基于ZigBee技术的定位技术研究与应用硕士学位论文.docx
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基于ZigBee技术的定位技术研究与应用硕士学位论文
单位代码：
10293密级：
硕士学位论文
论文题目：
基于ZigBee技术的定位技术研究与应用
学
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摘要
无线传感器网络技术能够给人们的生产生活带来方便，从而得到了快速的发展。
其中ZigBee技术具备规范的协议标准，被广泛地用于无线传感器网络中。
利用ZigBee技术可以构建廉价的无线传感器网络。
确定网络中节点的位置信息对无线传感器网络技术具有重大意义。
如何方便的获取节点的准确位置成为当今研究的热点。
目前已经有了一些定位问题的解决方案，例如：
基于RSSI定位、基于TOA或TDOA定位等。
这些定位技术都存在一些瑕疵，解决无线传感器网络的定位问题仍然需要进一步的研究。
本文对无线传感器网络中的定位技术进行了研究。
首先，介绍了ZigBee技术及无线传感器网络中已有的针对定位问题的解决方案，重点介绍了基于测距的定位算法。
其次，利用不同芯片的晶振之间时钟频率偏移具有稳定性这一特性，再结合TDOA定位算法，本文提出了一种适用于无线传感器网络的TDOA定位算法。
该定位算法考虑了不同芯片晶振之间的时钟频率偏移，通过将测量得到的信号到达时间差转换成节点之间的距离差，从而进行定位。
使用该定位算法避免了无线传感器网络中的时间同步难题，有效地解决了较远距离未知节点的定位问题。
最后，通过修改ZigBee节点的程序，设计定位实验，证实采用本文所提出的基于TDOA定位算法得到的节点之间距离差随着采样组数的增加而趋于稳定，并且能够取得满意的定位效果，该定位算法是稳定的，可行的。
该算法为以后更好地解决无线传感器网络中的定位问题奠定了基础。
关键字：
无线传感器网络，ZigBee技术，到达时间差，定位
Abstract
Wirelesssensornetworktechnologycanbringconveniencetopeople’sproductionandlife,soithasbeenrapidlydeveloped.ZigBeetechnologyhasbeenwidelyusedinwirelesssensornetworksbecauseithasastandardizedprotocol.ZigBeetechnologycanbeusedtobuildlow-costwirelesssensornetworks.Locationinformationofthenodesinthenetworkplaysanimportantroleinwirelesssensornetworktechnology,sohowtoconvenientlygettheexactlocationhasbecomeahottopicinpresentstudy.Therehavebeensomesolutionsforpositioningproblems,suchasRSSI-basedlocalization,TOA-basedlocalization,TDOA-basedlocalization,etc.Buttherearesomeflawsintheselocalizationtechnologies,sofurtherstudiesarestillrequiredtobettersolvingthepositioningproblemsinwirelesssensornetworks.
Localizationtechnologiesinwirelesssensornetworkswerestudiedinthispaper.First,ZigBeetechnologyandalreadyexistingpositionsolutionsinwirelesssensornetworkswereintroduced,andrange-basedlocalizationalgorithmswerefocused.Second,akindofTDOAalgorithmwhichissuitableforwirelesssensornetworkswasproposed.Forthelocalizationalgorithm,thestabilityoftheclockfrequencyoffsetbetweendifferentchipswasusedandtheTDOAalgorithmwascombined.Inthislocalizationalgorithm,theclockfrequencyoffsetofcrystaloscillatorindifferentchipswastakenintoaccount,andthelocationwascalculatedafterconvertingtimedifferenceofarrivedsignaltothedistancedifference.Byusingthelocalizationalgorithm,thepositioningproblemsinthemoreremotelocationcouldbeeffectivelysolved,andthetimesynchronizationprobleminwirelesssensornetworkscouldbeavoided.
Atlast,theprogramsoftheZigBeenodesweremodified;thepositioningexperimentsweredesigned.Itwasconfirmedthatthedistancedifferencebetweenthenodesbecamestableasthesamplenumberincreasedandthesatisfiedlocationresultscouldbeachieved.Thatshowsthealgorithmisstableandfeasible.Thealgorithmwilllaythefoundationforbettersolvingthepositioningproblemsinwirelesssensornetworksinthefuture.
Keywords:
Wirelesssensornetworks,ZigBeetechnology,Timedifferenceofarrive,Localization
第一章
绪论1
1.1
研究背景1
1.2
研究的目的和意义2
1.3
本文的研究内容及结构安排3
第二章
ZigBee技术的研究5
2.1
ZigBee技术及其特点[1][2][4][5]5
2.1.1ZigBee技术的发展5
2.1.2ZigBee协议的结构6
2.1.3ZigBee网络的结构7
2.1.4ZigBee技术的特点8
2.2
ZigBee芯片CC2430简介[6][7]8
2.2.1CC2430概述8
2.2.2增强型的8051内核9
2.2.3电源管理介绍....................................................
10
2.2.4定时器1简介....................................................
11
2.2.5射频收发机简介..................................................
12
2.3
ZigBee精简协议栈[8][9]..................................................
13
2.4
本章小结..............................................................
14
第三章
无线传感器网络中节点定位技术的研究....................................
15
3.1
无线传感网定位技术概述[10]..............................................
15
3.1.1无线传感网定位相关的基本概念[11]..................................
15
3.1.2无线传感网定位的性能评价指标[12]..................................
16
3.2
无线传感网定位技术的分类[12]............................................
17
3.2.1基于测距与非基于测距的定位算法[13][14]..............................
17
3.2.2集中式与分布式定位算法..........................................
17
3.2.3绝对与相对定位算法..............................................
18
3.3
无线传感网中基于测距的定位算法[15][16]....................................
18
3.3.1包围盒定位法[17]..................................................
18
3.3.2基于RSSI的定位法[18][19][20][21][22]......................................
19
3.3.3基于TOA的定位法[23]...............................................
21
3.3.4基于TDOA的定位法[24][25][26][27].......................................
22
3.3.5基于AOA的定位法[10][28]............................................
24
3.4
本章小结..............................................................
25
第四章
基于TDOA的无线传感器网络定位算法.....................................
27
4.1
Zigbee芯片CC2430的晶振频率偏移稳定[29]...............................
27
4.2
基于TDOA的无线传感网定位算法.........................................
28
4.2.1算法原理........................................................
28
5.2.2算法的仿真......................................................
31
4.3
本章小结..............................................................
34
第五章
定位算法在硬件平台上的实现及验证......................................
35
5.1
定位算法在硬件平台上的设计............................................
35
5.2
对ZigBee协议栈msstatePAN的主要修改..................................
38
5.2.1提取时间信息的程序设计..........................................
38
5.2.2协调器程序的设计................................................
39
5.2.3锚节点程序的设计................................................
40
5.2.4未知节点程序的设计..............................................
41
5.3
实验数据的分析方法....................................................
41
5.3.1根据提示提取数据................................................
42
5.3.2判断数据的完整性................................................
43
5.3.3删除十六进制标志................................................
43
5.3.4利用MATLAB对数据进行处理.......................................
43
5.4
实验及结论............................................................
44
5.5
本章小结..............................................................
48
第六章
全文总结与展望........................................................
49
6.1
全文的总结............................................................
49
6.2
以后研究工作的展望....................................................
49
致谢51
参考文献53
攻读硕士期间发表的学术论文56
第一章绪论
1.1研究背景
无线传感器网络（WirelessSensorNetworks）有时也简称为无线传感网，它是由大量的具有无线通信功能的传感器节点组成，这些传感器节点分布在所要监测的区域内，彼此之间可以通过无线通信的方式传递信息。
通过分析传感器节点传送来的数据，无线传感器网络中的总控制台可以实现对目标区域的实时监控。
无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，具备非常广泛的应用前景，它的应用和发展将会给人们生活的各个方面和社会生产的各个领域带来深远的影响。
无线传感器网络从传感器网络发展而来。
众所周知，传感器技术是信息获取的最重要、最基本的技术。
随着传感器技术的发展，传感器的信息获取也发生了很大变化，从单一的数据采集向集成化、微型化、智能化和网络化发展，逐渐地出现了传感器网络及其应用。
无线通信技术和嵌入式技术的发展，使得设备之间的通信越来越方便，设备之间传递的数据量也越来越大。
处理器技术的快速发展让芯片的运算速度飞快提升，芯片处理大量数据所用的时间越来越小。
由于各方面技术的快速发展及实际应用的强烈需要，便出现了无线传感器网络技术。
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，它被认为是当今世界继互联网之后的第二大网络[1]。
无线传感器网络技术从诞生开始，一直都受到研究人员的关注。
大量的理论研究和实际应用使得该技术得到飞速地发展。
目前，无线传感器网络技术已经融入了人们的日常生活并给人们带来了好处。
下面将介绍两种利用无线传感器网络技术解决实际问题的典型应用：
1、智能灌溉技术
智能灌溉技术是无线传感器网络技术在环境检测方面的典型应用。
地球上的水资源是有限的，节约用水是全世界的目标。
然而在农业上，每年都会由于过度灌溉而浪费大量的水资源。
将无线传感器网络技术与农业灌溉相结合的智能灌溉技术能够很有效地节约农业用水。
将传感器节点放置于土壤中，让它们实时地监测土壤中的水份等环境指标并把信息发送到总控制台。
如果某个区域的土壤水份不足就启动该区域的灌溉系统，直到土壤中的水份含量达到要求。
智能灌溉技术不但能够节约大量的水资源，而且还能减少农业上的人工劳作，节省人力资源。
2、矿井人员定位技术矿井人员定位技术是无线传感器网络在安全监测方面的典型应用。
让每个下井采矿的人和车辆携带一个传感器节点，这样地面的控制部门就可以通过监测传感器节点的位置得到井下人员和车辆的情况。
假如有事故在井下发生，传感器节点可以发出求救信号，地面部门可以在最短的时间里获得事故现场的人员状况，为后续的救援工作提供帮助。
矿井人员定位技术不但可以减少矿难中人员的伤亡，而且也可以减少财产损失。
通过以上两个无线传感器网络技术的典型应用，可以看出，无线传感器网络技术是非常具有实用价值的技术。
该技术还有许多其他方面的应用，在人们对无线传感器网络研究的不断深入过程中，碰到了许多具有挑战性的问题。
定位问题就是诸多问题中的一种，无线传感器网络通过传感器节点采集数据，那么这些节点的位置信息对于采集的数据是非常重要的。
例如：
在智能灌溉中，如果只知道土壤中水份含量少而不知道具体位置，总控制台就不知道对哪里进行灌溉。
井下人员定位技术更是依赖于传感器节点的位置信息。
总之，解决好无线传感器网络中的定位问题能够使无线传感器网络技术运用地更加广泛。
ZigBee技术是一种先进的短距离无线通信技术。
该技术具有低成本，低功耗，高可靠性等特点。
利用ZigBee技术可以方便地组建无线传感器网路。
由于ZigBee技术具有规范的协议及功耗低等优点，从而受到了研究员和企业的青睐。
在IEEE802.15.4组织和ZigBee联盟的推动下，该技术的应用领域非常广泛。
通过ZigBee技术与其他技术相结合，目前已经实现了许多具有应用价值的无线传感器网络解决方案。
随着基于ZigBee技术的应用出现，无线传感器网络技术开始更加广泛地服务于人们的生活。
对于ZigBee技术的研究一直都是无线传感器网络领域中的热门研究，随着研究的深入，无线传感器网络技术将会日趋完善[1][2]。
1.2研究的目的和意义
不论在理论研究还是在实际应用中，定位问题一直都是人们研究的热点所在。
由于运用无线传感器网络技术的大多数应用中都需要知道节点的位置，所以人们不断地寻找合理的定位问题解决方案，不断提高定位精度以便于无线传感器网络技术更好地服务于人类社会。
到目前为止，对于无线传感器网络中定位问题已经有了一些比较令人满意的解决方案。
但是对于定位问题的研究还需要不断深入。
目前，GPS（全球定位系统）可以算是人们所熟悉的定位问题解决方案，这种定位是利用卫星对地面上的物体进行位置的确定，该定位技术不但昂贵而且功耗大。
无线传感器网络中由于网络的成本问题、耗电问题及网络中节点之间的距离有限，不能采用GPS技术实现定位。
目前，研究人员通过研究设计了一些方案来解决无线传感器网络中的定位问题，这些解决方
案有：
基于信号接收强度值（RSSI）的定位技术、基于到达时间（TOA）的定位技术、基于到达时间差（TDOA）的定位技术和基于到达角度（AOA）的定位技术等。
无线传感器网络中已有的针对定位问题的解决方案或多或少都存在着一些缺点。
基于RSSI定位中，接收信号强度值会随着距离的增长而变得非常不准确，利用该技术的定位只能解决近距离的定位问题；基于TOA定位中，到达时间的测量要求网络具备很好的时间同步[3]，这大大增加了网络的开销，从而限制了基于达到时间定位技术的应用；基于TDOA定位中，到达时间差的测量要么需要网络同步，要么需要利用到超声波。
如果要求网络同步就会增大网络的开销，而如果利用了超声波，超声波的传播距离有限，这些问题都限制了基于到达时间差定位技术的应用；基于AOA定位中，到达角度的测量要依赖昂贵的天线，这就制约了基于到达角度定位技术的应用。
综上所述，研究出更好的无线传感器网络定位问题解决方案仍然是无线传感器网络领域具有挑战性的一项工作，这项研究将直接关系到无线传感器网络技术的应用领域是否能够更加广泛。
1.3本文的研究内容及结构安排
ZigBee技术是无线传感器网络中已经被广泛使用的技术，它已解决了很多实际问题。
本文是在ZigBee技术的基础上研究无线传感器网络中的定位问题。
首先介绍了ZigBee技术以及目前无线传感器网络中常用的基于测距的定位技术。
接着利用基于TDOA（到达时间差）定位技术的原理提出了一种适用于无线传感器网络的定位技术：
基于TDOA的无线传感网定位技术。
并从仿真的角度验证了该定位技术的可行性，分析了采用该定位技术进行定位所取得结果的准确性。
最后设计实验验证了基于TDOA的无
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