基于zigbee无线定位装置设计.docx
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基于zigbee无线定位装置设计
唐山学院
毕业设计
设计题目：
基于zigbee的无线人员定位装置设计
系别：
机电工程系
班级：
11测控技术与仪器
（1）班
姓 名：
李群
指导教师：
赵晨光
2015年6月*日
基于zigbee的无线定位系统的设计
摘要
近些年来zigbee技术在应用越来越广泛，作为一种新型技术发展了不过二十年，但是它的应用可以说方方面面，比如智能家居、物联网、科学检测。
本论文也是对zigbee技术在无线通信方面的研究，研究了基于zigbee的人员定位技术。
在定位技术中涉及了基于RSSI定位算法。
并利用zigbee硬件平台和软件测试平台设计了一种定位装置。
其中，硬件平台以集成了射频与51微控制器的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，给出了各类节点详细的通信实现方法。
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在。
关键字：
ZigBee技术；无线定位；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack
TheDsignoftheWirelessLocationSystembasedonZigbee
Abstract
ZigBeetechnology,basedontheIEEE802.15.4protocol,isanewlydevelopedrangewirelesscommunicationtechnologywiththemeritsoflowcost、lowpoweratcomparablelowerdatarate.WhiletheZigBeetechnologyismoreandmoreadoptedinapplicationareaslikehomeautomation,telemeterandremotecontrol,automation,medicaltreatmentandsoon,thereal-timelocalizationintheZigBeebecomesahottopic
Thesis,aimingatZigBeenetwork,investigatesthewirelesslocation,Discussionofbasedlocationalgorithmforwirelesssensornetworkpositioningechanismandonthisbasis,designsalow-costandpracticalforindoorwirelesspositioningsystem.Thispaperalocationsystem，threepartsareincluded.Theyarehardwareplatform,programofnodesandPCmonitorsoftware.ThecoreofhardwareplatformiswhichisintegratedbyRFand51MCU,thelocalizationnodesaredesignedand.ItincludesRFmodule,auxiliarymoduleandfunctionindicationcircuits.Inactual,Basedonthefunctiondifferencesofnodes,differentpartsofthehardwarecanbeselectedtoachievecorrespondingfunctions.TheexploitationofnodeprogramisbasedonZ-StackprotocolstackwhichisprovidedbyTI,Theintroducesthenodescommunicationflowelaborate.Theachievementwaysofdifferentofnodesaregiven.InIARWorkbench（EW）circumstance,thePCmonitoriscompiled,elaboratesoftwaresolutionisproposedinthispaper.
Keywords:
ZigBee；WirelessLocation；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack
1前言
随着科技的发展，对事物以及人员定位越来越受到人们的关注。
比如在航海中如何确定航线，在空中的飞机如何到达目的地都需要精准的定位确定路线。
为了确定移动的事物，需要建立坐标系并且有参考坐标。
在全球定位中首先出现的是基于通讯卫星的全球定位系统GPS。
它一经问世边被广泛应用于军事、民用中。
但是它只适用于大范围定位，对于建筑物理的定位，它的精度明显不够。
所以人们又陆续研究了能够应用于建筑物内部的定位方法，比如红外技术、IEEE802.11技术、超声波技术、以ZigBee/IEEE802.15.4为代表无线网络技术和RFID技术。
本文试图利用Zigbee技术实现一种较低成本、较低复杂的室内定位系统。
1.1课题研究背景
1.1.1国外发展状况
无线定位服务的发展始于美国。
1996年，美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）制定了E-911法规，要求所有移动通信运营商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务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工作，并要求分阶段实施定位不断提高的用户定位服务。
1999年FCC对E-911法进行修订，对定位精度提出新的要求，极大的促进了美国LBS（LocationBasedService）产业的快速发。
其他国家后来又陆续研究出红外技术、IEEE802.11技术、超声波技术、以ZigBee/IEEE802.15.4为代表无线网络技术和RFID技术。
但是当今应用最广泛的还是美国研制利用通讯卫星定位的GPS，它可以作为当今定位的最高水平。
但是凡事没有十全十美它有有局限性，就是对于县范围的精准定位对她来说还是比较困难。
所以就基于短距离通信的定位技术红外技术、IEEE802.11技术、超声波技术、以ZigBee/IEEE802.15.4为代表无线网络技术和RFID技术得到更多的发展。
1.1.2国内发展状况
我国对人员定位系统的研究起步比较晚且发展较缓慢,最早的时候利用RFID（射频识别）技术来实现人员定位。
但是这种方式比较简单,效率低,实际上是一种考勤的方式,不能真正实现人员定位。
后来借鉴国外GPS的经验，国内建立了北斗导航系统一代，但是由于一代技术不能日益增多的需求，后来研发了北斗二代，它能实现10米以内的定位，但是它成本高昂，、且适合大范围的定位。
随着zigbee技术被引入中国,国内研究机构展开了对以zigbee技术为基础的定位的研究,直到适合人员定位的CC2430/CC2431出现,在其芯片硬件、协议栈、相关配套软件方面取得了很大的突破,发展非常迅速。
CC2431是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统,集成了增强工业标准的8051MCU内核。
同时CC2431是2007年TI公司推出的世界首款自带定位系统的片上系统（SoC）,以满足低功耗Zigbee/IEEE802.15.4无线传感器网络应用的要求,实现了ZigBee技术定位的飞跃,相比于集中型的定位系统,CC2431基于RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator,接收到的信号强度）功能降低了网络流量与通信延迟,在典型应用中可实现3到5m的精度。
本文也是结合CC2430/2431做的课题研究。
1.2课题的主要内容及结构安排
结合实际生活生产的需要,本文提出了基于ZigBee技术的无线定位监测系统的设计与研究,它对于建筑物定位的发展有很大意义。
论文的主要内容安排：
第一章介绍本课题研究的背景、国内外现状和论文的主要内容安排。
第二章ZigBee技术及其发展概述和协议栈结构：
首先叙述ZigBee技术的由来及发展,其次对IEEE802.15.4标准作介绍,包括它各层的应用约束,同时在其基础上分析了ZigBee技术的技术规范。
第三章本章首先介绍了关于无线传感器网络定位方面的基础知识，接着将目前定位技术的评价指标和定位方法的分类作了介绍，最后综合分析了定位技术的优劣，选择了适合本课题的定位算法，即基于RSSI定位算法
第四章系统的软硬件设计以及程序流程图。
第五章总结对课题研究后的感悟
2zigbee技术简介
在深入研究zigbee定位之前，应该先了解无线通信协议。
Zigbee协议栈是硬件之间进行通信的关键所在。
此协议栈随着科技的发展一步步完善，最初只有物理层和MAC层，后来随着各个国家的加入，应用的范围越来越广，在原来的基础上又陆续加入了应用层和网络层，从而形成现在的zigbee协议栈。
Zigbee联盟日渐壮大，为zigbee技术的应用和发展作出了巨大贡献。
如今的zigbee吸引了数以百计的芯片生产商投入巨资研究它。
2.2IEEE802.15.4标准
2.2.1物理层概述
IEEE802.15.4物理层主要完成以下几项任务：
信道能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）、信道选择、数据收发和接受。
IEEE802.15.4物理层规范通信频率，分为三个频段：
868MHZ、915MHZ、2.4GHZ。
在这三个频度上所采用的调制方式和扩频参数可见表2-1。
表2-1
频率/MHZ
扩频参数
数据参数
码片速率/（kchip/s）
调制方式
比特速率/kbps
符号速率
符号阶数
868/915
868～868.6
300
BPSK
20
20
二进制
902～928
600
BPSK
40
40
二进制
2450
2400～2483.5
2000
O-QPSK
250
62.5
十六进制正交
IEEE802.15.4物理层在三个频段上划分了不同信道，如下列公式，我们将信道编号k为0～26。
在2450MHZ频道上划分了16个信道，915MHZ频道有10个信道，868MHZ频道只有一个信道。
27个信道和中心频率定义如下：
fc=868.3MHZk=0
fc=［906＋2（k-1）］MHZk=1,2,…,10
fc=［2405＋5（k-11）］MHZk=11,12,…,26
2.2.4GHz频段的物理层技术
2.4GHz频段的物理层技术在IEEE802.15.4标准下,支持250kbps的数据速率,采用十六进制的准正交调制技术。
符号周期中,釆用4个信息映射,符号速率为62.5ksymbol/s,码片速率为2000kchip/s的32位准正交伪随机序列;最后符号码片序列通过0-QPSK调制到载波上,调制原理如图2-2所示。
图2-22.4GHZ物理层调制方案
2.2.5MAC层规范介绍
IEEE802.15.4标准的MAC子层的任务主要有以下几项:
协调器产生网络信标;信标同步;支持PAN关联和解关联;CSMA-CA信道访问机制;处理和维护保证时隙（GTS）机制;在两个对等MAC实体间提供可靠链路。
MAC层服务规范MAC层的参考模型如图2-3所示。
图2-3MAC层参考模型
MAC层的作用是:
提供特定服务汇聚子层（SSCS）与物理层之间的接口。
同时,MAC层还包括MAC层管理实体（MLME）,用于提供调用MAC层管理功能的管理服务接口;MAC层管理实体还有另外一个作用是对MACPAN信息库（MACPIB）进行维护。
MAC层提供MAC数据服务,是通过MAC公共部分子层（MCPS）的数据SAP（MCPS-SAP）进行的;提供MAC管理服务是通过MLME-SAP实现的。
此夕卜,MSPS和MLME之间还隐含了一个内部接口,作用是实现MLME调用MAC数据服务。
MAC帧,即MAC协议数据单元（MPDU）,是由一系列字段按照特定的顺序排列而成的。
MAC帧由以下三部分组成:
MAC头、MAC有效载荷和MAC尾。
MAC帧格式如表2-2所示。
表2-2
字节数：
2
1
0/2
0/2/8
0/2
0/2/8
可变长度
2
帧控制
帧序号
目的PAN标识码
目的地址
源PAN标识码
源地址
帧有效载荷
FCS
地址信息
MAC头
MAC有效载荷
MAC尾
MAC头是由帧控制字段、帧序号字段和地址信息域组成;决定MAC有效载荷部分长度的是帧的类型,并且确认其有效载荷部分长度为0;MAC尾代表帧校验序列（FCS）。
MAC层允许通过物理信道传输MAC帧。
除了数据服务,它还提供了一个管理接口和自身管理对物理信道和网络信标的访问。
它同样控制帧校验,保证时间戳,处理节点联合,最终为完全服务提供钩点。
其管理任务如下:
作为PAN的协调器要为设备活动产生网络信标;同步信标;支持PAN关联和离开;支持设备安全;信道访问使用CSMA-CA;管理GTS机制;在点对点MAC实体间提供可靠连接。
2.3ZigBee规范
ZigBee协议栈架构包括IEEE802.15.4标准定义了ZigBee协议栈的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）和ZigBee联盟定义的网络层（NWK）和应用层。
大体结构顺序：
最底层IEEE802.15.4的物理层，其次由下到上是MAC层、网络层、应用层。
2.3.1ZigBee应用层规范
ZigBee应用层由以下APS、应用框架、ZDO和厂商定义的应用对象四部分组成。
APS子层负责维护绑定表并在绑定设备间传递信息,体现绑定的匹配能力。
ZDO具体功能为:
确定设备角色（网关、ZigBee路由器以及终端移动设备）、初始化、对绑定请求产生响应、建立网络安全关系;ZDO还有另外的一个作用是:
发现网络设备,确认其所能提供的应用服务。
1.ZigBee应用支持子层（APS）
应用支持子层通过一组ZigBee设备对象（ZDO）和定义的应用对象都适合的服务,提供了网络层与应用层之间的接口。
服务通过两个实体来提供:
APS数据实体（APS-DE）通过APSDE-SAP提供数据传输服务;APS管理实体（APSME）通过APSME-SAP提供管理服务并对对象数据库进行维护和管理,也就是APS信息库（AIB）。
应用支持子层的数据实体（APSDE）为ZDO和应用对象提供服务,向网络层提供数据服务,完成设备之间的传输。
2.ZigBeeProfile
Profile为ZigBee网络中设备之间通信的关键存在,是统一的标准。
ZigBee分为私人的和公的两个等级去定义Profile。
Profile标识符是规范在ZigBee联盟和文件范围之外的管理问题的唯一标准。
对于Profile标识符的应用程序,每个Profile须向ZigBee联盟请求,在获得标识符后,即可获得以下定义:
设备描述;串（簇）标识符。
Profile标识符在ZigBee协议中占有重要的地位,也是其重要的枚举量。
这就决定了即使在单独的ZigBee设备中,也存在许多的Profile进行维持让它更好地运行,同时设备通过一个分层寻址定义现在其功能。
3.ZigBee设备对象ZDO
ZDO是执行ZigBee终端设备、路由器和协调器的一个应用,是通过使用网络和应用支持层原语进行的。
ZDO分布在ZigBee协议栈中的APL、APS层之上,是应用解决方案。
其功能为:
（1）初始化应用支持子层（APS）、网络层（NEK）、安全服务提供（SSP）以及其它ZigBee设备层。
（2）通过信息集合配置确定和执行在终端中的应用。
2.3.2ZigBee网络层规范
ZigBee网络层支持星状、树状和网状拓扑,其网络拓扑结构如图2-6所示。
图2-6ZigBee网络拓朴结构示意图
在IEEE802.15.4标准中,定义了两种物理节点:
半功能设备（ReducedFunctionDevice,RFD）和全功能设备（FullFunctionDevice,FFD）。
FFD是功能齐全的节点,负责发布控制、收集数据、与其相关的子节点进行通信,在整个控制中起着通信路由的作用。
RFD可以定义为全功能的一个子集,功能比较精简,同时也降低了成本。
RFD节点因为其功能不具有数据转发和路由功能,这样RFD节点之间不能通信，信息传递是和FFD进行的。
星状拓扑中,网络是由负责网络中设备的初始化和维护的ZigBee协调器控制,其它设备（如终端设备）可以直接与其器通信;网状和树状拓扑结构中,ZigBee协调器通过ZigBee路由器进行网络扩展和建立,并对网络关键参数进行选定。
树状网络的通信方式是采用IEEE802.15.4定义的面向信标结构,在其拓扑结构中,网络中移动数据和控制信息时的路由器采用分层路由策略;网状网络的通信方式釆用完全对等的通信
网络拓扑比较：
在星形网络中,ZigBee协调器一般使用持续电力系统供电,而其它设备采用电池供电。
星形网络拓扑结构只适于小范围组网的系统中。
通过选择一个PAN标志符来唯一地确定本网络,网络建立之后,协调器就可以允许其他的设备加入到该网络中。
和星形网络拓扑结构相比,树簇型网络拓扑结构有以下优点:
覆盖的物理范围更大,容纳的网络子节点更多;但是随着网络级联的逐渐增大,增加了传输的时延,增加了误码率及相关开销。
对于网状连接方式,结构组网灵活,允许通过多跳路由的方式转发数据,终端节点可以通过不同的路径将数据传输到ZigBee协调器,减少了消息传输的延时。
同时由于网状连接方式中每个节点智能化,所以当网络中任一节点发生故障时,附近的无线节点会自动代替该节点继续进行信息的传输和转发。
所以网状连接方式的健壮性比较强,网络覆盖度大,比较适用于矿井监控系统中。
2.3.3ZigBee网络层的功能
ZigBee网络层提供相关的函数,保证MAC层的正常通信运行,同时提供服务接口面向应用层,与此同时,网络层还提供了数据服务实体和管理服务实体。
网络层数据实体提供数据传输服务,网络管理层实体提供网络管理服务,完成对信息库（NIB）的维护和管理;它们分别通过网络层数据实体服务接入点（NLDE-SAP）和网络管理实体服务接入点（NLME-SAP）进行的工作。
网络层为MAC层提供接口是通过MCPS-SAP和MLME-SAP,为应用层提供接口服务通过NLDE-SAP与NLME-SAP。
2.42006协议栈
2.4.2协议栈的构架
图2-7协议栈构架
3无线传感网络中定位技术介绍
无线传感器网络技术的应用主要是把大量的传感器节点放置于需要监测的区域，让这些节点采集人们所感兴趣的数据，之后通过无线传输的方式把采集到的信息汇集到总处理器，总处理器通过分析数据得出所检测区域的状况。
由此可以看出，位置信息对所采集的数据是非常重要的。
对于无线传感网中定位技术的研究是非常有意义的。
本章首先介绍了关于无线传感器网络定位方面的基础知识，接着将目前定位技术的评价指标和定位方法的分类作了介绍，最后着重介绍了基于测距的定位算法。
其中，到达时间差定位算法有不需要时间原点同步的特点，这将有助于在该算法的基础上设计出更好的定位算法。
3.1无线传感网络定位技术概述
无线传感网定位技术就是根据网络中一些位置已知的节点通过与位置未知的节点交换数据，从而得出位置未知节点的具体位置。
3.1.1无线传感网定位相关的基本概念
PS（GlobalPositioningSystem）：
即为人们所熟悉的全球定位系统。
该定位系统由24颗卫星所组成，能够得到准确的位置信息。
锚节点（AnchorNode）：
指无线传感器网络中位置已经事先知道的传感器节点。
该节点的位置信息可以通过GPS测定，或者通过放置该节点的时候人工测定出。
它的主要功能是和其通信范围内的位置未知的节点进行数据交换从而确定它们的具体位置。
也有的文献中将锚节点称作信标节点（BeaconNode）。
未知节点（UnkownNode）：
指无线传感器网络中位置未知的节点，该节点的位置信息需要通过一些方法测量得到。
也称为待定位节点（UnpositioningNode）。
邻居节点（NeighborNodes）：
指在传感器节点通信范围内的所有其他传感器节点。
如果某个节点想要把信息传得更远，可以将信息通过邻居节点转发。
连通（Connectible）：
若两个传感器节点之间可以进行数据传输，则可以把这两个无线传感器节点称为连通的。
连通度（Connectivity）：
指无线传感器网络中，与某个传感器节点相连通的节点的数目称为该节点的连通度。
锚节点密度（AnchorDensity）：
指无线传感器网络中，锚节点个数占整个网络中传感器节点数据的百分比。
基于测距（Range-based）：
指需要测量距离然后进行定位的方法。
非基于测距（Range-free）：
指不需要距离的测量就能进行定位的方法。
视距关系（Lineofsight,LOS）：
指两个传感器节点之间没有障碍物阻挡，能够进行两个节点之间直接的传输数据。
非视距关系（Non-lineofsight,NLOS）：
指两个传感器节点之间有障碍物阻挡。
3.1.2无线传感网定位的性能评价指标
评价定位技术好坏的最重要的指标就是定位的准确性和精确度。
定位的准确性指的是通过某定位算法求得的位置与实际位置之间的最大距离。
定位的精确度指的是定位准确性能达到的百分比，它需要通过多次实验得到的。
对于定位性能的评价必须同时考虑定位的准确性和精确度。
实际应用中使用的定位算法都具备很强的稳定性能，多次定位得到的位置偏差不大，所以对于定位技术的评价可以用定位的误差表示。
定位的误差分为绝对误差和相对误差，绝对误差指的是定位的位置与实际位置相差的距离，相对误差指绝对误差与节点之间可以通信的最长距离的百分比。
假设有N个未知节点，这些节点的实际位置是，（i=1,2,…,N），经过定位算法的运算得到的测量位置是，（i=1,2,…,N），于是就可以得到定位平均绝对误差为：
（3-1）
如果节点之间能够通信的最大距离是R，那么定位的平均相对误差为：
（3-2）
此外还有一些其他的评价标准如表3-1所列举：
以上介绍的定位技术的评价指标还可以作为设计定位系统的参考因素，不同的定位应用中应该选择不同的定位算法，在保证定位精度的前提下，最大限度地减少资源浪费。
这些评价指标之间并不是孤立的，它们存在联系。
对于定位技术的好坏只能从某个方面进行评价，实际应用中应该综合考虑各方面的要求设计出合适的定位系统。
表3-1定位技术的评价标准
名称
描述
容错性和
自适应性
通常情况下，定位算法运行时需要比较理想的环境，但在实际应用中，网络节点会因为周围环境和自身问题出现失效的情况，这时就需要定位系统的软、硬件具备很强的
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