本科毕业设计基于ZigBee的无线定位系统的设计.docx

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本科毕业设计基于ZigBee的无线定位系统的设计

学士学位论文

题目名称：

基于ZigBee的无线定位系统的设计

学生姓名：

院系：

信息技术学院

专业年级：

电子信息科学与技术06级

指导教师：

职称：

讲师

2010年5月23日

基于ZigBee的无线定位系统的设计

姓名：

朱艳辉

专业：

电子信息科学与技术

指导教师：

宫鹤

摘要：

基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术是一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术。

随着Zighee技术越来越多地被用于家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化和医疗护理等应用领域,基于ZigBee网络的实时定位问题正日益受到关注。

本论文主要研究了基于ZigBee网络的无线定位技术，讨论了基于RSSI定位算法的无线传感器网络定位机制,并在此基础上设计了一种低成本、实用的，针对室内环境的无线定位系统。

该系统包括硬件平台、节点通信程序和上位机监测软件三部分。

其中，硬件平台以集成了射频与51微控制器的CC2430/CC2431芯片为核心，该平台包括射频模块、辅助电路、功能指示电路等。

实际节点可以根据其类型特点，选取硬件电路的不同部分加以实现。

节点通信程序的开发以TI公司提供的Z-Stack协议栈为基础，论文介绍了节点间通信流程，给出了各类节点详尽的通信实现方法。

在IAREmbeddedWorkbench（EW）环境中编写了上位机监测软件，论文给出了详细的软件实现方案。

关键字：

ZigBee技术；无线定位；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack

TheDesignoftheWirelessLocationSystembasedonZigBee

Name:

ZhuYanhui

Major:

ElectronicInformationScienceandTechnology

Tutor:

GongHe

Abstract:

ZigBeetechnology,basedontheIEEE802.15.4protocol,isanewlydevelopedshortrangewirelesscommunicationtechnologywiththemeritsoflowcost、lowpowerconsumptionatcomparablelowerdatarate.WhiletheZigBeetechnologyismoreandmorefrequentlyadoptedinapplicationareaslikehomeautomation,telemeterandremotecontrol,mobileautomation,medicaltreatmentandsoon,thereal-timelocalizationintheZigBeenetworkbecomesahottopicrecently.

Thisthesis,aimingatZigBeenetwork,investigatesthewirelesslocation,DiscussionofRSSI-basedlocationalgorithmforwirelesssensornetworkpositioningmechanismandonthisbasis,designsalow-costandpracticalforindoorwirelesspositioningsystem.Thispaperachievesalocationsystem，threepartsareincluded.Theyarehardwareplatform,communicationprogramofnodesandPCmonitorsoftware.ThecoreofhardwareplatformisCC2430whichisintegratedbyRFand51MCU,thelocalizationnodesaredesignedandmade.ItincludesRFmodule,auxiliarymoduleandfunctionindicationcircuits.Inactualapplications,Basedonthefunctiondifferencesofnodes,differentpartsofthehardwareplatformcanbeselectedtoachievecorrespondingfunctions.TheexploitationofnodecommunicationprogramisbasedonZ-StackprotocolstackwhichisprovidedbyTI,Thepaperintroducesthenodescommunicationflowelaborate.Theachievementwaysofdifferentkindsofnodesaregiven.InIAREmbeddedWorkbench（EW）circumstance,thePCmonitorsoftwareiscompiled,elaboratesoftwaresolutionisproposedinthispaper.

Keywords:

ZigBee；WirelessLocation；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack

1前言

近年来,随着技术的进步,低功耗多功能的无线传感器网（WSN,WrielessSensorNetwork）也随之应运而生[1]。

无线传感器网络可以无处不在,能够广泛应用于军事、医院、地下煤矿、智能家居、大型车间和仓库管理等领域。

无线传感器网络不断进行数据信息的采集,其中位置信息是不可或缺的一部分,如在战场侦察、地下煤矿、火灾等现场的监控应用中，都需要知道传感器节点的位置信息人们对无线定位的需求与日俱增,尽管全球定位系统GPS导航逐渐深入到人们的日常生活中,具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点,但GPS设备通常能耗高、体积大、成本高，更适应于无遮挡的室外环境。

在一些特定环境中（如室内、水下,地下煤矿等）,GPS会由于接收不到卫星信号而失效;另一方面,在多数先线传感器网络应用中,要求传感器节点小巧,在这样的情况下,GPS就显得无能为力了。

总得来讲,GPS定位不适合在室内环境中使用。

基于ZigBee无线传感器网络的出现为室外或室内的无线定位注入了新的活力,其综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理等技术,具有灵活、成本低、易于布置等特性,能方便准确的采集各类信息。

近年来,越来越多的企业和研究单位开始关注这种短距离无线通信技术,也带动了室内定位技术的发展。

在所有的定位实现中,室内空间由于其环境的复杂性,一直是定位系统实现的一个难点。

现今,成熟的室内定位系统仍然比较少、而且多存在成本偏高的缺陷,不利于大范围广泛应用。

本文试图利用ZigBee技术实现一种较低成本、较低复杂度的室内定位系统。

1.1国内外无线定位研究现状

1992年,A&T（LaboratoriesCambridge）开发出最早的室内定位跟踪系统ActiveBadge,它利用红外线技术实现室内定位,但由于红外方向性强、距离短等弊端，定位精度不高，之后经过许多专家学者的努力又开发出更多的定位系统和算法,代表成果有ActiveBat、RADAR（RadioDetectionandRanging）、SpotON和Cricket等

ActiveBat室内定位系统由剑桥大学AT&T实验室开发,基于室内超声波/无线射频定位技术,采用TOA（TimeofArrival）技术的三角定位法。

它比ActiveBadge定位精度要高,但它使用有线网络，对网络节点的依赖性较强,且系统的扩展性受到很大限制。

RADAR室内定位系统由Microsoft公司开发，其基于IEEE802.11WLAN室内无线射频定位系统,属于信号传播模型与经验测试相结合的场景法定位系统。

其显著特点为采用无线网络,易于安装，需要基站少,应用中要考虑节点的能耗和大小等问题。

SpotON室内定位系统基于射频识别技术（RFID）,用聚合算法对三维空间进行定位。

目前,还没有建成完整的SpotON系统。

Cricket室内定位系统由麻省理工学院开发,是超声波定位的典型例子,相比于ActiveBadge和ActiveBat,它采用超声波时延信号进行定位,定位精度较高,但由于该系统需要同时发射射频和超声波信号,因此需要较高的底层硬件设施投资,且系统功耗较大。

近年来,由TI公司和摩托罗拉公司共同研发的CC2431无线定位芯片也值得我们关注，CC2431是一个带硬件定位引擎的芯片，能满足低功耗，符合ZigBee/IEEE802.巧.14无线传感器网络的应用需要。

它不需要如GPS定位技术那样使用卫星定位，而是采用CC2431芯片组成的无线网状网络实现较高的定位分辨率和定位精度。

CC2431定位引擎原理基于接收信号强度指示RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）技术，根据接收信号强度和己知参考节点的位置计算出移动节点的位置，然后将位置信息发送给接收端。

目前，室内定位技术在国内还没有形成规模，主要集中在科研单位和学校，大部分的研究还停留在对算法的研究及优化上，大多从事的无线室内定位还只是停留在室内仿真阶段，没有形成完整的体系。

经过近年来的努力，国内外学者在无线传感器网络定位算法的研究中取得了较大进步，但还是出现一些问题，譬如:

更加精确的测距方法、在大规模传感器网络定位过程中存在的误差累积问题、对移动节点定位算法的研究等。

现有的定位算法大都在能耗、成本和精度等方面做了折中考虑，由于各种应用差别的存在，适用于各种场所的定位算法也就成为空谈，因此要针对不同的应用场合，结合节点的规模、成本以及系统对定位精度的要求等多方面的考虑，来选择最适当的定位算法。

目前存在两种ZigBee定位解决方案。

（l）基于CC2431片上系统的单芯片定位方案CC2431在CC2430基础之上增加了基于RSSI的硬件定位引擎，通过输入环境信息以及参考节点的坐标信息，即可输出未知节点的坐标，在典型应用中可以实现3-5m的精确定位。

但由于其定位算法由硬件物理完成，导致基于CC2431的定位系统灵活性较差。

（2）CC2430/（MCU+CC2420）+定位算法。

利用CC2430实现网络中节点的信息传输，将定位方法嵌入芯片内部或在上位机集中处理，其定位算法可以灵活选择，本文就是使用CC243O芯片进行定位实现的。

1.2无线传感器网络及其定位存在问题

今天，世界正大踏步地从网络时代向无线互联网时代迈进。

新兴的无线网络技术，如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等在办公室、家庭、工厂等各方面都得到了广泛应用。

根据投资银行Rutberg公司、国际数据公司和无线数据研究集团等的预测，无线网络新技术将在未来的3年内达到几百亿甚至上千亿美元的营业收入，而无线定位技术的应用将占有其中超出上百亿美元的份额。

无线网络技术在为世界经济带来巨额财富的同时，也为无线定位技术的发展注入了新的活力。

无线网络定位技术具有广阔的发展前景，在这些技术当中，虽然Bluetooth、UWB等都取得了一定的成效，但ZigBee技术在功耗、成本上都有着得天独厚的优越性，并逐渐崭露头角，显示其雄厚的发展潜力，因此，ZigBee无线传感器网络技术在未来无线定位方面具有良好的发展前景

近10年来，对无线传感器网络自身定位的研究登上了一个新的台阶，取得了一些可喜的研究成果，特别是进入21世纪后，提出了许多新颖的定位思想和方案，并解决了一些无线传感器网络的自身定位问题。

但是，每一种系统和定位方法都是针对不同问题所产生的，之间的交集较少，还需要我们不断努力去探索。

总的来说，如今的无线定位技术仍存在下列一些问题:

（l）缺乏比较精确的测距方法。

（2）定位的实时性较低。

（3）存在误差现象，在大规模定位节点较多的情况下，误差将被放大。

（4）传感器节点受距离、能量的限制，需要在算法复杂度与能量耗费之间寻求一种合理的折中算法。

（5）现今的定位研究大都是基于静态节点的研究，对于移动节点的定位研究较少。

（6）目前的定位方法一般是基于二维平面的研究，应深入到三维或多维空间方向。

1.3设计思路及目标

本论文对比国内外室内定位跟踪系统，对IEEE802.15.4/ZigBee网络环境下的室内移动目标定位进行研究，提出基于ZigBee技术的室内定位系统设计框架。

课题研究希望所设计的室内定位系统具有下面几个方面的特点：

（1）较高的定位精度：

针对通常情况下对室内人员或者物品定位所需要的精度要求，本系统的定位精度设计预期达到1.5m左右。

（2）较低的系统成本：

设计的定位系统的总成本希望普通个人用户都有能力使用该系统。

（3）实时性方面：

设计的定位系统能够满足目标在室内不停移动（诸如人员走动、汽车缓慢驶入驶出车库）情况下的实时性要求。

（4）较低的系统功耗：

系统采用电池供电情况下预期可以工作半年以上

2设计方案论证

GPS等卫星导航定位技术广泛应用于各种领域。

然而在室内、地下等场合的定位需求却有其局限性。

近几年来，随着IEEE802．15．4商业标准的逐渐完善，无线传感器网络（WSN）的相关技术开始被广泛讨论和研究。

随着，TI公司提出带硬件定位引擎的片上系统（SoC）解决方案CC2430/CC2431。

以及WSN用于无线定位技术被广泛研究，该器件能满足低功耗ZigBee／IEEE802．15．4无线传感器网络的应用需要，CC2431的定位引擎基于接收信号强度指示RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）技术，相比于集中型定位系统，RSSI功能降低网络流量与通信延迟，在典型应用中可实现3～5m的定位精度和0.25m的分辨率。

本设计基于RSSI定位技术，详细介绍基于ZigBee技术的射频芯片CC2430/CC2431无线定位系统的构成、定位原理，并实现了基于CC2430/CC2431无线定位系统的设计。

（1）芯片选择

 CC2430/CC2431以强大的IAR集成开发环境为支持，结合ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示领先的ZigBee解决方案，其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线传感器网络等领域，同时也适用于ZigBee之外的2．4GHz频率的其他设备。

CC2431的定位引擎基于RSSI技术．根据接收信号强度与已知参考节点位置准确计算出有关节点位置。

然后将位置信息发送至接收端。

（2）RSSI定位技术

   RSSI是指节点接收到的无线信号强度大小。

在基于RSSI的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗。

利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离．再利用合适的算法（如：

三角定位法等）计算出节点的位置。

该技术硬件要求较低、算法相对简单，并且一些通信协议中已携带有RSSI的信息，这样使得基于RSSI定位方法具有广泛的应用前景[2]。

该技术在实验室环境中表现出良好特性，但由于环境因素变化等原因．实际应用中还需进一步改进。

（3）基于CC2430/CC2431的定位系统

   定位系统由参考节点和定位节点组成。

参考节点是一个位于已知位置的静态节点，该节点确知自身的位置并可将其位置通过发送数据包通知其他参考节点。

定位节点从参考节点处接收数据包信号，获得参考节点位置坐标及相应的RSSI值并将其送入定位引擎，然后读出由定位引擎计算得到的自身位置。

由参考节点发送给定位节点的数据包至少包含参考节点的坐标参数水平位置X和垂直位置Y。

而RSSI值可由接收节点计算获得。

图2-1为具体定位系统原理框图。

图2-1定位系统原理框图

Figure2-1DiagramofPositioningSystemBlock

该定位系统原理框图中各部分的作用如下

（1）主机。

采用一台普通的PC，主机连接网关实现对整个网络的工作调度，编写的定位软件可实时观察各个定位节点和参考节点的运行情况。

（2）网关。

该网关用于组建一个ZigBeeWSN网络，并充当协调器，把定位节点坐标及外部环境参数传送给主机。

   （3）参考节点。

在网络中充当路由器的角色。

而且在定位系统中，它由用户指定固定坐标，并为定位节点提供该坐标和RSSI平均值。

参考节点（referencenode）是一种已知静态节点，其坐标（x，y）是固定的，并且不参与定位计算，可由CC2430或CC2431器件实现。

一个定位区域通常由8个参考节点组成。

系统至少需要3～4个参考节点才能进行定位。

本文采用CC2430作为参考节点来实现。

   （4）定位节点。

其内部具有定位引擎，能够根据参考节点提供的同定坐标和RSSI平均值计算出自身的精确位置（坐标），并把该坐标协同定位节点标识号发送给网关。

本文中核心器件采用CC2431实现。

定位工作流程

   定位节点（blindnode）是一类可移动的节点，可在参考节点包围的区域内任意移动。

定位节点接收区域内所有参考节点的RSSI值后，通过定位算法来计算其坐标位置。

定位节点由CC2431器件实现。

采用该器件，可实现0.25m的定位分辨率和3m左右的定位精度，定位时间小于40μs。

图2-2为定位节点工作流程图，图2-3是参考节点工作流程图。

图2-2定位节点工作流程

Figure2-2Theworkflowofpositioningnodes

图2-3参考节点工作流程

Figure2-3TheWorkflowofreferencenodes

3ZigBee技术及协议栈概述

3.1ZigBee技术简介

3.1.1ZigBee发展概述

近十年来，随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距离无线通信技术。

为了满足对低功率、低价格无线网络的需求，2000年12月，IEEE标准委员会正式批准成立了802.15.4工作组，其目标是:

在廉价的、固定或便携的、移动的装置中，提出一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输率的无线接入标准。

也就是要开发一种低速率的WPAN（LR-WPAN,Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork）标准。

2002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等公司共同宣布组成ZigBee技术联盟，共同研究开发ZigBee技术。

2003年11月，IEEE正式发布了该项技术的物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEESOZ.15.4协议标准，作为ZigBee技术物理层和媒体接入层的标准协议.2004年12月，ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议基础上，正式发布了完整的ZigBee标准。

2006年IEEE发布了IEEE802.15.4协议标准修订版。

3.1.2ZigBee技术特点

IEEE802.15.4委员会制定了三种不同的WPAN（WirelessPersonalAreaNetwork）标准，区别在于通信速率、QOS能力等。

802.15.1标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到PDA的通信，其QOS机制适合于话音业务。

802.15.3标准是高速率的WPAN标准，适合于多媒体应用，有较高的QoS保证。

802.15.4标准也就是ZigBee技术，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和QOS的要求不高[3]。

ZigBee的主要技术特征如表3-1所示。

表3-1ZigBee的主要技术指标

Table3-1ThemajortechnicalindicatorsofZigBee

特性

取值/状态

频段

数据速率

调制方式

扩频方式

通信范围

通信延时

信道数目

寻址方式

信道接入

网络拓扑

功耗

状态模式

868/915MHz和2.4GHz

868MHz-20kbps；915MHz-42kbps；2.4GHz-250kbps

BPSK；O-QPSK

直接序列扩频

10-100m

15-30ms

868MHz-1；915MHz-10；2.4GHz-16

64bitIEEE地址，16bit网络地址

CSMA/CA和时隙化得CSMA/CA

星形；树状；网状

极低

激活/休眠

选择ZigBee技术进行项目开发，是基于其具有的诸多性能优点。

具体来讲，可总结如下：

（1）数据传输速率低。

ZigBee技术的最大传输速率只有250kbPs，专注于低速率传输应用。

（2）设备省电，功耗极低。

zigBee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

（3）通信可靠性高，数据安全。

ZigBee采用了CSMA-CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）的避免碰撞机制，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;MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通信可靠性高。

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。

（4）网络的自组织、自愈能力强。

ZigBee网络无需人工干预，网络节点能够感知其它节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络。

ZigBee网络增

加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

（5）时延短，设备接入网络快。

通常时延都在1sms到3Oms之间，因此设备接入网络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。

（6）成本低廉，工作频段灵活。

设备的复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的，可以有效地降低设备成本。

ZigBee的工作频段灵活，使用的频段分别为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）及9l5MHz（美国），均为免执照频段。

（7）网络容量大。

每个ZigBee网络最多可支持65000个节点，也就是说每个ZigBee节点可以与数万节点相连接，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网络。

3.2ZigBee协议栈概述

ZigBee技术作为一种新兴的低速率短距离无线通信技术，也是ZigBee联盟所主导的无线传感器网络技术标准。

完整的ZigBee协议栈有物理层、MAC子层、网络层、应用汇聚子层和高层应用规范层组成。

每一层为上层提供一系列特殊的服务：

数据实体提供数据传输服务，管理实体则都通过服务接入点（SAP）为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所有功能[4]。

ZigBee协议体系架构如图3-1所示：

其中，IEEE802.15.4-2003标准定义了底层:

物理层（Physi