宽带定位技术 超宽带技术( i 八船) 是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技 术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒 级以下的正弦波极窄脉冲来传输数据，从而具有g h z 量级的带宽。u w b 可用于 精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。 第二章定位技术和定位算法 7 u w b 无线定位系统与传统的窄带系统相比，具有传输速率高、穿透力强、 功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点， 因此，u w b 成为未来无线定位技术的热点。但是u w b 存在占用带宽大，易对其 他无线电系统造成干扰的缺点，因此，各国对u w b 发射功率有严格限制【3 j 。 6 其他无线定位技术 w i f i 定位是i e e e8 0 2 1 1 的一种定位解决方案，它应用于小范围的室内定位， 成本较低，但w i f i 收发器只能覆盖半径9 0 m 以内的地理区域，很容易受到其他 信号的干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，而且定位器的耗能较高。 蓝牙技术应用于定位，主要应用于小范围定位，最大的优点是设备体积小， 易于集成在p d a 、p c 和手机中。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵， 而且对于复杂的环境，蓝牙系统的稳定性稍差，存在定位误差，受噪声信号干扰 大。 射频识别技术利用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 位的目的。其具有非接触和非视距，可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息， 且传输范围很大，成本较低，标识的体积较小等优点，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。 2 1 2z i g b e e 定位技术的优势 从上面的介绍可以看出，目前的定位技术除了具有各自的优势外，都存在着 一些不足之处：包括定位精度低、定位范围小、受视距影响大、应用范围有限、 抗干扰能力差、信息安全性差、价格较高、功耗较大、收发器体积较大等等。为 克服现有技术的上述缺点，本文提出了一种新的定位方案基于z i g b e e 的定位 技术。z i g a e e 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通讯市场的空缺，其成功 的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。另外，通过对探测系统硬件和 软件的设计，明显提高了系统的通信距离和定位精度，改善了系统抗干扰能力和 安全性能，收发器尺寸1 l e m * 5 c m * l c m ，仅为普通手机大小。 z i g , b e e 是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，是一种介于无线标记 技术和蓝牙之间的技术提案。它有自己的无线电标准( i e e e8 0 2 1 5 4 t l 】) ，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， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的 通信效率非常高。z i g b e e 技术具有以下特点： 低功耗。由于z i g b e e 传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时 间短；而在非工作模式时，z i g , b e e 节点又处于休眠模式。加之设备的搜索、 休眠激活和信道接入延时都很短，且发射功率仅为1 m w ，因此z i g b e e 设 一 备非常省电。两节五号电池支持一个节点长达6 个月到2 年左右的使用时 8 基于z i g b e e 的探测系统设计与研究 间。相比较，蓝牙能工作数周、w i f i 可工作数小时； 低成本。与g p s 相比，z i g b e er f 收发器与m c u 集成在一起，成本不及 g p s 硬件的1 1 0 ，功耗也只是g p s 硬件的一小部分。通过大幅度简化协议 ( 不到蓝牙的1 1 0 ) ，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8 0 5 1 的8 位微控制器测算，全功能的主节点需要3 2 k b 代码，子功能节点少至 4 k b 代码，而且z i g b e e 协议免专利费； 低速率。z i g b e e 在不同的工作频段有不同的数据传输速率，但都处于较低 的速率。在2 4 g h z 频段，有1 0 个速率为2 5 0 k p b s ( 或6 2 5 k s y m b o f s ) 的 信道；在9 1 5 m h z 频段，有1 6 个速率为4 0 k p b s ( 或4 0 k s y m b o l s ) 的信道； 在8 6 8 m h z 频段，有1 个速率为2 0 k p b s ( 或2 0 k s y m b o v s ) 的信道。从能 量功耗和成本、速率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选 择； 近距离。一般两个z i g b e e 节点间的通信距离介于1 0 1 0 0 m 之间，在增加 无线r f 发射功率后，亦可增加到1 3 k i n 。这指的是相邻节点间的距离。 如果通过路由和节点间通信的接力，建立起z i g b e e 设备的多跳通信链路， 传输距离将可以更远； 高可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组 网的功能，信息在整个z i g b e e 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而 保证了信息传输的可靠性； 短时延。通信时延和从休眠状态激活时延都非常短：搜索设备延时为3 0 m s ， 休眠激活延时1 5 m s ，节点接入网络只需1 5 m s ，节省了电能。而蓝牙需 3 l o s ，w i f i 需要3 s ，因此z i g b e e 技术适用于对实时定位要求较高应用； 免许可无线通信频段。z i g b e e 采用的物理、m a c 层协议是i e e e 8 0 2 1 5 4 ， 它工作在2 4 g h z 或8 6 8 9 1 5 m h z 的工业科学医疗( i s m ) 频段，对全球 2 4 g h z 频段均免许可使用，8 6 8 m h z 在欧洲，9 1 5 m h z 在北美免许可使用； 大容量网络。一个z i g b e e 网络最多包括2 5 5 个节点，其中一个是主控设备， 其余则是从属设备。若是通过网络协调器，整个网络可支持达6 5 0 0 0 个节 点；再加上网络协调器相互连接，整个z i g b e e 网络节点数非常可观； 多组网方式。z i g b e e 网络可通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种 组网方式，组网灵活，可通过节点的加入和退出使网络动态变化： 安全。具备三级安全模式，z i g , b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加 密算法采用通用的a e s 1 2 8 ； 高保密性。具备三级安全模式，其中，在第三级安全处理中采用6 4 位出厂 编号并支持a e s 1 2 8 加密。 一 第二章定位技术和定位算法 9 2 1 3z i g b e g 与其它定位技术的比较 表2 2 对z i g b c e 与其它无线定位技术的特点进行了比较。 表2 2z i g b e e 与其它无线定位技术的比较 名称 g p s 手机 w i f iu w b蓝牙r f d z i g b e e 航空、航海、宽广地区网络、视频娱乐、雷替代有线设备识别、监控、构建 主要运输、测量、音频和数e m a i l 、提供达、室内密集多电缆移动商务 网络 应用勘探据无线局域网径的高速无线 的接入接入 系统 l m b 1 6 m b l m b 2 5 0 m b2 5 6 b i t 2 k b4 k n l 2 8 k b 资源 电池1 0 0 1 0 0 0 l 7 天1 7 天0 5 5 天1 0 1 0 0 天1 7 天6 个月 2 年 寿命天 网络 8 ，大于81 个读写器多目标识 113 2l 通信速率同时识别多别，容量达 规模 显著下降个标签6 5 5 3 6 速率 1 2 8 k p b s6 4 - - 1 2 8 k p b s1 - 11 m b p s几百m b p si m b p s1 0 6 k p b s2 0 - 2 5 0 k p b s 距离 1 0 0 0 米 1 0 0 0 米1 1 0 0 米 8 m 图2 3 是用对数常态模型绘制的曲线图。 0扣 4 0 6 0 8 01 0 01 2 0 距离m 图2 3r s s i 和距离的关系曲线【5 】 从图中可以看出，在自由空间，信号的衰减与距离成指数衰减的关系，当节 点间距离比较近时，其路径衰减因子较小咒= 2 ；当距离增大时，衰减增大靠= 3 3 。 尽管i e e e8 0 2 1 5 4 将信道模型进行了简化，但是幂级数形式的计算对硬件的要求 比较高。在实际环境中，衰落曲线存在一些不规则的震荡和衰落。r s s i 在2 0 m 以内的区域中较好地符合自由空间的信号衰落曲线，当距离加大时，r s s i 的衰落 曲线就比较平缓，明显高于自由空间的信号衰落曲线，这可能是由于r s s i 值受 到硬件条件的限制，其有效范围较为有限( 实测在- 4 0 9 0 d b m ) 。而且从信号的 衰减特性可以看出，在距离较近的地方，衰减曲线比较陡直，在距离比较远的地 方，曲线渐渐变得平缓。因此，可以用分段逼近方法拟合衰减曲线。 图2 4 是实际情况下l q i 随距离的衰落趋势曲线图，与r s s i 大致相同：在 4 0 m 的范围内波动较小，随着距离增大，震荡增大，有较大的不规则的衰落。相 比之下，l q i 值的有效范围要宽得多，在4 0 1 7 0 之间。因此，如果增加l q i 值 来进行距离的估计，能够得到更宽的线性度，从而提高定位的精度。 s ! 己 幻 加 舶 瑚 铘 铷 啪 茸霉覃h跄 第二章定位技术和定位算法 o刃4 06 口即1 0 01 2 0 距离h 图2 4l q i 的实际衰减曲纠习 根据图2 3 和图2 4 所示的实际的衰落曲线和上述分析，分别以2 0 m 和4 0 m 为界分段进行线性逼近，得到分段逼近的r s s i 和l q i 衰落曲线如图2 5 和图2 6 所示。并得到分段后的拟合曲线由公式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 给出。 枷 击o 鲁铷 趔 丝- 7 0 枷 枷 o2 04 0舯1 1 2 0 距离皿 图2 5 分段拟合的r s s i 的衰落曲线 枷 1 柏 捌1 s1 0 加 o 加40 印 帅1 1 舶 距膏i 图2 6 分段拟合l q i 的衰落曲线 1 6 基于z i g b e e 的探测系统设计与研究 ：j一39117d，d 2 0 凹：脞0 4 。9 跗“o ( 2 8 ) i1 2 0 3 7 0 5 l d ，d 4 0 2 动态加权估计【1 3 】 、 由图2 5 和图2 6 可知，l q i 的两段线性衰落曲线的斜率都要高于r s s i 的线 性逼近衰落曲线，l q i 可以提供更高的分辨率。在小于2 0 m 的范围内，实际的 l q i 衰落曲线围绕其逼近曲线的波动要略小于实际的r s s i 衰落曲线围绕其逼近 曲线的波动，相对比较稳定，但是当距离较大时，l q i 值的波动就比r s s i 的波 动厉害的多，此时，用l q i 的逼近曲线计算得到的距离就与真实值相差很大，而 此时r s s i 比较稳定。因此，如果能预知需估计距离所在的范围，在此距离较小 时，首选l q i 来计算；而当此距离较大时，首选r s s i 来计算，这样就得到动态 处理估计距离的目的。 实际结果显示，在较近的范围内用l q i 和用r s s i 计算得到的距离误差都比 较小，二者的距离之差较小；而当距离增大时，由于l q i 的大幅度波动造成距离 估计也有很大的误差，从而导致二者的距离之差较大。为了使估计的距离和实际 距离比较吻合，可以采取加权的处理方法。具体公式如式( 2 9 ) 所示。 拈扒i + a 2 d i , o i( 2 - 9 ) 【a l + a 2 = 1 式中，d 为待估计的距离，d 脚为通过r s s i 估计的距离，以讲通过l q i 估计的 距离，a j 和a 2 分别为二者权重因子，从测量曲线可以看出，在距离比较近的时 候，权重因子a j 较大，当距离比较远的时候，权重因子a 2 比较大，具体在实际 中使用该算法，需要考虑实际的环境，根据测量的情况，进行小幅度的修正。 2 2 4 探测系统中的定位算法 文中探测定位系统应用的定位算法，是在前面研究的r s s i 和l q i 结合的动 态加权估计算法的基础上，提出的一种测向的算法，这里称之为比值两步定向算 法。 r s s i 比值定位算法中r s s i 不仅随着通信距离的变化而变化，还与接收天线 相关。若采用全向天线( 有关全向天线和定向天线的工作原理在第三章介绍) 接 收，在距离一定的情况下，接收各个方向的信号，其强度值大致相当；若采用定 向天线接收，只有在定向天线方向与发射信号方向一致时，接收的信号强度最大， 在背对发射信号方向其接收信号最小，在从最大方向到最小方向不断衰减，基于 该原理，可以用定向天线来定发射信号的方向。但是，仅仅用定向天线，接收的 信号不仅随着方向变化而变化，还将随着距离的变化而变化。因此，在这两个因 第二章定位技术和定位算法 1 7 素影响r s s i 值时，在实际利用该原理时，不能很好的定发射设备的方向，正是 考虑这个不足，增加一步，结合全向天线来实现定向，利用在具体一点时，分别 通过全向天线和定向天线来接收信号，然后，通过二者接收的信号强度之比来决 定发射设备的方向。同时，全向天线和定向天线测r s s i 值，不是在相同时刻测 得，会带来一些误差，因此增加了邻值测量加权平均值法，对测量结果进行二次 处理。利用两步定向算法，不仅解决了距离影响因素，同时，也可以减弱实测中 引入信号的随机噪声。 基于上面的原理，提出了r s s i 比值两步定向算法【1 7 1 ，第一步实现定向天线 接收r s s i 与全向天线接收r s s i 之比，第二步实现邻值测量加权平均处理。本文 采用全向天线中倒f 天线的辐射函数和定向八木天线的辐射函数，结合无线信道 模型以及噪声环境等因素的进行分析和试验，研究该定位原理的可行性。 根据式( 2 4 ) 可以得到末节点接收信标节点信号时的信号强度如式( 2 1 0 ) 所示。 r s s i ( d ) ：b xg p l ( d ) ( 2 1 0 ) 式中，r s s i 为信号强度，只为发射功率，g 为天线增益，p l ( d ) 为路径损耗。式 ( 2 1 0 ) 是对一般情况的讨论，没有讨论接收机天线的情况，如果采用不同的接 收天线，接收的信号强度将随着方向的变化而变化。其中定向天线在距离d 处接 收到信号强度如式( 2 1 1 ) 所示。 r s s i ( d ) d = 2 1 x r s s i ( d ) x p r o ( 2 1 1 ) 式中，旯1 为比例因子，r s s i ( d ) 为式( 3 1 0 ) 结果，p r 6 为式( 3 1 ) 结果。 全向天线接收到的信号强度如式( 2 1 2 ) 所示。 r o s s ( d ) ，= 2 2 x r s s i ( d ) x p l r ( 2 1 2 ) 式中，旯2 为比例因子，r s s i ( d ) 为式( 3 1 0 ) 结果，孙为式( 3 - 7 ) 结果。 通过式( 2 3 ) 和式( 2 1 1 ) 可以看出，定向天线接收的信号强度是距离和方 向函数；由于全向天线p 伊在各个方向相同，全向天线接收的信号强度是距离函 数。如果利用r s s i 来定向，需要减弱距离对r s s i 的影响，因此采用比值法。由 式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 得到式( 2 1 3 ) 。 肚塑器- - 2 r s s i嚣 ( 2 - 1 3 ) ( d ) p j p ， 。1 。7 式中，九- - k * ( ) , 1 2 , 2 ) 。 虽然式( 2 1 3 ) 是在理想情况下推得( 假定全向天线和定向天线在同一时刻接收) ， 但仍可以看出，接收机用于定向的比值r 主要与方向有关。 基于z i g b e e 的探测系统设计与研究 由于在实际中测试的时候，接收机的全向天线和定向天线是不能保证在同一 时刻接收的，并且在测量时，噪声的影响是随机的。这样在使用式( 3 1 3 ) 进行 定向时，难免在某些时候引入较大误差，为了减小这一因素带来的定向不确定性。 式( 3 1 4 ) 引入邻值测量加权平均算法。 n 天= w f r ， w l + w 2 + + w = 1 ( 3 - 1 4 ) i = l 式中，w 为第i 次测量时的权重因子，r 为第i 次测量比值。 实测的数据，经过加权平均处理和未经过加权平均处理的结果如图2 7 所示。 柚 翻 啪 夏 m 霉 o 哪o l 瑚葛0 棚瑚棚 角度，度 图2 7r s s i 比值角度变化曲线 可以看出，经过加权处理后的结果明显好于未经过加权平均处理的结果。这里加 权因子根据最近测量时权重更高的方法，实测采用的是1 0 次平均测量，权重因子 采用= i x w l ，其中w l = o 0 1 8 。 2 3 小结 本章首先介绍了现有的定位技术的工作原理和特点，重点介绍了z i g b e e 用作 定位技术的特点，并对它们的优缺点进行比较总结，为解决不足之处，提出了一 种基于z i g b e e 的探测系统设计方案：然后把现有的定位算法进行比对，得出r s s i 定位算法在z i g b e e 探测系统中的优势。然而一般的r s s i 定位算法给出的都是在 自由空间中r s s i 值和节点距离的关系，并没有考虑到天线增益或传播损耗等实 际环境的影响，所以需要对r s s i 定位算法进行分段拟合和加权估计，进而得到 基于r s s i 的动态加权估计算法和分段算法公式；最后在研究r s s i 和l q i 结合的 动态加权估计算法的基础上，提出的一种测向的算法，即比值两步定向算法。 第三章探测系统设计 1 9 第三章探测系统设计 本章详细介绍探测系统的设计过程和设计方法，是论文的主体部分。首先进 行系统硬件的设计，包括硬件设计流程、系统框图、具体电路模块、完整电路以 及p c b 的设计；然后进行系统软件的