基于ZigBee技术的无线定位系统的研究与实现--《河南理工大学》2011年硕士论文
基于ZigBee技术的无线定位系统的研究与实现
【摘要】：随着无线通信技术的不断成熟和快速发展，人们对无线定位服务的需求与日俱增。全球定位系统GPS良好的定位精度解决了许多军事和民用的实际问题，已经成为室外环境非常成功的定位技术。但是当需要进行定位的物体位于建筑内部时，由于信号受到建筑的干扰而大大衰减，导致定位精度明显下降，不适合在室内环境中使用。因此，有必要研究新的定位技术来弥补GPS的不足。
本文首先对无线传感器网络定位技术的研究背景、国内外研究现状进行了介绍，综述了无线传感器网络定位技术的相关理论知识，并把基于RSSI的无线传感器网络定位算法作为研究的重点。在此基础之上，深入研究了ZigBee无线通信技术和IEEE802.15.4通信协议，然后根据低功耗、低成本和高灵活度的要求，采用CC2430／CC2431芯片并结合计算机技术、嵌入式技术搭建硬件和软件平台，组成一个基于ZigBee无线通信技术的室内无线定位系统，能够对移动目标进行准确的定位，定位精度能达到0.5米，误差小于4米。通过测试与分析得出了实验结论：基于RSSI的ZigBee无线定位系统的定位精确度不仅与系统信号强度参数（A-RSSI距离发送器1米测量值，N-信号传播系数）有关，并且与参考节点的数量和位置有关。同时本文在ZigBee二维无线定位系统基础上对三维定位算法进行了探索研究。最后分析了目前存在的问题以及下一步的工作方向。
【关键词】：
【学位授予单位】：河南理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TN929.5【目录】：
致谢4-5摘要5-6ABSTRACT6-101 引言10-14 1.1 课题学术背景与研究意义10 1.2 短距离无线通信技术简介10-12 1.3 无线定位系统国内外研究现状12-13 1.4 论文内容与安排13-142 ZigBee 技术概述14-32 2.1 ZigBee 技术简介14-15
2.1.1 ZigBee的起源14
2.1.2 ZigBee的特点14-15
2.1.3 ZigBee技术应用15 2.2 ZigBee 网络设备与拓扑结构15-22
2.2.1 星状网络拓扑16-17
2.2.2 对等网络拓扑17-19
2.2.3 神经网络19-22 2.3 ZigBee 基本协议栈研究22-30
2.3.1 协议的架构23-24
2.3.2 物理层24-26
2.3.3 MAC 层26-28
2.3.4 网络层28-29
2.3.5 应用层29-30 2.4 本章小结30-323 无线定位技术的研究与分析32-42 3.1 定位技术的基本概念32 3.2 基于距离的定位算法32-34
3.2.1 基于 TOA 的算法32
3.2.2 基于 TDOA 的算法32-33
3.2.3 基于 AOA 的算法33-34
3.2.4 基于 RSSI 的算法34 3.3 距离无关的定位算法34-36
3.3.1 质心算法34-35
3.3.2 基于 DV-Hop 的算法35
3.3.3 基于 Amorphous 的定位算法35-36 3.4 节点定位基本计算方法36-39
3.4.1 三边测量法36-37
3.4.2 三角测量法37
3.4.3 极大似然估计法37-39 3.5 定位性能评价的标准39-40 3.6 本章小结40-424 基于 ZigBee 技术的无线定位系统设计42-56 4.1 无线定位系统总体设计方案42-44 4.2 无线定位系统的组成44-49
4.2.1 CC 射频芯片44-45
4.2.2 主机45-46
4.2.3 网关46-48
4.2.4 参考节点48
4.2.5 定位节点48-49 4.3 CC2431 无线定位原理49-54 4.4 本章小结54-565 无线定位系统测试与分析56-72 5.1 定位系统开发环境和调试工具56-58 5.2 实验参数的设定和分析58-62
5.2.1 距离对误差影响的因素58-59
5.2.2 参考节点的放置59
5.2.3 A-RSSI 距离发送器 1 米测量值59-61
5.2.4 N-信号传播系数61-62 5.3 无线定位系统实验测试62-65 5.4 三维定位算法探索研究65-69 5.5 本章小结69-726 总结与展望72-74 6.1 工作总结72 6.2 展望72-74参考文献74-78附录78-82作者简历82-84学位论文数据集84
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32基于ZigBee技术的室内无线定位研究-2
第一章绪论；１．１引言；随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与；无线定位技术和方案很多，常用的定位技术包括红外线；ＧＰＳ［１１】是目前应用最为广泛的定位技术；利用ＧＰＳ进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且；基于ＲＦ的室内定位技术【１２】，由于ＲＦ信号相对；按照测量所采用的技术分类：；１ＲＳＳ；基于接收信号强度（ｒｅｃｅｉｖｅｓｉｇｎａｌｓｔ；２Ｔ
第一章绪论１．１引言随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案【１～Ｏｌ，如Ａ－ＧＰＳ定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即ＧＮＳＳ技术（如伪卫星等），无线定位技术（无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等），其它定位技术（计算机视觉、航位推算等），以及ＧＮＳＳ和无线定位组合的定位技术（Ａ－ＧＰＳ或Ａ―ＧＮＳＳ）。无线定位技术和方案很多，常用的定位技术包括红外线、超声波、射频信号等，但都不适合室内定位。红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；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；而射频信号普遍用在室外定位系统中，应用于室内定位存在局限。ＧＰＳ［１１】是目前应用最为广泛的定位技术。当ＧＰＳ接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，Ａ－ＧＰＳ技术为这个问题的解决提供了可能性。室内ＧＰＳ技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时也有助于实现快速定位。不过这样大大提高了ＧＰＳ在室内定位的成本。利用ＧＰＳ进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。下面就介绍几种新兴的无线通信技术在无线定位方面的发展情况。基于ＲＦ的室内定位技术【１２】，由于ＲＦ信号相对ＧＰＳ，更容易穿透常见的建筑材料，因此ＲＦ在建筑物内的环境下更适合用于室内定位。在建筑物内建立一个ＲＦ网络，这个网络由很过个相互通信的ＲＦ节点组成，并且通过测量接收信号功率（ＲＳＳ）、信号到达时问延迟（ＴｏＡ）、信号到达时间差（ＴＤｏＡ）或者到达角度（ＡＯＡ）等来进行定位【”】。利用ＲＦ技术实现室内定位具有灵活度高、成本低，针对性强等特点，已成为优先考虑的室内定位技术。使用这种定位技术实现的室内定位系统可以在毫秒级别时间内得到米级甚至厘米级别定位精度的信息，其传输范围很大，成本也不高，因此本文所设计的定位系统就采用基于黔的室内定位技术。按照测量所采用的技术分类：１ＲＳＳ基于接收信号强度（ｒｅｃｅｉｖｅｓｉｇｎａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ，ＲＳＳ）的测距是一种低成本的测距技术，也是本文无线定位系统测距算法的基础。接收节点根据收到薛已知信号酶信号强度，计算信号在传播过程中的损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。在复杂环境下，无线信号的适应能力比较弱，所以这种测距方式的精确度不高。但是很多无线通信模块都可以直接提供ＲＳＳＩ值，而且其需要的硬件设备较少。因此，基于ＲＳＳＩ的测距方法还是被广泛应瘸的。２ＴＯＡ基于到达时间（ｔｉｍｅｏｆａｒｒｉｖａｌ，ＴＯＡ）的测距技术是利用发射的信号在空气中的传播速度来确定发射器和接收器之闻的距离，其优点是准确性高。但是ＴＯＡ要求发射器和接收器有精确的时间同步，对硬件要求比较高。３ＴＤＯＡ基于时间差（ｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｎａｒｒｉｖａｌ，ＴＤＱ柚的测距技术一般是在节点上安装超声波和无线电信号收发器，发射端同时发射２种信号，在接收端记录其到达时闻的差异。利用超声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异把时间转化为距离。该技术的测距精度可达至ｌＪｃｍ级，但也需要精确的时间同步，而且使用超声波测量需要额外的硬件，增老蠢了成本。４ＡＯＡ基于到达角度（ａｎｇｌｅｏｆａｒｒｉｖａｌ，ＡＯＡ）的测距技术是接收器通过方向性天线或阵列天线，获取终端发射的无线电波信号角度信息，从而构成一根从接收器到发射器的方位线，２根方链线的交点即为泰知节点的位置。ＡＯＡ技术的缺点是易受外界环境的影响，而且需要特殊的硬件支持。．１。２赫兴的几种无线通信技术介绍１．２．１蓝牙技术“蓝牙＂的英文为Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王ＨａｒａｌｄＢｌａｔａｎｄ，Ｂｌａｔａｎｄ在英文里的意思可以被解释为Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（蓝牙），实际上是一种短距离无线电技术。这项技术诞生于１９９４年，Ｅｒｉｃｓｓｏｎ当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件闯的透信。该技术还陆续获得Ｐｅ行业业界巨头的支持。１９９８年，蓝牙技术协议由Ｅｒｉｃｓｓｏｎ、ＩＢＭ、Ｉｎｔｅｌ、ＮＯＫＩＡ、Ｔｏｓｈｉｂａ等五家公司达成一致。蓝牙技术是近几年广受业界关注的近距离无线连接技术。蓝牙是一种以无线形式进行数据和语音通信的全球标准，实际上就是在固定设备或移动设备之间构建一个短距离无线通信接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，让各种设备在无线的环境下，能在近距离范围内实现相互通信。其传输频段为全球公众通用的２．４ＧＨｚ频段，提供１Ｍｂｐｓ的传输速率和ｌＯｍ的传输距离。蓝牙协议的标准版本为８０２．１５．１，由蓝牙小组（ＳＩＧ）负责开发。８０２．１５．１的最初标准基于１．１实现，后者以构建到现行很多蓝牙设备中。新版８０２．１５．１ａ基于等同于蓝牙１．２标准，具备一定的Ｑｏｓ特性，并完整保持后项兼容性。但蓝牙技术发展遭遇最大的瓶颈就在于价格过高。突出表现在，芯片比较大和价格居高不下、抗干扰能力不强、传输距离过短、安全性不高等等。这就是为什么在这种这种无线设备上，很多客户不愿花大价钱来购买的原因，因此专家认为蓝牙的未来取决于价格以及基于蓝牙应用的普及程度。１１４】１１５】【１６１１．２．３ＩＳＭＮＦＣ技术ＦｉｅｌｄＮＦＣ（ＮｅａｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ近距离传输）是由Ｐｈｉｌｉｐｓ、ＮＯＫＩＡ和Ｓｏｎｙ主推的一种类似于ＲＦＩＤ（非接触式射频识别）的短距离无线通信技术标准。和ＲＦＩＤ不同，ＮＦＣ采用了双向的识别和连接。在２０ｃｍ距离内工作与１３．５６ＭＨｚ频率范围。ＮＦＣ最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，微蜂窝设备、蓝牙设备、Ｗｉ―Ｆｉ设备提供一个“虚拟连接＂，是电子设备可以在短短距离范围进行通讯。ＮＦＣ的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚，不用再听到各种电子杂音。ＮＦＣ通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。有了ＮＦＣ，多个设备如数码相机、机顶盒、ＰＤＡ、电脑，手机之间的无线互连，彼此交换数据或服务都将有可能实现。此外ＮＦＣ还可以将其它类型无线通讯（如Ｗｉ―Ｆｉ和蓝牙）“加速＂，实现更快和更远距离的传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单，而ＮＦＣ可以创建快速安全的连接，而无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通信标准不同的是，ＮＦＣ的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。同样，构建Ｗｉ―Ｆｉ家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和其它设备。除此之外，还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而ＮＦＣ被置入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，必配置ｗｉ―Ｆｉ连接容易的多。ＮＦＣ有三种应用类型：一、设备连接。除了无线局域网，ＮＦＣ也可以简化蓝牙连接。比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Ｗｉ－Ｆｉ热点即可实现。二、实时预定。比如海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含ＮＦＣ协议的手机或ＰＤＡ，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。而且这些芯片无需独立能源。三、移动商务。飞利浦Ｍｉｆａｒｅ技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Ｖｉｓａ卡等各种服务。索尼的ＦｅｌｉＣａ非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常的高，主要应用在交通及金融机构。总之，这顼新技零正在改写无线网络连接的游戏规则，僵是它的霉标不是完全取代蓝牙、Ｗｉ－Ｆｉ等无线技术，而是在不同场合、不同的领域起到互相补充的作用。所以如今后来居上的ＮＦＣ发展势态相当迅速。【１４Ｊ１．２。毒ＺｉｇＢｅｅ技术ＺｉｇＢｅｅ是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ＺｉｇＢｅｅ名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，密封通过跳ＺｉｇＢｅｅ形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。ＺｉｇＢｅｅ联盟成立于２００１年８月。２００２年下半年，Ｉｎｖｅｎｓｙｓ、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ、以及ｐｈｉｌｉｐｓ半导体公司圆大巨头共同宣布加盟ＺｉｇＢｅｅ联盟，以研发名为ＺｉｇＢｅｅ的下一代无线逶信标准。到尽前为止，该联盟大约已有２７家成员企业。所有这些公司都参加了负责开发ＺｉｇＢｅｅ物理和媒体控制层技术标准的ＩＥＥＥ８０２．１５．４工作组。ＺｉｇＢｅｅ联盟负责制作网络层以上协议。目前，标准制定工作已完成。ＺｉｇＢｅｅ协议比蓝牙、高速率个人区域网络或８０２．１ｌｘ无线局域网更简单使用。ＺｉｇＢｅｅ可以说是蓝牙的同族咒弟，它使用２．４ＧＨｚ波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ＺｉｇＢｅｅ更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是２５０ｋｂ／ｓ，当降低到２８０ｋｂ／ｓ时，传输范围可扩大到１３４ｍ，并获得更高的可靠性。另外，它可与２５４个节点联网。可以比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、仪器和无人枧通信自动优应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、无入机通信监控、安全系统和玩具等领域拓展ＺｉｇＢｅｅ的应用。根据ＺｉｇＢｅｅ联盟目前的设想，ＺｉｇＢｅｅ的圈标市场主要有Ｐｃ外设（鼠标、键盘、游戏操控杼）、消费类电子设备（ＴＶ、ＶＣＲ、ＣＤ、ＶＣＤ、ＤＶＤ等设备上的遥控装置）、无人机通信内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。‘１４Ｊ【１６】【１７ｌ｛。２。５ｌ／ｆｉＢ技术超宽带技术ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａｗｉｄｅｂａｎｄ）是一种无线载波通信技术，他不采用正弦载波，而是利用纳秒级的菲正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。潲可在菲常宽的带宽上传输信号，美国ＦＣＣ对潞Ｂ的规定为：在３．量’１０．６ＧＨｚ频段中占用５００Ｍｔｔｚ以上的带宽。由于ＵＷＢ可以利用低功耗、低复杂度发射／接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据丽不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于嘲技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。ＵＷＢ技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高，尤其适用于室内等密集多经场所得高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域嬲或无线个域霹（ＷＰＡＮ）。ＵＷＢ主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大予ｌＯＯＭｂ／ｓ）的ＬＡＮｓ或ＰＡＮｓ。ＵＷＢ最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网（ＰＡＮｓ）。现有的无线通信方式，８０２。ｌｌｂ和蓝牙的速率都太慢，不适合传输视频数据；５４Ｍｂ／ｓ速率的８０２．１１ａ标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而ＵＷＢ有可能在ｌＯｍ范围内，支持高达１ｌＯｉｂ／ｓ的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济的完成视频数据处理。ＵＷＢ尤其适合近距离内高速传送大量所媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术，应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等无人机通信场合。当然，ＵＷＢ未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习擐和市场成熟度等多方面的因素。１１４ｌ【１８１．Ｉ．２．６Ｗｉ－Ｆｉ技术Ｗｉ－Ｆｉ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｄｅｌｉｔｙ）无线保真技术与蓝牙技术～样，同属于在办公室和无入机通信中使用的短距离无线技术。该技术使用的使２。４ＧＨｚ附近的频段，该频段麓前尚属没用许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个，分别是ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ和ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ。该技术由于有着自身的优点，因此受到厂商的青睐。其一，磷主书ｉ无线电波的通信距离大，基予蓝牙技术的电波逶信距离非常小，通信距离大约只有１５米左右，而鬻ｉ～Ｆｉ的通信距离则可达１００米左右，小的室内环境Ｗｉ―Ｆｉ基站可以轻松覆盖，甚至可以覆盖整栋大厦。最近，由Ｖｉｖａｔｏ公司推出一款新型交换机能够把目前ｗｉ―Ｆｉ无线网络３００英尺接近１００米的通信距离扩大到４英里约６．５公里。其叠，Ｗｉ―Ｆｉ技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到ｌｌｍｂｐｓ，能够满足大多数个人和社会信息化的要求。其三，Ｗｉ－Ｆｉ技术的成本不是很高，有利于很多厂商进入这个领域。厂商只要在人员较密集的地方设置Ｗｉ―Ｆｉ基站，比如候机厅、候车室、咖啡店、图书馆、餐厅等，并且在这些地方接入高速因特网。这样，用户只要将支持无线局域网的笔记本电脑或ＰＤＡ带入该区域内，裁可以逶过Ｗｉ－Ｆｉ基站的无线信号连接到有线嬲络，邸可高速接入因特网。这样厂家不用耗费很多资金来进行大规模无线网络建设，从丽节省了大量的包含各类专业文献、外语学习资料、高等教育、行业资料、各类资格考试、应用写作文书、文学作品欣赏、幼儿教育、小学教育、中学教育、32基于ZigBee技术的室内无线定位研究等内容。　
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