基于ZigBee的室内无线定位设计

I基于ZigBee的室内无线定位设计设计人：刘伦胜徐丹丽学号：20140821132014082131班级：201408242016年10月5日目录设计总说明..........................................................I1绪论............................................................11.1课题研究的背景与意义.........................................12ZigBee技术的简介...............................................52.1ZigBee技术基础知识...........................................62.2IEEE802.15.4协议栈和ZigBee协议栈概述.........................82.3ZigBee网络构成.............................................112.4Z-Stack协议栈...............................................143无线传感网络中定位技术介绍..................................193.1无线传感网络定位技术概述.....................................193.2无线传感网络定位技术的分类..................................213.3无线传感网中基于测距的定位算法..............................22基于ZigBee技术的室内无线定位技术设计设计总说明：无线定位广泛应用在导航、测量、自动控制等多个领域。目前，以GPS为代表的卫星定位系统已经非常成熟，但在小范围或室内无线定位系统中，定位的精度、成本、能耗等方面还不能完全满足需求。近年来，新兴的ZigBee技术为无线定位注入了新的活力。ZigBee技术的低功耗、低成本、高扩展性的特点为构建无线定位系统提供一种很好的解决方案。本文以ZigBee技术为基础，完成了一种无线定位方案的设计与实现。该定位系统中有三种设备，分别为参考节点、控制器和需要求得其位置的移动节点。定位过程中使用的测量参数为接收信号强度指示RSSI。各设备中采用的ZigBee无线模块为TI公司生产的CC2530，这种芯片直接支持RSSI技术。无线定位系统涉及到定位的测量参数、算法和通信这三种关键技术。本文首先讲解ZigBee通信部分，包括各种设备的通信过程、定位通信的规范、用到的消息格式以及交互流程等。然后，本文介绍了无线模块中使用的RSSI参数特性，并以CC2530的基于ZigBee的室内无线定位设计定位引擎进行定位计算为基础实现了一个定位系统，对该引擎在室内环境中的定位性能进行了测试和分析。最终完成的定位系统能实现：在低密度布网中，能定位出移动节点所在的区域，也能进行一维定位即求得移动节点的一个坐标，从而得出它所处的位置区域；而在高密度布网中，能进行二维定位，判断出移动节点在平面中的准确位置。根据对定位引擎的性能测试结果,提出改进意见。本文为进一步降低构建定位网络的成本和实现楼层空间内的定位提供了一种可行的解决方案。关键词：无线定位；ZigBee；室内定位；CC2530；定位引擎；接收信号强度指示基于ZigBee的室内无线定位设计第1页共49页1绪论从古时开始，人类在交通运输、远洋航行等多种领域就对位置信息有着广泛的需求。星相学开始出现的一个重要目的就是满足人们对位置的需求，指南针的发明更是直接为定位提供服务。随着现代文明的发展，人类要求更好的定位技术来满足在交通、监控、调度、自动控制、跟踪导航等应用范围内对位置服务的需求。无线电出现后为定位提供了一个很好的工具，伴随着无线电在各种应用领域中的广泛使用，无线定位技术也得到了极快的发展。1.1课题研究的背景与意义1.1.1无线定位的发展及应用随着现代移动通信技术和无线网络的蓬勃发展，人们对无线定位的需求与日俱增。无线定位服务是指通过无线终端和无线网络的配合，确定移动用户的实际位置信息，从而提供用户所需的与位置和方向相关的服务。无线电自出现后就广泛影响着人类的生产生活方式，它的应用领域不仅仅只是局限在语音通信、数据传送等通信服务领域，无线定位也是它的一个重要应用方面。无线定位是一种利用无线信号测量并为用户提供位置服务的技术。在无线定位中，无线电波的传播时间、信号场强、相位等特性会随着位置的改变而改变，得到这些特性后进行计算分析就可以得到未知点的位置。作为定位技术的一种，无线定位最早也是使用在导航方面。60年代中期正式投入使用的Transit系统第一次实现了全球范围内为用户提供高精度的二维定位服务。自此，无线定位开始出现在交通、调度、自动控制等多种应用领域。以Transit系统为基础，美国研制的GPS定位系统可以广泛应用在陆海空各区域的导航、高度测量、速度测量、自动控制、智能调度等各种领域，能够在全球范围内为用户提供全天候的三维定位服务。在军事以及民用上，GPS系统有极大的需求，它的出现加速推动了无线定位技术的发展，近年来欧洲和我国也分别开始建立类似的如伽利略定位系统和北斗定位系统。正是由于无线定位在安防、施救等方面的重要作用，因此当美国颁布E-911后，更多的机构投入到对无线定位的一系列的研究和开发中。随后，美国又在对E-911的补充中明确规定了定位的精度。第2页，共49页在现代信息社会，获取位置信息越来越重要，尤其是无线定位技术与自动控制技术、计算机技术、通信技术的结合使得无线定位拥有更广泛的应用前景。目前，无线定位的主要应用领域包括以下几个方面：（1）导航，目前最主要的应用领域，此项业务一年的产值达百亿美元。导航不仅能指示用户当前所在的位置，还能与计算机技术相结合为用户提供交通指示、导引，并实现对交通的智能调度、自动控制等。（2）安全，各种安全事故发生后，对位置信息的准确获取能够提供更快更好的帮助，减少不必要的伤害。比如对火灾现场对消防员的定位，矿井中对工人所处位置的定位等能极大的增加灾祸发生后的救援速度。（3）监测，对各种重要设备、物品以及人员的位置监测，可以防止盗窃、丢失、走失等。例如在超市、展馆等场所，对人员的无线定位可以随时得知儿童的位置，防止走失。而在各种保密部门中，也可以通过对人员的无线定位来直观、自动的得知人员的位置信息，监测人员的移动情况。（4）自动控制，自动驾驶、工业控制等。例如在超市、仓库实现对货品的无线定位后可以实现物流的自动管理。（5）测量与探测，高度测量、距离测试、速度测量等。无线定位的应用领域还有很多。随着定位精度、范围的提高，定位所需设备的成本进一步降低等，无线定位还将使用在更加广阔的领域。1.1.2课题研究的背景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精度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)产业的快速发展。此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位服务。这些服务主要应用于:公共安全，如紧急救援；报警信息发布，跟踪业务，如犯罪嫌疑人的跟踪，走失老人和儿童的寻找，车辆的防盗报警，交通监控；基于位置的信息业务：如车辆导航服务，城市观光；基于位置的信息发布等。无线定位服务已经基于ZigBee的室内无线定位设计第3页共49页在军用、民用和商用领域证明了其重要性。现今实用的定位系统多半基于GPS(GlobalPositioningSystem)技术，导致应用成本较高。低成本、高可靠性的新型定位系统的研究开发变得非常紧迫。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应用于国防军事、国家安全、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的低成本、便于大规模应用，使得以WSN为载体的定位研究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。在无线通信协议体系中，IEEE802.15.4是其中一种新兴的协议标准，因其优越性，它获得了快速的发展。它确定了低速个人局域网(LR-WPAN)标准，定义了物理层(PHY)和媒体接入控制层(MediaAccessControl，MAC)。2003年，ZigBee联盟在物理层和媒体接入控制层的基础上对网络层(NWK)和应用层(APL)进行了具体定义，为用户提供了大量的API函数，从而形成了完整的ZigBee协议。ZigBee技术作为一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术，它的独特技术特点使得其成为WSN中的理想通信技术选择。随着对ZigBee技术研究的不断深入，大量的实用ZigBee硬件、软件载体都相继被推出，使得基于ZigBee技术的WSN和定位技术获得了迅猛的发展。尤其是基于ZigBee技术的定位系统的研究与开发逐渐成为了一个研究热点。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、而且多数存在成本偏高等缺陷，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。1.1.3课题意义与目标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适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，这种定位是第4页，共49页利用卫星对地面上的物体进行位置的确定，可是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，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。在目前的局域定位系统中，还没有一种像卫星定位这样成熟且得到广泛使用的系统出现，在定位系统的精度、成本、可适用的布网环境等各个方面还有很多需要提升的地方。近年来，廉价的ZigBee模