ZigBee定位技术及消防安全应用

1、南昌大学硕士学位论文ZigBee定位技术及消防安全应用 姓名:何英申请学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:吴建华;陈加芬 201106摘要摘要ZigBee技术是一种新兴的短距离无线数据网络通信技术,它的低功耗和低 成本的特点使其在工业无线定位、家庭自动化、医用设备控制、环境监测、军 事战场检测等领域有着广泛的应用前景。其中,基于ZigBee的无线传感器网络的 无线定位技术虽然不是相当成熟,尤其是移动节点的室内定位技术尚不够成熟, 但是一直受到广泛的关注。本文主要研究了基于ZigBee无线传感器网络的室内 区域定位技术,实现了一个简单的单层楼宇的移动节点的室内定位系统,这个 系统可以

2、有效地提高消防员工作时的安全系数和工作效率,并实现楼宇内的消 防报警。关键词:无线传感器网络;ZigBee:RSSI;移动节点;室内定位技术;ZStackABSTRACTABSTRACTAs a new emerging short-range wireless digital communication network technology,ZigBee,because of its advantageslow cost and low power consumption, has been used in a wide application area,such as wireless l

3、ocation industry,home automation,medical equipment control,environmental monitoring,war,and SO on. Although wireless location technology based on ZigBee network is not quite mature, especially that indoor positioning technology of mobile nodes is still not mature enough,but it has caused widespread

4、concern.This dissertation.aiming art wireless sensor networks based on ZigBee,studies indoor positioning technology,and implements all indoor location system of mobile nodes in a simple single-building. The system call effectively improve the safety factor and work efficiency for firefighters,hence

5、impletmenting the insidebuilding fire alarm.Based on feasibility analysis,this dissertation proposed a new re酉onal location algorithm with higer positioning precision,of which the improvements include the number of collected data and the choice of data for positioning,and implemented an indoor locat

6、ion system based on ZigBee network.This positioning system includes hardware part and the software platform,and has the two features as follows.(1The location technology of mobile nodes based on RSSI and the tree topology are chosen and utilized;the visualized monitoring software is developed under

7、the software developmentenvironment VS2008.The systemS performance was tested on the laboratory condition which is located at a specific level of the building.Experimental reruslts show that the system can not only improve the safety factor of firefighters at work,but also achieve the goal of low co

8、st,low power consumption and easy IIIABSTRACT一一 deployment.(2Considering the limitation of old positioning algorithms,we proposed a ilew algorithm and verifiedthat it can improve the regional positioning precision,which has beenshowed by experiments.KeyWords:wireless sensor network;ZigBee;RSSI;mobil

9、e nodes;indoor positioning technology;Z-StackIV第1章绪论第1章绪论1.1课题研究意义随着社会的发展进步,越来越多的地方需要自动定位的服务,尤其是室内 自动定位服务,因此基于ZigBee的无线传感器网络的室内定位技术受到越来越 多人的关注。无线传感器网络是当前国际备受关注的技术之一。它能够自主实现数据采 集、融合和传输的智能网络,真正实现“无处不在的计算"模式【11。无线传感器 网络由多种学科高度交叉的技术,具有很好的发展前景。2003年,美国MIT 技术评论在预测未来技术发展报告中,将其列为改变世界的十大新技术之一。 同年,美国商业周刊

10、在“未来技术专版"中发表文章指出,传感器网络是 全球未来的四大高技术产业之一【l】。近年来,我国越来越重视发展无线传感器网 络技术,在理论、技术上取得了很大的进展,但是其研究与应用水平仍处于初 级阶段。ZigBee技术有自己的无线电标准,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少的功耗,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【2J,这些数据最后上传到计算机进行分析或者接 入到另一种网络中,从而合作地完成环境的检测和未知位置的定位。由于传感 器节点的硬件设备成本低、功耗小、体积轻巧、易于大范围地布建,所以基于 ZigBee的定位技术有很大的市

11、场前景。消防一直是关系社会安定和人民生命财产安全的重要问题。在消防工作中, 消防员所从事的工作是一项极为危险的工作。在混乱的场合下,如果指挥官不 了解消防人员的具体位置和状况,就会给指挥工作带来很大的盲目性,使得救 援不能及时、高效地展开,受灾损失不能降到最低。同时消防员本身的安全也 一直是人们关注的问题。目前大多数消防员在救火现场采用无线电装置与指挥 官进行通信,这种方法必须要消防员自己提供所在具体位置信息,指挥官不能 实时地掌握施救现场的变化和有效迅速地指挥施救工作,有很大的局限性。 本系统采用基于ZigBee的无线传感器网络定位技术,综合了无线传感网络 技术、无线通信技术、分布式信息处理

12、技术、嵌入式计算等相关技术。可以通第1章绪论过布置在大楼内的参考节点以及消防员身上携带的移动节点,形成一个多 跳的、自组织的、具有自愈能力的网络系统,这些节点之间合作地完成感知、 采集和处理网络覆盖区域中可感知对象的信息,并在上位机上实时地显示这些 信息的变化,为消防员和指挥官提供营救人员在大楼中的详细位置信息和火灾 现场的环境。及时准确地掌握消防员的位置能极大地帮助指挥官做出决策,例 如什么时候撤离消防员,从而避免更大的损失。无火灾时,各参考节点还可以 起到火灾监测报警的作用,为消防报警提供了双重保障,是消防装备中不可缺 少的现代化高科技设备之一。1.2课题研究现状无线传感器网络是一组以Ad

13、 hoe方式构成的无线传感器网络,其目的是协 作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发送给观察 者【31。无线传感器网络由许多传感器节点组成。 在节点密集的无线传感器 网络中,相邻节点距离短,这样多跳的短距离通信能够节省功耗,也能增加通 信的安全性,避免了长距离传输易受到的外界的干扰。在无线传感器中,大部 分节点都是静止的,只有少数几个节点是移动的。它们通常工作在人们无法接 近的恶劣甚至危险的远程环境中,电池无法进行充电,因此设计能够有效地延 长网络的生命周期和低功耗的节点设备成为无线传感器网络的关键问题。目前, 近距离的无线传感器通信技术有WiFi(IEEE 802.11

14、、红外数据通信、蓝牙 (Bluetoom、超宽带UWB(ultra wideband和ZigBee等技术。在短距离的无线通信技术中,虽然前有蓝牙,后有UWB,但是ZigBee技 术在功耗、可靠性和成本上有着独特的优越性,逐渐显示了它的发展潜力,在 无线传感网络中有着广泛的应用前剥41。ZigBee具有成本低、功耗小、有效距离 较长的特点,通信协议栈采用标准的协议,紧凑而简洁,相对于WiFi、Bluetooth、2第1章绪论UWB更适合无线传感器网络的应用,从下面的表格【5】中能清楚地看出这点。 表1.1无线传输方式的比较ZigBee协议是ZigBee技术软件方面的核心技术。目前,业界使用最广泛

15、的 协议栈为TI公司免费公开的基于CC2420/CC2430/CC2431/CC2480等射频芯片 的ZigBee协议。国内还没有完整版的协议栈出台,只有深圳的无线龙、无线古 等公司出售的精简版协议栈。在20世纪,随着电子通信技术的迅速发展,人们陆续研制出了很多大型无 线定位系统。20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航 定位系统GPS(Global Positioning System定位系统【2lJ,它是接收四颗卫星 的信号来确定自己所处的经纬度和高度。经过这么多年的发展,GPS定位系统 已从军用目的渐渐走进人们的生活16。现代的车载、手机导航仪已经普及了,使 得我们的

16、出行方便多了。1992年,英国剑桥ORL(Olivetti Research Ltd.的Active Badge系统是最早期的使用红外线收发器的室内定位系统之一。1998年,由Microsoft公司利用“指纹识别技术开发的基于RSSI技术的室内无线射频定位 系统叫ADAR定位系统,利用信号传播衰减模型和经验测试相结合法进行定 位。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.hoe 定位系统,它同时采用了TOA和RSSI两种技术进行定位17J。上面提到的是典型的定位系统中的几个。近年来,国内外有许多的无线定 位系统相继出台,其中应用比较多的无线定位技术有瞵J:基

17、于超宽带(Ultra Wide Band,UWB的定位技术、基于Wi.Fi的定位技术以及基于ZigBee的定位技术等 等。在国内,由于物联网技术逐渐兴起,很多公司做起了基于ZigBee技术的定 位系统,并且定位效果也不错。其中包括如下几家:赫立讯的无线定位解决方 案【91、深圳金图旭昂的ZigBee无线定位方案【l o】以及北京博控的ZigBee定位产第1章绪论品在消防中的应用11】等等。此外,成都的无线龙通讯科技有限公司一直专注于 ZigBee技术的研究,且相继出售了关于ZigBee定位技术的书籍:(ZigBee 2006无线网络与无线定位实战【12】、(ZigBee 2007/PRO协议栈

18、实验与实践13】。 无线室内定位技术的兴起,将会极大地改善人们的生活,相信以后会有更 好的定位系统出台满足人们的生活需要。1.3论文的主要工作及内容安排本文在深入了解国内外ZigBee无线传感器网络技术和定位技术的研究现状 的基础上,重点介绍了ZigBee技术的无线通信协议栈、定位算法的选择,提出 了一种精度更高的定位算法并在此基础上设计并实现了基于ZigBee无线传感 器网络的室内定位系统。本文的各章内容具体安排如下:第l章:绪论。介绍了基于ZigBee的定位技术的研究现状及在消防安全中 的应用意义,给出了本文的主要工作和内容安排。第2章:介绍了ZigBee技术。阐述了ZigBee的协议规范

19、,分析了协议结构 中的物理层PHY、介质控制层MAC、网络层NWK、应用层APL的各层功能; 分析了ZigBee网络的拓扑结构的内容,阐述了星状网络拓扑和对等网络拓扑的 优缺点;总结了ZigBee技术的特点。第3章:介绍了基于ZigBee无线传感器网络的室内定位算法。给出了无线 室内定位技术的分类,阐述了几类常见的技术。分析了无线室内定位技术的原 理及方法,分别从与距离有关的定位算法和与距离无关的定位算法两大类介绍 了几种经典的定位算法的原理。第4章:对基于ZigBee技术定位系统进行设计和在消防安全上应用实现进 行阐述。从系统原理框架设计入手,介绍了本定位系统的整体结构图、Z.Stack 协

20、议栈运行机制和所采用的定位算法。对系统的硬件平台和软件平台进行设计, 各个节点的硬件和软件部分设计所用的环境和需要实现功能方面的设计都有较 详细的内容。在软件实现方面,提出了一种新的定位精度更高的定位算法。试 验测试定位系统,并对实验效果进行了分析。简单阐述了系统在消防安全上的 应用。第5章:总结和展望。总结了本文的主要工作和对本文设计的定位系统存 在的局限性进行了分析,以及今后的研究方向。4第2章ZigBee技术概述第2章ZigBee技术概述2.1ZigBee协议规范的简介ZigBee是一种无线通信技术,具有自己的通信协议规范,通过软件协 议栈实现易于布建的大容量、不依赖现有通信网络和现有电

21、力网络的低成 本无线网络。相比于其他的短距离无线通信标准,ZigBee协议栈紧凑而简洁, 具体实现的要求很低:硬件只需要8位处理器,如8051,ROM一般只需要32KB, 但也支持最小4KB的ROM【121。ZigBee的协议栈结构是由一系列称为层的协议 块所组成的,如图2.1所示。乃喵e联盟I z-stackf腰EE J图2.1ZigBee的协议栈结构第2章ZigBee技术概述持一系列的服务原语。如图2.2【刀所示。图2.2Zigbee的协议系统模型ZigBee技术在物理层上采用直接序列扩频(DSSS技术进行无线信号的传 输,并且规范了通信频率为2.4GHz波段和868/915MHz波段。它

22、们支持的数据 数率和信道数如表2.1所示。表2.1物理层通信信道在不同的国家和地区,ZigBee网络所允许使用通信频率是不一样的。不同 国家的ZigBee频率工作范围如表2.2所示。我国规定采用的频段是2.4GHz波6第2章ZigBee技术概述段【41。表2.2不同国家的ZigBee频率工作范围物理层的作用主要是通过无线信道传输安全有效的数据,为介质访问层提 供数据服务和管理服务。主要完成以下任务:(1激活和休眠RF收发器。(2对当前的信道进行能量检测。 .(3选择通信信道频率和信道。(4检测接收到的数据包的链接质量指示(Link Quality Indication,LQI。(5为载波检测多

23、址与碰撞避免(CSMA.CA算法提供空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA。据库的维护。MAC层完成的具体任务如下例:(1使用CSMA.CA信道接入方式。(2协调器产生并发送网络信标帧(Beacon。(3其他设备根据协调器的网络信标帧进行同步。(4在两个对等的MAC实体之间提供可靠的数据链路。(5支持PAN网络的建立(Association、维护和断开(Disassociation 操作。(6管理时隙GTS(Guaranteed Time Slot机制。(7保证设备的安全性。7第2章ZigBee技术概述MAC公共部分子层.服务接 入点(MCPSSAPMAC层公共

24、部分子层隐含接口物理层数据.服务接入点 (PD.SAP MAC管理实体.服务接入点 (MLM匣.SAPMAC层管理实体物理层管理实体.服务接入 点(PLME.SAP如图2.3MAC层参考模型ZigBee网络层的参考模型如图2.4所示。网络层负责建立拓扑结构和维护网 络连接,并且提供一些必要的函数和服务接口与介质访问控制层和应用层进行 联系。图2.4ZigBee网络层的参考模型对于网络层,其完成和提供的主要功能如下【15】:(1建立PAN网络。(2建立路由功能。(3允许终端节点加入或者离开网络。8第2章ZigBee技术概述(4分配逻辑网络地址:如果本节点是协调器,则其逻辑网络地址就是 0x000

25、0,而其他节点的地址,则由协调器随机分配的。(5产生网络层的数据包:当网络层接收到来自应用子层的数据包,则进 7行解析,然后加上适当的网络层包头,并向MAC传输。(6发现邻居设备和维护网络邻居设备表。为了向应用层提供服务,网络层提供了两个功能服务实体:数据服务实体 NLDE和管理服务实体NLME。NLDE通过NLDE.SAP为应用层提供数据传输 服务,NLME通过NLME.SAP为应用层提供网络管理服务。网络层同样提供了 数据服务实体MCPS和管理服务实体MLME来保证介质访问层的正常工作。ZigBee应用层主要包括应用支持子层APS、ZigBee设备配置层(Profile、 ZigBee设备

26、对象ZDO。下面进行简单的介绍。应用支持子层主要是通过一些服务为NWK和APL提供服务接口。APS层 主要功能:处理数据单元APDU、在绑定的设备间传输数据、维持绑定表和维护 管理应用对象的数据库(AIB等等。ZigBee Profile是应用程序框架,是对逻辑设备及其接口的描述集合,是面 向某个应用类别的公约、准则。每个节点还提供了8位的应用层入口地址,对 应于用户应用对象。端点0为ZDO接口,端点1至240供用户自定义用于对象 使用。每一个应用都对应一个配置文件(Profile。配置文件包括:设备ID(Device ID,串D(clusterID,属性ID(Attribute D等。ZDO

27、是位于应用框架和应用支持子层中间的中间件,其主要功能集中在网 络管理和维护上。ZDO是一个特殊的应用层的端点(Endpoint。 网络层便可 以利用这些端点号来配置或者获所对应的应用对象的信息和功能。 ZDO的主 要功能如下:(1初始化应用支持子层(APS、网络层(NWK。(2发现节点和节点功能。9第2章ZigBee技术概述(3安全加密管理:主要包括安全钥匙的建立和发送,已经安全授权。(4维护网络。(5绑定管理:ZDO提供绑定功能的管理, 除绑定等功能。(6节点管理:定义了网络中的每个设备, 在设备间建立绑定联系。确定绑定表的大小,发起和解 是协调器,还是终端设备,并2.2ZigBee的网络拓

28、扑结构ZigBee网络支持多种网络拓扑结构,其中每个节点的功能并非相同。在网络 中要用到以下两种设备:全功能设备(Full.Function Device,FFD和半功能设备 (Reduced-Function Device,RFD。FFD的特点有:支持任何网络拓扑结构、可 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、路由器,只能和自己的父节点通信。在功能上,ZigBee网络层主要支 持星状网络拓扑结构和对等网络拓扑结构两种类型。其中,对等网络拓扑结构 包括树状网络和网状网络【4】。无论是哪种网络拓扑结构,每个独立的网络都有一 个唯一的标识符即网络号(P

29、AN标识符。(1星状网络拓扑结构星状网络拓扑结构的成员有:一个主协调器和多个从设备。主协调器由FFD 承当,从设备由RFD或者FFD构成。如图2.5所示。n FFDUO RFD2.5星状网络拓扑结构星状网络的拓扑结构简单,设备成本低,路由管理简洁,并且有个很大的 特点就是所有的通信都要通过主协调器转发。但这样的网络结构有以下两个缺 点:一是主协调器的负载较大,首先提高了它自身的性能要求;其次会大大地 增加了系统延时,严重影响网络的实时性;二是一旦主协调器不能正常工作就 会造成整个网络的瘫痪,降低网络的鲁棒性。10第2章ZigBee技术概述(2对等网络拓扑结构对等网络拓扑结构包括树状网络拓扑和网

30、状网络拓扑。树状网络拓扑结构 如图2.6所示,其中协调器和路由器都由FFD构成,终端设备由RFD构成。此协 调器的主要任务是组网。终端设备节点只能与自己的父节点进行通信,不能与 从属于其他父节点的子节点进行通信。树状网络的通信模式一般为信标03eaeon 模式,网内节点能做到很好的同步。树状网络成本较低、覆盖范围大,但其动 态适应性差,因为其中协调器或者任何一个路由器不能正常工作,都可能导致 整个系统不能运行,因此树状网络拓扑结构的稳定性较低。图2.6树状网络拓扑结构 O协调器 O路由罄 终端设备网状网络拓扑结构如图2.7所示,网状网络拓扑中的所有节点都由FFD担当。 节点间的通信是完全对等的

31、,并且通常选择第一个在信道中通信的节点为协调 器节点。由于网状网络拓扑结构是一个自由设计的拓扑结构,因此它有着很强 的自愈能力和自适应能力,适合比较复杂的环境。由于网状网络中的节点是对 等的,在通信中,有多种路由可供选择,这不仅增强了路由拓扑的动态性,也 提高了网络的容错性,但是同时也降低了节点的同步性。n FFD、; ,图2.7网状网络拓扑结构第2章ZigBee技术概述2.3ZigBee技术特点ZigBee技术的性能特点有如下几点:(1功耗低:由于ZigBee的传输速率低(不大于250Kbps,并且在没有数 据收发时可以处于休眠状态,因此功耗低、非常省电。这是其它无线设备望尘 莫及的。(2成

32、本低:ZigBee模块成本在逐渐降低,并且有免专利费的ZigBee协议。 低成本对于ZigBee的推广应用是一个很关键的因素。(3时延短:无线通信时延和从休眠状态中激活为工作状态的时延都非常 短,都在30ms以内。因此ZigBee技术还可以适用于对时延要求很高的应用。 (4网络容量大:在一个区域内可以同时存在100个不同的ZigBee网络,一 个ZigBee网络拓扑结构可以容纳255个节点设备,并且组网灵活。.(5易于布建:由于ZigBee网络节点无需电源和数据线等,可以任意布置, 并且可以随时增减节点,这样既降低了布线的成本又容易组网。(6可靠:采取了碰撞避免策略TALK.WHEN。READ

33、Y。在MAC层每个发 送的数据包被完全确认后传送,如果传输过程中出现问题还可以进行重发,这 样数据传输的可靠性高。(7安全:在ZigBee网络中采用了基于循环冗余校验(CRC的数据包完整 性检查功能,和AES.128的加密算法,充分保证了数据传输的安全性。2.4小结本章简单介绍了ZigBee技术。具体阐述了ZigBee的协议规范,分析了协议 结构中的物理层PHY、介质控制层MAC、网络层NWK、应用层APL的各层功 能;研究了ZigBee网络拓扑结构,阐述了星状网络拓扑和对等网络拓扑的优缺 点;总结了ZigBee技术的特点,最后进行了本章小结。12第3章基于ZigBee无线传感器网络的典型室内

34、定位算法第3章基于ZigBee无线传感器网络的典型室内定位算法随着生活水平的提高,人们对定位的服务越来越多,因此定位技术的发展 受NT"广泛的关注。国内外许多公司和研究机构展开了基于ZigBee无线传感器 网络的定位技术研究,但国内的研究才刚刚起步,许多技术还在完善阶段。3.1无线室内定位技术的分类受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制,比较完善的定位 技术目前还无法很好地利用。因此,人们提出了许多室内定位技术解决方案, 常见的技术有室内GPS定位技术、红外技术、IEEE 802.11为代表的无线局域网 技术、RFID技术等等。(1GPS是目前使用最广泛的定位技术之一。GP

35、S定位通过四颗卫星定位, 并采用基于到达时间(TOA16J的方法计算移动用户的位置信息。当GPS接收机 在室内工作时,由于信号受建筑物的影响而大大衰减,定位信息很微弱,几乎 无法定位。为了提高信号灵敏度,人们提出了室内GPS(A.GPS定位技术。利 用GPS进行定位的优势有:有效覆盖范围大、定位导航信号免费;缺点是定位 信号不能进入室内,到达地面时较弱,而且定位器终端成本较高。(2红外线室内定位技术【1711引。Olivetti研究室(现在为AT&T Cambridge 研究室研制的基于红外技术的有源标签可以用于室内物体的定位。其原理:红外线瓜标识调制发射的红外射线,通过安装在室内的光

36、学传感器接收进行定 位。由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线只能视距传播,要求物体必须和 红外线阅读器必须成一条直线。红外线室内定位技术具有相对较高的室内定位精度,但是只适合短距离的。 点与点的直线通信,而且容易被荧光灯或者房间内的其他灯光干扰,这些因素 限制了它的发展。(3Wi-Fi技术。当前比较流行的Wi.Fi定位是无线局域网络系列标准之 IEEE802.11的定位解决方案。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用Wi.Fi进行室 内定位的软件。Wi.Fi绘图的精确度大约在1米至20米的范围内,但是,定位 的测算仅仅依赖于哪个WiFi的接入点最近,而不是依赖于合成的信号强度图,第3章基于Zig

37、B无线传感器网络的典型室内定位算法这样在楼层定位上很容易出错。该系统易于安装,需要很少基站,能采用相同的底层无线网络结构。但是 Wi.Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域,而且很容易受到其他信号的干 扰,从而影响其精度,定位器的能耗也较高。(4射频识别(I强D定位技术。技术I疆ID利用接收信号的位置和强度 信息建立三维空间模型计算其坐标位置,这种技术作用距离短,一般最长为几 十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成 本较低。但是它的应用难点有理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标 准化等等。射频识别I强D定位技术所用的标识的体积比较小,造价比较低,但是作用

38、距离近,不具有通信能力,而且不便于整合到其他系统之中119J。此系统目前还 不完善,有待于进一步的研究。(5ZigBee技术。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、有自己的无线电 标准的无线网络技术,可以用于室内定位。此系统基于无线局域网络,在特定 的无线局域网络中,先安装一些已知位置信息的参考节点,移动节点通过无线 通信得到已知节点的信息(时间或信号强度值,并结合定位算法计算出节点的 坐标。这些传感器节点只需要很少的功耗,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。ZigBee最显著 的技术特点是它的低功耗和低成本。3.2无线室内定位原理及方法在

39、无线传感器网络节点定位技术中,根据节点是否已知自身的位置,把传 感器节点分为信标节点(BeaconNode和未知节点(UnknownNode。信标节 点在网络节点中所占的比例很小,是未知节点定位的参考点。除了信标节点外, 其他传感器节点就是未知节点,它们通过信标节点的位置信息,根据一定的定 位算法计算出自身位置。要求知道具体位置的未知节点成为待定位节点。室内定位方法中有以下两大类:集中式定位和分布式定位。其中分布式定 位是用得更广的定位算法。分布式定位算法(Decentralized or distributed localization techniques是指各待定位节点自主地与周围节点通

40、信获得相关信 息,并自己完成位置定位,再根据要求把自己的位置信息传到中心机。因此,14分布式定位对中心机的处理、储存和通信等能力不用那么高了,并且功耗小、 成本低,满足ZigBee无线感器网络的要求。在分布式定位方法中,根据定位过程中是否测量实际节点间的距离,分布 式定位算法又分为以下两类算法:基于距离的定位算法(Range-based positioning algorithm和与距离无关的定位算法(Rangefree position algorithm,如图3.1所示。图3.1分布式定位算法分类基于距离的定位算法是先获得未知节点与信标节点之间的实际距离,再使 用一定数学方法获得自身位置信

41、息。通常具体过程分为三个阶段:第一,测距阶段;未知节点可以测量与周围信标节点的直线距离或者角度 关系;第二,定位阶段;利用的主流方法有三边测量法、多边测量的极大似然估 计法和三角测量法来获得未知节点坐标;第三,修正阶段;利用迭代【5】、最dx-乘法【201、差分修正法71、卡尔曼滤波 等方法对所得的结果进行修正。下面来侧重介绍下前两个阶段所用的方法。测距阶段常用的方法有:到达时间TOA定位、基于到达时间差TDOA定位 1211、基于角度AOA的定位、基于信号强度指示RSSI的定位方法等。(1TOA测距方法122】【231基于TOA(Time of arrival的测距方法的基本原理是:已知信号

42、的传播速度, 根据参考节点发送信号到定位节点所需的传播时间来计算节点间的距离。目前, GPS定位系统使用此方法。该方法虽然精度较高,但对发送者和接收者的时间同步要求特别严格,因而具有硬件设备复杂,价格高和功耗大等方面的缺陷, 这也使得TOA方法很少用在室内定位方面。(2TDOA测距方法在TDOA(Time difference ofarrival24】定位方法中,发射节点同时发射超 声波和无线电射频信号两种不同传播速率的无线信号,接收节点根据接收到两 种信号的时间差以及这两种信号的传播速度,计算出发射节点和接收节点之间 的距离。该方法的测量精度高,可达到厘米级,但超声波的传播距离有限(超声 波

43、信号通常传播距离仅为20.30英尺且不能穿透墙壁等障碍物,另外此方法要 增加额外的设备来感知两种信号,开销比较大,不适合低功耗的室内定位。 (3AOA测距方法在AOA(Angle ofarrive定位方法中,接收节点通过天线阵列或多个超声 波接收机感知发射节点信号的到达方向,计算接收节点和发射节点之间的相对 方位或角度,再通过三角测量法计算出节点的位置。该方法也需要额外的定向 天线或者天线阵列设备,这样既增加了成本又增加了系统的复杂性,因此也不 适合低成本的室内定位。(4基于RSSI的测距方法基于RSSI(Received signal strength indicator19J定位是指已知发

44、射节点的 发射信号(射频RF信号强度,接收节点根据接收到的信号强度,计算出信号 传播损耗,再由理论模型或者经验模型转化为距离,最后根据已有的算法计算 出待定位节点的坐标。RSSl的主要优势在于通信负载较低而且不需要增加额外 的硬件设备。但在实际的环境中,RSSI受外界影响较大,它的误差主要来源于 外界环境,反射、多径传播、天线增益等问题都会造成不同的传播损耗,造成 测距误差,因此定位精度往往不是很理想,所以该技术在实际应用中仍然存在 许多问题。总的来说,基于TOA和TDOA技术的定位系统依赖于发射器和接收器之间的 精确定时同步,因此对系统硬件的要求会比较高,同时也增加了系统的复杂性 和成本;而

45、基于AOA技术的定位系统因需要额外的定向天线或者天线阵列而存 在类似的问题,而且AOA技术也易受外界环境的影响。基于RSSI技术方法的最 大优点就是我们能够充分利用现有的系统,基本不需要辅助设备就可以建立定 位系统,因此获得RSSI信息要比获得到达时间(TOA和到达角度(AOA容易的 多。本文采用的定位方法就是基于RSSI的测距定位。16第3章基于ZigBee无线传感器网络的典型室内定位算法获得了未知节点与信标节点之间的实际距离之后,就要使用一些定位方法 获得自身位置坐标。其主要方法有:三边测量法、多边测量法和三角测量法 (1三边测量法三边测量法是基于测距计算定位节点坐标的基本方法,当定位节点

46、到至少 三个信标节点之间的距离已知时可以选用此方法。如图3.2所示,其基本原理:设A、B、C为三个参考节点,R为移动节点(待定位节点,R与A、B、C之 间的距离分别为西、盔、以,分别以A、B、c为圆心,4、以、以为半径 画圆,三者交于一点,即为定位节点R的位置。如图3.2所示。图3.2三边测量法不慈图A、B、C的坐标分别为(五,Y1、(屯,Y2、(x3,y3,AR-dl,BR=畋、 CR=识,R的坐标为(X,y,可得到下列方程式:f(x一五2+(y一咒2=盔2(x一而2+(y一儿2=攻2I(x一玛2+(y一乃2=d32解此方程可得z.Y值三边测量法的缺点是:由于各个节点的硬件和功耗不同,所测出

47、的距离不正 确,导致上述三个圆未必刚好交于一点,因此利用此方法计算出来的,Y坐标 值是存在误差的,这时一般采用最大似然估计法来改善算法。(2多边测量法多边测量法是三边测量法的变形,因为三边测量法在实际应用中存在三个 圆未必刚好交到一点的问题,则人们对它提出了一种改进的方法多边测量 法。其参考节点个数大于3个。其原理如图3.4所示:17第3章基于ZigBee无线传感器网络的典型室内定位算法图3.4多边测量法参考节点的坐标分别为墨(而,乃、马(吃,款R(%,%,他们到定位 节点M(x,Y的距离分别为d,吐,盔,匠,可以得到下面的方程组:f一五2+(y-y12=盔2j(x一屯2+(y一耽2=畋2(1

48、 l 【(x一吒2+(y一咒2=吃2前挖一1个方程依次减去第n个方程,再由线性方程解得X,Y的值利用此方法定位,即使存在一定距离误差,也能得到较高的定位精度。然 而该算法需要进行比较多的计算,其能耗也是不小的。(3三角测量法三角测量法是根据三角形的几何关系进行计算定位节点的坐标。三个参考 节点组成一个三角形,根据定位节点与其中两个参考节点之间的夹角进行坐标 计算,原理如图3.5所示:图3.5三角测量法18图中,置(五,乃、恐(恐,儿、忍(恐,乃为三个参考节点,节点M(x,Y 到各参考节点的角度为么心MR3,驰.?峨,讧朋飓,类似前面两种方法,列出 方程组即可求得x,Y值。此方法自然是比三边测量

49、法复杂,而且其计算量大,计算中带来的误差也 是不小的。与距离无关的定位算法是通过待定位节点与周围的信标节点通信而获得信 标节点的坐标或者跳数等相关信息来计算未知节点的坐标。该算法要求网络的 连通度较好,其最大优点是不需要额外的硬件设备。与距离无关的定位算法主 要有以下几种:质心定位算法、距离向量.跳段算法【4】r71、近似三角形内点测试法 APIT、Amorphous定位算法等【5。(1质心定位算法(Centroid algorithm质心是多边形的几何中心,质心定位算法是指把周边多边形的顶点坐标的 平均值作为质心的坐标。其过程是待定位节点每隔一段时间向周围广播定位请 求信号,周围信标节点则回

50、复带有自身D和坐标信息的信号,当所接收到的节 点数到达某一阈值后就计算这些信标节点所组成的多边行的质心坐标作为待定 位节点的坐标。假如收Nn个信标节点坐标的回复,则待定位节点坐标为:(x,y=(五十而+.+%乃+耽+y玎刀 刀质心定位算法无需节点间的协调,比较容易实现;但是它也存在很多问题, 例如在算法中,假设节点的通信是以某一半径的圆形传播的,而在有许多障碍 的室内环境下的传播模型是不可能这么规则的,而且本身算法就是一种估摸算 法,不精确。但是即便如此,现在的许多定位算法是从这种最简单的质心定位 算法衍生出来的,比较典型的有加权质心定位算法,其原理还结合了基于距离 的定位算法,比如RSSI定

51、位犯5】【26】。(2近似三角形内点测试法(APIT algorithmAPIT算法实质是质心定位算法,但它能够得到更精确的包含未知节点的多 边行区域,其主要步骤为【5l:第一步,待定位节点任意选择相邻的三个信标节点,再利用最佳三角形内 19点测试法PIT判断是否在这三个信标节点所组成的三角形内部;PIT的原理图如 图3.6所示:,./, E /F.。 、/-、 .、/声“。一。图3.6PIT的原理图/、 /囤? _、 当所测点移动时,如果待测点同时远离或者靠近三个信标节点,则所测节 点在该这三个信标节点组成的三角行外,否则,在三角形内。这里用节点间通 信的信号强弱变化来判断距离的变化,因为一

52、般距离远,信号会变弱。第二,使用不同信标节点穷尽所有的三角形测试或者达到所需定位精度为 止,这样就能得到包含待定位节点的所有三角形;第三,得到所有这些三角形的重叠区一多边形区域,计算该多边形的质心 坐标,即为该待定位节点的坐标。该算法在无线信号传播模式不规则的情况下,定位精度高而且稳定。但也 需要较高的节点密度和连通度。上文介绍的这些算法都是很经典的算法,但在实际用中,由于各种外部环 境的条件限制,许多算法仍需要改进。近来,在解决实际问题时,一般会像在 介绍质心定位算法时所提到的,往往是同时结合使用几种定位算法,或者对某 种算法进行改进。3.3小结本章介绍了基于ZigBee无线传感器网络的室内

53、定位算法。首先分别阐述了 A.GPS技术、红外技术、IEEE 802.11为代表的无线局域网技术、RFID技术、 ZigBee技术,然后分析了无线室内定位技术的原理及方法,并基于与距离有关 的定位算法和与距离无关的定位算法两大类介绍了几种经典的定位算法的原 理。20第4章基于ZigBee技术定位系统的设计第4章基于ZigBee技术定位系统的设计无线定位功能的实现均是基于某一种无线通信网络的,基于ZigBee技术的 室内定位同样也是基于一种无线通信网络ZigBee无线通信网络的。针对实 验室和走廊环境的室内定位应用,我们设计出实用的定位系统,实现移动节点 的区域定位,并在上位机上进行实时地监测和

54、管理。定位系统的节点分布根据 实际应用的情况进行适当改变就可以应用到消防等应用中。4.1系统原理框架设计无线通信协议是ZigBee无线传感网络的核心技术,也是本定位系统的关键所 在。传感器节点定位是本系统设计的目的,节点定位技术可以利用RSSI值来评 估节点间接收的信号强度,再通过这个强度的大小来判断通信节点之间的距离。 下面将从定位系统结构图、协议栈的运用和定位算法的探究三个方面进行简单 介绍。定位系统结构图如图4.1所示。无线传感器定位网络中存在3种功能类型的 节点,分别为协调器节点、参考节点和移动节点。协调器节点(网关的主要 任务是组网和采集数据:首先要响应上位机发出的命令,开启网络,等

55、待其它 类型节点入网;其次要接收其他各节点上传的数据并传送给上位机软件处理; 最后,协调器也可作为参考节点使用。参考节点(路由器是一些静止的、已 知自身位置信息的固定节点,它的主要任务是发送包含定位相关信息如RSSI值 的数据包给移动节点辅助定位;同时,参考节点还具有路由的功能。移动节点 (动点也就是待定位节点,可在参考节点包围的区域内任意移动,定位的目 的就是要获得该类节点的位置信息,其主要任务是移动节点计算各个参考节点 提供RSSI值的平均值并取最大值发送给协调器,上传给上位机监测软件处理。 在本系统中,我们要实现由1个协调器节点、8个参考节点、22个移动节点组 成的无线传感器网络的室内定

56、位。本系统研究内容包括以下两方面:一是建立一个无线环境检测网络,采用 2l第4章基于ZigBee技术定位系统的设计ZigBee技术,建立一个可以采集环境参数(如温度、湿度、烟度等的树状网拓 扑结构的无线网络。该网络可以设置在任何环境中,如大型建筑物、停车场、 公园等,不仅可以进行环境参数检测,还可以定位移动节点。二是定位方法的 研究和应用,在基于ZigBee技术组成的无线传感器网络中采用基于RSSIfl唿典 算法,实现节点在室内的区域定位。/位予位置5ii哟j;,一。.,7:。、 一 /.-_-,竺! =:泛!三二 笾兰,:.,0协调器节点 彩参考节点 岱 移动节点图4.1定位系统结构图因此,

57、本系统的关键技术是建立具有树状网络拓扑结构的无线传感器网络 并确定定位算法。第4章基于ZigBee技术定位系统的设计文件和硬件底层驱动文件;Documents包含该协议栈的说明文档;Projects中包 含该协议栈的工程架构;在Tools中包含了查看网络拓扑结构的工具。獬眵畔儡肄艘姆眵斗栅眵 黪Q鼬渗参i芦馘睃撇¨圉 _薹文|留一 =圈一曲.图troj*ets l萁它定置 舞溺f详细缓窘 秽酸 熬 m 。 蘩 F i翌黑譬掣譬?呼羧E嘲:铡埤l勇lB邑? l|18溺 i一5个两重 聊珏 .罐爱酌蛐 ,ZStack运行在IAR7.20以上的集成开发环境【281,IAR是一个与keilC51类 似的开发平台,采用了功能强大的C51编译器。本系统采用的是IAR7.51A版本 的集成开发环境。如图4.3所示,在IAR7.51A集成开发环境中,可以看到一个完 整的Z-Stack协议栈所包含的功能组成内容。图4.3Z-Stack协议栈功能组成内容 23第4章基于ZigBee技术定位系统的设计Z-Stack的结构与ZigBee规范完全吻合。其中