基于zigbee技术的定位技术研究与应用 学位论文Word文档格式.docx

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本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；

学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；

学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；

在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

日期：

导师签名：

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

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

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

4、研究方法的科学性；

技术线路的可行性；

设计方案的合理性

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

建议成绩：

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

二、论文（设计）水平

评阅教师：

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

3、学生答辩过程中的精神状态

评定成绩：

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

教学系意见：

系主任：

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

目录

摘要I

AbstractII

目录III

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]..............................................

3.1.1无线传感网定位相关的基本概念[11]..................................

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]..............................

3.2.2集中式与分布式定位算法..........................................

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]....................................

3.3.1包围盒定位法[17]..................................................

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

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]...............................

4.2

基于TDOA的无线传感网定位算法.........................................

28

4.2.1算法原理........................................................

5.2.2算法的仿真......................................................

31

4.3

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............................................

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..........................................

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....................................................

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................................................

5.3.4利用MATLAB对数据进行处理.......................................

5.4

实验及结论............................................................

44

5.5

48

第六章

全文总结与展望........................................................

49

6.1

全文的总结............................................................

6.2

以后研究工作的展望....................................................

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