位移监控工作原理-有源.doc

定位系统概论1ZigBee网络工作原理1.1ZigBee网络设备按照功能分为两类：（1）FFD（Full Function Device）（2）RFD（Reduced Function Device）FFD与RFD的主要区别：FFD可以允许其他ZigBee（FFD、RFD）设备接入，具有路由接入和转发的功能，是ZigBee网络构成的主要路由节点；RFD设备只能申请接入FFD设备，不能允许其他ZigBee设备接入，是ZigBee网络的终端节点。ZigBee网络拓扑结构：上图中PAN Coordinator也是一种FFD设备，每个ZigBee网络有唯一的1个PAN Coordinator。1.2 定义一个以ZigBee技术实现的通用定位系统，ZigBee设备分为三种：（1）协调器（PAN Coordinator FFD）：管理一个ZigBee网络，拥有一个IP地址，可以连接到网管服务器的网关。（2）路由器（Router FFD）：有路由功能，允许其他ZigBee设备（FFD， RFD）接入和进行路由转发。同时是定位标签，定位其具体位置的参考点。（3）定位标签（Device RFD）：贴附或是被携带于被定位的物体或人员，是一个终端设备。1.3 设备传输距离，可依不同应用环境定义不同距离：（1）T：各个路由器之间，协调器和路由器之间的传输距离，即（FFD）之间，初始定义为室内150米，室外350米。（2）L：定位范围的距离，即标签（RFD）到路由器（FFD）之间，初始定义为室内50米，室外100米。1.4系统采用Mesh网络拓扑，并根据实际需要对整个ZigBee网络进行子网划分。每个子网是一个独立运行的ZigBee网络，其中包含1个协调器，和适当数目的路由器（数目35-50个）。如下图，整个ZigBee网络分成4个子网，每个子网有1个协调器（Ca，Cb，Cc，Cd）和各自子网管理的路由器（Rax，Rbx，Rcx，Rdx）。1.5定位系统的工作原理（1）定位：一个或一个以上的路由器收到某个定位标签的信号，即确认此定位标签位置是在收到最强信号的路由器所在位置的定位范围内。（2）定位信息传送：路由器收到定位标签的定位信息，即根据路由器的路由表转发到下一个路由器，最终到达协调器并传送到网管服务器，显示具体信息在服务应用软件的显示器上。（3）以室外路由器为例：绿色圆环表示半径为L的可定位区域，即凡是进入绿色环的定位标签均可被该路由器发现；红色圆环表示半径为T的路由器传输范围，即凡是在红色环内的其他路由器或终点协调器网关，均可以与该路由器进行定位信息数据传输。（4）定位范围示意图避免定位区域上有信号盲区，盲区是指定位标签的信号没有路由器接收。R（路由器），C（协调器）如矩形区域为室外定位区域，室外路由器的布置至少要达到上图的密集程度。（5）定位信息传输示意图当路由器R1有数据要上传时，其首先要查找一条最佳路径至子网网关C，该路径的优劣评价标准为-最小消耗。原理过程如下：路由发现是网络路由器设备协作并发现和建立路由的一个过程。一个路由操作总是针对某个目的，通过任何一个路由器启动。该路由发现机制在源设备和目的设备间搜寻所有可能的路由并试图选择最好的路由路线。路由选择通过选择最小消耗的路由路线。每个设备在连接到邻节点几乎保持不变的“连接消耗”。该连接消耗是接收信号的强度的一个典型功能。沿着路由路线加起所有的连接消耗，就是整个路由的“连接消耗”。路由算法试图选择这个路由最小的“路由消耗”。具体网络路由器沟通和操作方式路由请求路由通过请求/响应信息包被发现。一个源设备为了一个目的地址，通过发送一个广播路由请求（RREQ）信息到它的邻设备请求一个路由。当一个节点接收到一个 RREQ 信息时，它将依次转播这个 RREQ 信息。但是在做这个之前，它更新 RREQ 信息的消耗域，通过增加连接消耗为了最后的连接。这样，RREQ 信息将携带向前传输的所有的连接消耗。这个重复过程直到 RREQ 到达这个目的设备。RREQ的一些复制可能经过不同的路径重复到达目的设备。该目的设备选择最好的 RREQ 信息并发送一个路由答复（RREP）返回到源设备。路由响应RREP 是沿着唯一的相反的路径返回到最初的请求节点。 作为 RREP 信息传播回源节点，中间的节点更新他们的路由表格，指出路由路线到目的设备。 一旦一个路由被创建，数据包能被发送。当一个节点丢失到它下一个节点的连通性时（发送数据包时，它不能接收一个 MAC 应答 ACK），这个节点通过发送一个 RERR 到所有潜在的接收它 RREP 的节点，使该路由无效。在接收一个 RREQ，RREP 或 RERR 之上，这些节点都将更新他们的路由表格。在实际使用的过程中，由于室外空间往往不是完全空旷，存在建筑物对信号的阻挡或树木对视线的阻挡。所以考虑到能够不因信号阻挡出现盲区和提高定位精度的考虑，室外路由器的布置间距往往较为密集。这样便造成同一区域有多个路由器覆盖的情况，在这种情况下，采用定位标签信号到的路由器时的信号强度来进行进一步的数据分析。室内定位时也会遇到几个路由器同时读到定位标签的情况，但无线信号传透墙壁时，信号损耗较大，因此只有一个路由器接收信号强度较强。所以定位的分析计算有两种处理方法。方法一：同时几个路由器都接收到定位标签信号时，系统则确认标签在信号最强的路由器所定位的区域。方法二：同时几个路由器都接收到定位标签信号时，系统则根据信号强度选择三个信号较强的路由器进行判断。如下图所示：图中 1 2 3 为路由器，4为定位标签。圆是以路由器所在位置为圆心，r与信号强度成反比。室内定位按照方法一进行运算处理，室外定位按照方法二进行运算处理。2 数据格式以下5个档案为拟定的数据库存内容基础档案一（人工输入）子网编号设备长地址设备短地址IP地址位置坐标架设时间修改时间位置说明2byte8byte2byte4byte8byte精确到日精确到日16char基础档案二（人工输入）标签长地址高频卡ID姓名人员类型证件种类证件号发证时间失效时间权限保留8byte8byte16char1byte1byte4byte精确到分精确到分4byte2byte定位档案（每3秒钟记录一次，用于实时显示和历史查询,通过实时定位数据计算得出位置坐标）标签长地址时间位置坐标报警信息电量信息保留8byte精确到秒8byte1byte1byte2byte网络档案（每分钟记录一次实时网络数据）设备长地址时间跳数（1-n）设备长地址1链路消耗1保留1设备长地址n链路消耗n保留n8byte精确到秒2byte8byte2byte2byte8byte2byte2byte电子地图档案地图编号创建时间描述类型存储地址保留2byte精确到日16char2byte2byte2byte以下2个档案为ZigBee协调器网关上传的信息数据内容实时定位数据（zigbee网关提供）设备长地址时间长度（1-n）标签长地址1电量报警1信号强度1标签长地址n电量报警n信号强度n8byte精确到秒2byte8byte2byte2byte8byte2byte2byte实时网络数据（zigbee网关提供）设备长地址时间跳数（1-n）设备长地址1链路消耗1保留1设备长地址n链路消耗n保留n8byte精确到秒2byte8byte2byte2byte8byte2byte2byte系统每一分钟扫描一下网络信息，进行“实时网络数据”更新3 操作图形界面主界面类似上图所示。左侧上端列表按照“子网”-“路由器”-“标签”分级，左侧下端可按照各种条件进行查询；右侧为电子地图及报警信息栏，点击报警信息可以直接跳转至该人员所在的电子地图。“电子地图导入”可以将定位区域的平面工程图载入，点击进入，弹出文件选择界面，选择文件后，导入图片并在界面显示，点击确定导入完成。此一项功能应支持多种图片格式，以满足不同层次的客户需求。导入的平面图可以进行旋转、缩放等操作。电子地图导入之后，可以确定电子地图的比例尺，如下例所示：在电子地图中拖拽“比例测量器”（图中红色部分），将其与两端与一个已知的长度两端对齐，然后输入实际距离（实例图中为200米），点击“确定”，则系统可以计算出电子地图的比例尺。“路由器定位”可将路由器按照其安装位置拖拽到电子地图的对应位置上。在电子地图导入完成以后，则路由器可覆盖范围可