zigbee无线定位开题报告ppt课件

1、基于基于Zigbee协议的无线定位网协议的无线定位网络在安保系统中的运用络在安保系统中的运用工程082第一组一.Zigbee技术简介 Zigbee来源在现实生活中存在着这样的运用情况:系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进展实时传输，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的本钱高、体积大和能源耗费大等问题，针对这样的运用场所，人们希望利器具有本钱低、体积小、能量耗费小和传输速率低的短间隔无线通讯技术。在这种需求下，ZigBee技术孕育而生，之所以称之为ZigBee技术是由于人们发现蜜蜂在采蜜过程中，跳着优美的“Z字形舞蹈来传达信息，再加上蜜蜂本身体积

2、小，所耗能量小的特点，人们就将这种具有低本钱、体积小、能量耗费小和传输率低的无线通讯技术称为ZigBee技术。 Zigbee技术优势低功耗。在低耗电待机方式下,2节5号干电池可支持1个节点任务624个月,甚至更长。低本钱。经过大幅简化协议 ,降低了对通讯控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需求32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价钱大约为2 美圆。 低速率。Zigbee任务在20250 kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数

3、据吞吐率,满足低速率传输数据的运用需求。 近间隔。传输范围普通介于10100 m 之间,在添加RF 发射功率后,亦可添加到13 km。 短时延。Zigbee的呼应速度较快,普通从睡眠转入任务形状只需15 ms ，节点衔接进入网络只需30 ms ，进一步节省了电能。 高容量。最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。 高平安。Zigbee提供了三级平安方式,包括无平安设定、运用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密规范(AES 128)的对称密码,以灵敏确定其平安属性。 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(

4、ISM)频段,2.4 GHz (全球)、915 MHz(美国)和868MHz(欧洲) 。 Zigbee联盟ZigBee联盟成立于2001年8月，2002年下半年，英国Invensys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半导体公司等四大公司加盟ZigBee联盟，这一事件成为ZigBee技术的里程碑，到目前为止，加盟ZigBee联盟的涵盖了IT领域以及其他行业的150多家企业。 Zigbee技术与与其他无线通讯技术的比较 Zigbee协议栈概述ZigBee技术作为一种新兴的低速率短间隔无线通讯技术，也是ZigBee联盟所主导的无线传感器网络技术规范。完好的ZigBee协议栈有物理

5、层、MAC子层、网络层、运用会聚子层和高层运用规范层组成。每一层为上层提供一系列特殊的效力:数据实体提供数据传输效力，管理实体那么提供一切其他的效力。一切的效力实体都经过效力接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的效力原语来实现所需的功能。Zigbee协议栈IEEE802.15.4定义的PHY层分别任务在两个频段:868/9l5MHz和2.4GHz。MAC层采用CSMA一CA机制来控制信道接入，主要担任传输信标帧，同步以及提供可信任的传输机制。ZigBee联盟在此根底上定义了网络层(NWK)，运用层(APL)架构。网络层的主要职责包括提供设备用来参与网络和分开网络的机制，

6、提供数据帧传输的平安机制和路由机制。另外，发现并坚持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是有NWK层完成的。ZigBee协调器的NWK层还必需担任启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等任务。运用会聚层将主要担任把不同的运用映射到ZigBee网络上，详细而言包括:平安与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。ZigBee运用层包括运用支持子层(APS)，ZigBee设备对象 (ZDO)以及用户定义运用对象。运用支持子层(APS)担任维护设备绑定表，以及传输在绑定的设备间传输数据。设备绑定表用于根据设备间提供的效力和需求来匹配设备并储存相关设备信息。ZigBee设备对象 (Z

7、DO)担任定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器或中断设备)，提出或呼应绑定恳求，以及建立网络设备间的平安关系。ZigBee设备对象 (ZDO)还要担任网络设备的发现及断定对方提供效力类别。 Zigbee网络构成设备类型：ZigBee网络支持IEEE802.15.4定义的两种类型的物理设备:全功能设备(FFD)、精简功能设备(RFD)。FFD和RFD的不同是按照节点的功能区分的，一个FFD可以充任网络中的协调器和路由器，因此一个网络中应该至少含有一个FFD。RFD只能与主设备通讯，实现简单，只能作为终端设备节点。在ZigBee网络中，将两种物理设备定义成了三种逻辑设备类型:协调器、路由器

8、、终端设备。一个ZigBee网络包括一个协调器节点和多个路由器和终端设备节点。设备类型不会以任何方式限制能够运用在特定设备上的运用类型。协调器:这个设备“开启一个ZigBee网络。它是网络中的第一个设备。协调器节点选择一个信道和一个网络标识符 (PANID)并开启网络。可选择地，协调器节点也能被用来设置网络中的平安性和运用程度的绑定。协调器的功能主要是开启和配置网络。一旦这些完成以后，协调器与路由器的功能就一样了(甚至可以断开)。由于ZigBee网络的分布式本质，网络的继续运转不依赖于协调器的存在。路由器:路由器执行的功能有1)允许其他设备参与网络;2)多跳路由;3)辅助它的电池供电的子终端设

9、备通讯。普通来说，路由器被期望能不断坚持激活形状，因此它通常是由固定电源供电的节点被唤醒并恳求数据而不能运用电池供电。终端设备:终端设备对维持网络构造没有特殊的责任，因此，它可以有选择的休眠和唤醒。终端设备仅仅周期性的向它的父节点发送或接受来自它的父节点的数据。因此终端设备可以运用电池供电的方式任务很长时间。在能量管理方面，网络协调器与路由器需求突发的处置一些恳求，包括入网、退出网络以及数据中转等功能，普通情况下，运用永久性电源;假设终端节点在大部分的时间里都处于休眠形状就可以采用电池供电。假设对电池供电没有要求，网络中可以全部采用FFD设备。 拓扑构造：zigBee网络主要有三种组网方式：星

10、型网络，树状网络和网状型网络，其拓扑构造如下图。如图(a)所示，星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都是经过中心节点传输。星状拓扑构造最大的优点就是构造简单。中心节点需求承当更多的管理任务。由于把每个终端节点放在中心节点的通讯范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围，并且星形拓扑很难实现高密度的扩展。集中的信息涌向中心节点，容易呵斥网络堵塞、丢包、性能下降等。到目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置构造，被大量的运用在远程检测和控制中。树状拓扑是多个星形拓扑的集合，如图中的(b)所示。假设干个星形拓扑衔接在一同，扩展到更宽广的区域。树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳信息效力的最简单的拓扑构造

11、，树形拓扑最值得留意的地方就是它坚持了星形拓扑的简单性:较少的上层路由信息、较低的存储器需求。无线网络拓扑图如下图(c)，网状网络是一个自在设计的拓扑，具有很高的顺应环境的才干。网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的才干，以确保网络最大限制的可靠性，可以看出网络中恣意两个节点的通讯途径不是独一的。网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由方式。这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络衔接质量，因此难以估计。二.课题背景随着现代挪动通讯技术和无线网络的蓬勃开展，人们对无线定位的需求与日俱增。无线定位效力是指经过无线终端和无线网络的配合，确定挪动用户的

12、实践位置信息，从而提供用户所需的与位置和方向相关的效力。无线定位效力的开展始于美国。1996年，美国联邦通讯委员会制定了E一911法规，要求一切挪动通讯运营商，在挪动用户发出紧急呼叫时，必需向公共平安效力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任务，并要求分阶段实施定位精度不断提高的用户定位效力。1999年Fcc对E一911法进展修订，对定位精度提出新的要求，极大的促进了美国LBS(LocationBasedServiee)产业的快速开展。以后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特征的商用定位效力。这些效力主要运用于:紧急救援，报警信息发布，跟踪业务，交通监控，

13、车辆导航效力，城市观光等。无线定位效力曾经在军用、民用和商用领域证明了其重要性。现今适用的定位系统多半基于GPS技术，导致运用本钱较高。低本钱、高可靠性的新型定位系统的研讨开发变得非常紧迫。另一方面，无线传感器网络(WSN)可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛运用于国防军事、国家平安、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐、抗灾等领域，它是信息感知和采集的一场革命。由于WSN的低本钱、便于大规模运用，使得以WSN为载体的定位研讨被给予了广泛的关注。WSN的定位机制逐渐成为其主要技术之一。在无线通讯协议体系中，IEEE802.1

14、5.4是其中一种新兴的协议规范，因其优越性，它获得了快速的开展。它确定了低速个人局域网规范，定义了物理层 (PHY)和媒体接入控制层 (MAC)。2003年，ZigBee联盟在物理层和媒体接入控制层的根底上对网络层和运用层进展了详细定义，为用户提供了大量的API函数，从而构成了完好的ZigBee协议。ZigBee技术作为一种新兴的低本钱、低功耗、低速率的短间隔无线通讯技术，它的独特技术特点使得其成为WSN中的理想通讯技术选择。三.Zigbee无线定位简介 节点定位根本原理在三维空间中，知道了1个点到4个知参考点的间隔，就可以确定该点的坐标，这一点与全球定位系统(GPS)的根本原理一样。只不过在

15、无线传感器网络中，坐标系是二维空间也不需求时钟同步，因此，只需知道了1个节点到3个参考节点的间隔就可以确定节点的位置。假设3个参考节点的坐标分别为(x1，y1、(x2，y2)、(x3，y3)，待定位节点的坐标是(xu，yu)，该节点到3个参考节点的间隔分别是rl、r2、r3，根据二维空间间隔计算公式，可以获得方程组，解此方程组即可算出坐标。 Zigbee无线定位技术是基于RSS(接纳信号强度实现定位的，即接纳信号强度大小与间隔的关系如下式：其中Gt和Gr分别是发送设备和接纳设备的增益。是波长，d是接纳机和发射机之间的间隔。经过接纳信号强度大小可以计算出定位节点和参考节点的间隔。2)4(PrdG

16、rGtPt 硬件设计定位节点硬件设计框架如下图。硬件电路设计包括两部分:无线通讯模块设计和辅助功能模块设计。无线通讯模块为节点间的无线数据收发接口，它是节点中心部分。辅助功能模块完成定位形状指示、供电、串口通讯等辅助功能，它经过RS232串口转换电路实现PC机与协调器节点间的数据传输。为了降低开发本钱，硬件平台没有按节点功能分别单独设计，而是将一切功能放在了一个平台上。硬件组成图本课题的Zigbee无线通讯芯片采用的是TI公司消费的cc2430/cc2431。cc2430/cc2431是一颗真正的系统芯片 (SOC)CMOS处理方案。这种处理方案可以提高性能并满足以ZigBee为根底的2.4G

17、Hz波段运用对低本钱，低功耗的要求。它结合一个高性能 2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器中心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。其中cc2431是由cc2430加上无线电定位引擎组成。cc2430芯片延用了以往cc2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它运用1个8位MCU(8051)，具有 128KB可编程闪存和 8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器、 AES128协同处置器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠方式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18微米CM

18、OS工艺消费，任务时的电流损耗为 27mA;在接纳和发射方式下，电流损耗分别低于 27mA或 25mA。cc2430的休眠方式和转换到自动方式的超短时间的特性，特别适宜那些要求电池寿命非常长的运用。四.当前研讨任务简介SampleApp实验 SampleApp实验景象：协调器：上电运转，地址检测，经过之后进展通道扫描，此时红灯闪烁，一旦协调器胜利建立网络，此时红灯停顿闪烁，红灯变为常亮。此时液晶上会有相应指示：路由器/终端：上电运转，依然是地址检测，之后就是通道扫描寻求能否有存在的网络，一旦检测到存在网络并胜利参与该网络，此时红灯点亮，也就阐明路由器胜利参与了网络。此时液晶同样会有相应指示：之

19、后按下协调器 UP，路由器的绿灯闪几下；按下路由器的 UP，那么协调器的绿灯也会闪几下；假设有更多的节点，同样类似，只需是该设备的节点就能接纳到闪烁小灯的信息。假设按一下协调器的 RIGHT，再按下路由器的 UP，此时协调器就没有反响，阐明协调器曾经退出组1；但是再按下协调器RIGHT，在按路由器的 UP就与上一步类似了。路由器与此类似可以经过 RIGHT 退出/参与组 1。 内部函数简介主函数为ZSEG int main()，根本上都是初始化函数，其中有几个重要函数，例如osal_start_system()，它的功能是进入操作系统；zmain_ext_addr()，它的功能是初始化64位扩

20、展地址，即检测 FLASH 中的物理地址，由于这个地址在 FLASH中是固定的存储空间，一旦为有效地址就退出函数，一旦为无效地0 xFFFFFFFFFFFFFFFF,那么就对其物理地址进展简单的初始化并检测按键。初始化义务函数 SampleApp_Init()，SampleApp_TaskID = task_id， 初始化运用建立的义务 ID 号，不同的义务对应不同的ID号；SampleApp_NwkState = DEV_INIT，初始化运用设备的网络形状，一旦网络设备形状发生变化就会引发相应的义务函数。事件处置函数SampleApp_ProcessEvent()，一旦 SampleApp_

21、TaskID义务的某个OSAL 事件发生，那么就可以经过调用该函数来处置。在SampleApp_ProcessEvent()中有一个事件处置循环，循环检测是哪个事件发生，部分程序如下：if ( events & SYS_EVENT_MSG ) MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID ); while ( MSGpkt ) switch ( MSGpkt-hdr.event ) 可以看到是经过检测 SYS_EVENT_MSG 能否有事件信息发生。 switch ( MSGpkt-hdr.ev

22、ent ) ，这里是判别 SYS_EVENT_MSG 事件类型，不同的 SYS_EVENT_MSG 类型需求不同的处置。 比如发生按键事件：case KEY_CHANGE，就会调用按键处置函数SampleApp_HandleKeys( ); 地址方式typedef enum afAddrNotPresent = AddrNotPresent, afAddr16Bit = Addr16Bit, afAddrGroup = AddrGroup, afAddrBroadcast = AddrBroadcast afAddrMode_t; 单点传输，这是规范地址方式，被用于发送一个数据包到网络中单个知地址的设备。这个addrMode 参数被设置为 Addr16Bit，目的网络地址在数据包中一同被发送。 间接传输，数