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基于zigbee无线定位技术研究
基于ZigBee的无线定位技术研究
摘要：
随着现代通信技术和无线网络的快速发展，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，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，比较完善的封闭空间定位技术目前还无法很好地利用。
本文的重点就在于设计并实现了一种低成本、实用的无线传感器定位系统。
本论文主要研究了基于ZigBee网络的室内无线定位技术，它包括硬件平台、节点通信程序和上位机监测软件三部分。
本文详细介绍了三部分的实现。
其中，硬件平台以集成了射频与51微控制器的CC2430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。
论文最后对定位系统进行了实际测试。
测试表明:
本系统达到了设计要求，是一个低成本、易实现的系统。
关键词：
ZigBee无线定位CC2430Z-STACK
TheResearchWirelesslocalizationBasedonZigBee
Teacher：
liuzhi
（Changchununiversityofscienceandtechnologyofelectronicinformationengineeringinstitute,060412225wangmeng）
Abstract：
Withtherapiddevelopmentofmoderncommunicationtechnologyandwirelessnetwork,people'sdemandforpositioningandnavigationisincreasing.Especiallyincomplexindoorenvironments,butasthelimitationofpositioningtime,positioningaccuracyaswellasthecomplexityoftheindoorenvironmentconditions,well-positioningtechnologyisstillunabletobeusedinanencloseurespace.ThecombinationofZigBeetechnologyandlocalizationisoneofthekeyresearches.
Thispaper,aimingatZigBeenetwork,investigatestheindoorwirelesslocationtechniquesandimplementsareal-timelocalizationsystem.Thispaperachievesalocalizationsystem.threepartsareincluded.Theyarehardwareplatform,communicationprogramofnodesandPCmonitorsoftware.Theachievementofeverypartisclearintroducedinthispaper.ThecoreofhardwareplatformisCC2430whichisintegratedbyRFand51MCU,thelocalizationnodesaredesignedandmade.ItincludesRFmodule,auxiliarymoduleandfunctionindicationcircuits.
Intheend,practicaltestisimplemented.Thissystemisconfirmedtobeagoodone,itisalowcostandeasyachievedsystem.
Keywords:
ZigBeeWirelesslocalizationCC2430Z-STACK
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日期：
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1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
引言1
第一章绪论2
1.1课题研究背景与意义2
1.2基于测距的定位技术介绍2
1.3国内外研究现状3
1.4无线定位系统未来发展趋势3
第二章ZigBee技术概述5
2.1ZigBee简介5
2.2ZigBee网络的构成5
2.2.1星状网络拓扑6
2.2.2对等网络拓扑7
2.3ZigBee协议的研究8
2.4ZigBee技术应用前景8
第三章基于ZigBee技术定位系统的设计10
3.1ZigBee定位技术的介绍10
3.2系统所采用的算法介绍11
3.2.1基于RSSI测距算法11
3.2.2三边测量法11
3.3系统硬件设计12
3.3.1硬件总体规划12
3.3.2无线通信芯片CC243012
3.3.3CC2430射频模块设计13
3.3.5定位节点软件设计16
第四章定位功能测试20
4.1测试条件与环境20
4.2测试结果20
第五章结论21
致谢23
参考文献24
引言
无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃（eMote）”技术，是目前国内、外研究的热点技术之一。
该系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术，工作在2.4GHz，用于个人区域网和对等网状网络。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。
他是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。
主要用于近距离无线连接。
它依据802.15.4标准。
在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很小的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
相对于现有的各种无线通信技术，无线ZigBee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术。
这一技术目前正向工业、民用方向推广和发展，市场前景广阔。
包括国家863计划等项目都在进行相关的研究工作。
因此，本文介绍的基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台，这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、保安系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化合医疗监护设备等许多行业和设备。
具有广泛的适应性。
并能弥补其他无线通信技术的不足，保证其安全性，降低服务成本。
第一章绪论
1.1课题研究背景与意义
无线定位系统最初是为拉满足远程航海等要求产生的。
随着科学技术的发展，无线定位服务逐渐走进人们的生活。
1996年，两帮通信委员会制定啦E-911服务，要求所有无线业务提供商在移动用户发出紧急呼叫时，必须向安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码。
以便对用户提供紧急救援行动。
此后定位服务就走向人们的生活的各个领域。
在军事上、商业上、生活中都发挥着其不可忽视的作用。
无线定位在实际应用中有两种意义，自我定位和基于网络定位。
其中自我定位是指被定为节点通过测量自己相对某个已知位置发送器的距离或者方向来确定自己的位置；而基于网络的定位则利用一系列的测量方法和算法估算自己在网络中的位置。
无线通信技术的成熟和发展带动啦新兴无线业务的出现，越来越多的应用都需要自动定位服务。
GPS的出现解决啦军事和民用的很多实际问题。
但是，当需要定位的物体位于建筑物内部时，其定位精度就明显下降，甚至无法工作。
而且处于其成本高，能耗大等因素，许多情况下他们不适合在室内或者是小范围内区域的环境中使用。
因此，必须研究的室内定位技术以弥补GPS的不足。
目前，常见的技术有红外技术，以ZigBee/IEEE802.15.4为代表的无线局域网技术，超声波技术和RFID技术。
而基于ZigBee技术的定位系统，又以其功耗低，成本低，体积小等一系列的优点而近年来倍受人们青睐。
1.2基于测距的定位技术介绍
基于测距的技术，首先要测量被定为节点和参考节点之间的距离和方向，然后计算定位节点的位置。
定位的测量方法有很多种：
如基于AOA的方法、基于TDOA的方法、基于TOA的方法。
这里我们主要介绍基于RSSI测量方法。
基于RSSI测量方法：
首先根据发射节点和接收节点的信号强度值，计算出信号在传播过程中衰减程度；然后再利用理论和经验模型将传输损耗转换成距离；最后利用三边测量法或三角测量法计算出节点的位置，因此RSSI法需要多个参考节点。
由于RSSI测量法是利用信号衰减程度来进行测距的，所以周围环境对信号的传播有很大的影响，如温度、障碍物等对信号衰减程度就会造成很大的影响，此外无线传输芯片所使用的天线也在很大程度上对信号产生一定的影响。
但由于目前很多无线传输模块都可以直接测量信号衰减的RSSI值，因此这种方法的定位无需额外的硬件设备，满足现在低功耗、低成本的发展趋势。
如果我们在具体应用中，根据具体的应用环境，找出一个最适合的经验模型，再用一些修正的算法对定位误差加以修正，这无疑是一个十分好的定位算法。
此外还有一些不太常用的用于定位测距的算法，如接收信号相位差（PDOA）、近场电磁测距（NFER）等方法。
而且我们还可以根据环境的要求使用混合的定位测距方法。
如Cricket系统即使用啦TDOA和PDOA混合的定位方法。
1.3国内外研究现状
1992年，英国剑桥ORL的ActiceBadge系统是最早期的室内定位系统之一。
1998年，由Microsoft公司开发的RADAR定位系统利用“指纹识别法”技术定位，他是基于RSSI技术的室内无线射频定位系统，利用信号传播模型和经验测试相结合的场景法定位。
1999年，BatSystem作为ActiveBadge系统的后继发展，实现啦最高达3cm的定位精度，他是使用超声波和设频信号收发器，基于TOA技术定位的一种定位系统。
2000年，由麻省理工大学研制的Cricket系统从硬件的尺寸和价格上都有所突破，是现在仍在使用的室内定位系统之一。
2001年，基于TDOA测距的AHLOS系统使用啦一种迭代的定位算法。
2002年，加利福尼亚大学的Calamari系统是一种为传感器网络设计的Ad-hoc定位系统，他同时采用拉TOA和RSSI两种技术进行定位。
无线定位系统在中国的发展起步比较晚，但发展速度非常快。
很多大小型公司都相继推出自己的定位解决方案。
其中比较典型的有：
中兴的CDMA移动通信系统定位业务解决方案，康柏电脑公司的移动定位服务解决方案，中软安人的3G车载无线定位系统以及苏州工业园区的基于Wi-Fi的实时定位系统等等。
由于近两年zigBee技术在国内的兴起，又有很多家小公司做起啦基于ZigBee技术的定位系统，并且都达到不错的定位效果。
其中包括：
赫立讯的无线定位解决方案，深圳金图旭昂的ZigBee无线定位方案以及北京博控的ZigBee定位产品在消防中的应用等等。
此外，成都的无线龙通讯科技有限公司还在2008年初，特意推出啦一本关于ZigBee定位技术的书，也引起啦不错的反响。
1.4无线定位系统未来发展趋势
随着无线定位系统在国内外突飞猛进的发展，近年来涌现出啦越来越多的无线技术，这些技术在定位行业的发展上也起到啦很大的作用。
从一开始AT&Tcambridge研究室研制的基于红外技术的有源标签用于室内物体的定位开始，到基于IEEE802.11的无线局域网定位系统，再到使用超声波技术的Cricket系统和基于RSSI技术的Spoton系统。
用于定位的无线技术发展得很迅速。
目前，出啦上述技术外，围绕微雷达技术和UWB技术的定位研究也在进行中。
2006年根据IEEE802.15.4a标准制定的Nanotron公司的CSS定位系统又进一步淘汰啦UWB的方案。
而刚刚推出的ZigBee技术又以低价格、低功耗等一定的特点在市场上占有拉一定的优势。
由于ZigBee技术是一门新推出的无线通信系技术，仍有很大的发展前景，所以放眼未来，使用ZigBee技术作为无线定位系统的组网基础无疑会成为无线定位系统最好的选择。
第二章ZigBee技术概述
2.1ZigBee简介
ZigBee技术是由英国Invensys公司、口本二菱电气公司、美国Motorola公司以及荷兰Philips等公司于2002年共同提出的，其目的是用来设计开发具有低成本、低速率、低功耗的无线通信网络系统。
在此项技术推出的同时，上过几家公司宣布组成ZigBee联盟，该联盟致力于定义允许不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要。
到目前为止，除了上面提到的Invensys等国际知名的大公司外，还有许多来自各个国家的公司也加入其中，如中国的华为技术有限公司等，ZigBee联盟的成员企业已经达到了200多家。
其中包括了芯片制造商、系统集成商、消费类电子厂商及软件开发商等等，而且，这个联盟还在不断地发展壮大。
2003年11月，IEEE正式发布了IEEE802.15.4办议标准，该标准作为ZigBee技术的物理层和MAC层协议标准，网络层协议标准由ZigBee技术联盟制定，应用层根据用户自己的应用需要进行开发。
2004年末，ZigBee联盟正式发布了
该项技术标准，进一步推进了该技术的实际应用，许多生产商相应的推出了户
己的芯片产品和开发系统，如Freescale的MC13192,TI公司的Chipcon系列CC2430,CC2431,Jennic的JNS121以及韩国Radiopulse公司的MG2455等等。
ZigBee技术的主要特点包括：
成本低，模块的初始成本估计在6美元左
右，最终目标要在1美元以内，而且ZigBee协议是免专利费的；可靠性高，
采用碰撞避免机制，同时为了保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信
协议；具有安全保密性，ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128（AdvancedEncryptionStandard）算法对传输数据进行加密；网络容量
大，可支持多达65000个设备节点；功耗低，可以采用休眠模式，两节五号电
池可支持长达半年以上的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的。
2.2ZigBee网络的构成
ZigBee网络层支持三种网络拓扑结构。
分别为：
星状网络拓扑、树状
网络拓扑以及网状网络拓扑结构。
在星状网络中，网络主要由ZigBee协调器
控制，它主要负责网络中设备的初始化和维护工作。
星状网中的其他设备叫做
终端设备，直接和协调器进行通信。
在树状和网状网络中，ZigBee协调器主
要负责形成网络和选择网络主要参数，然后通过路由节点扩张网络。
在树状网
络中，路由节点使用等级路由机制进行数据的传输和控制信息，树状网络可以
使用信标使能的通信。
网状网络允许全对等通信，但是网状网络中的路由节点
发送的不是标准信标帧。
但是从功能上主要分为星状网络拓扑结构和对等网络拓扑结构两种类型。
其中树状网络和网状网络同属于对等网络拓扑结构。
下面分别对这两种网络拓
扑结构进行介绍。
在介绍具体网络拓扑结构之前先介绍两个概念：
全功能设备（（FullFunction
Device,FFD和精简功能设备（ReducedFunctionDevice,RFD）。
FFD的特点
有：
支持任何网络拓扑结构、可以成为网络协调器或路由器、可以充当网络中
的任何设备以及能和任何设备通信；RFD的特点有:
不能成为网络协调器、不能有子节点、只能和自己的父节点通信。
2.2.1星状网络拓扑
星状网络拓扑结构如图2-1所示。
星状拓扑网络结构由一个叫作个域网（PersonalAreaNetwork,PAN）主协调器的中央控制器和多个从设备组成，其中主协调器必须为FFD设备，从设备既可为FFD设备也可为RFD设备。
图2-1星状网络拓扑结构图
星状网络拓扑结构的形成：
首先选择一个具有全功能的设备（（FFD）做为网络的PAN主协调器，然后由它来建立一个新的网络，并确定该网络的唯一的一个PAN标识符，即PANID号。
每个星状网络中只有唯一的一个PAN主协调器，所以每个星型网络通信都是独立于当前其他星型网络的，所以应该选择一个新的PANID号以确保网络的唯一性，这种特点是ZigBee技术所特有的。
当协调器建立了新的网络以后，其他从设备就可以加入到这个网络之中，做为这个星状网络的子节点。
其中，从设备可以是FFD设备，也可以是RFD设备。
目前，星状网络拓扑结构以其结构简单、实现起来比较容易等特点而被大
量应用在远程监测和控制中。
星状网络结构的简单主要体现在紧需要执行很少的上层协议、对路由功能的控制相对容易，而且方便管理。
大部分管理工作都是由PAN协调器来完成的。
但是由于其只能实现简单的网络，所以在大规模组网的场合里便无法应用，而且如果通信中某个节点的断开，便会对其他节点的通信造成影响，一定程度上限制了无线网络的覆盖范围，同时星状网络拓扑结构也很难实现高密度的扩展。
2.2.2对等网络拓扑
ZigBee网络中的树状网络拓扑和网状网络拓扑两种结构同属于对等网络
拓扑形式，其中树状网络拓扑结构如图2-2所示，其中防调器和路由器都是
FFD设备，终端设备为RFD。
终端设备节点只能与自己的父节点进行通信，
从属于不同父节点的子节点之间不能进行通信。
图2-2树状网络拓扑结构图
网状网络拓扑结构如图2-3所示，网状拓扑网络中的所有节点都是FFD设备。
节点间是完全对等的通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，但也需要有一个节点作为网络防调器，通常把第一个在信道中通信的节点作为防调器节点。
图2-3网状网络拓扑结构图
其中树状网络中任何一个节点的故障都会使与其相连的子节点部分脱离网
络。
如果在稳定的无线电射频环境中，需要有一定的网络覆盖范围，而且网络
有一定的稳定性和扩展性，那么树状网络拓扑将是一个很好的选择。
2.3ZigBee协议的研究
ZigBee协议栈的体系结构是由物理层（PhysicalLayer,PHY）,媒体访问控制层（MediumAccessControlSub-layer,MAC）、网络层（NetworkLayer,NWK）和应用层（ApplicationLayer,APL）组成的。
其中，PHY层和MAC层协议由IEEE802.15.4定义，网络层和应用层的协议由ZigBee联盟定义，而应用层又包含应用支持子层（ApplicationSupportSub-layer,APS）,应用框架（ApplicationFramework,AF）,ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObjects,ZDO）和由制造商制定的应用对象。
其中各个层之间的通信是通过各层的数据或管理服务接口实现的。
2.4ZigBee技术应用前景
ZigBee标准的制定不是用来与蓝牙及其它已经存在的标准竞争的，它的出发点是希一望能够实现一种易布建的低成本无线网络。
在产品发展初期，以工业或企业市场的感应式网络为主，提供感应辨识、灯光和安全控制等功能，慢慢地逐渐将市场拓展至家庭应用领域。
通常ZigBee技术适用的场合主要有：
要求设备成本低，数据传输量少的应用；要求设备体积小、功耗低，长时间无需更换电池的场合；需要大范围的通信覆盖，网络中设备非常多的远程监控中。
由于ZigBee标准还制定了能使不同制造商之间共享网络资源的应用框架，其目标定位在现存的系统还不能满足产品需求的特定的市场，因而有着广阔的应用前景。
其应用领域主要包括以下几个方面：
家庭和楼宇网络中涉及到的空调温度的监控、照明设备的自动控制、电表和水表的计量控制、窗帘的自动控制、家用电器的远程控制等；工业控制中涉及到的各种监控器、传感器的自动化控制等；商业领域的智能标签等；公共场所的烟雾探测器等；农业控制上收集各种土壤信息和气候信息等；以及老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等等。
无论学术界还是实业界，人们看重ZigBee还有更重要的一点：
ZigBee技术为酝酿了20余年的普适计算理论，首次提供了一个从理论走向现实的技术平台。
ZigBee标准的普及，可以说是计算技术第四次浪潮的第一波。
随着微电子技术、计算机技术的不断发展进步，微处理芯片的组网功能会进一步加强，使得智能传感器与无
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