定位技术及其在搜救系统中应用研究

本学位论文作者完全了解学校有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学校有权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论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信务‰酣老7日期：矽／／日期：弘f6易作者签名导师签名1．4无线传感器网1．4无线传感器网络的发展ZigBee技术在生命探测仪中应用的意义1．7论文结构第2章研究基础2．2ZigBee协议栈分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．62．2．1协议栈的各层内2．2．2ZigBee不同版本协议栈的对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82．2．3协议分析仪2．4传感器的选择2．5．1地址分配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12．5．2寻址的比较与选择2．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l第3章生命探测仪的设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯163．13．3CC2430芯片的主要特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3．4RSSI的获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯203．5RSSI测距原理3．5．2定位算法的改进3．6ZigBee协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2zI3．7网络设备选3．7．2精简功能设备(RFD)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．8网络拓扑结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．253．8．1星型网络3．8．3网状网络基于ZigBce的生命探测仪关键技术的研基于ZigBce的生命探测仪关键技术的研第4章系统硬件设计CC2430芯片内部结构4．4本章小结第5章软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．365．15．4．1添加任务5．4．2任务初始化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5．4．3任务处理函数6．2系统测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6．2．1点对点丢包率测试6．2．2节点自带传感器测试结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．49展致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录摘要无线传感器网络摘要无线传感器网络是一种综合了各种新兴技术的通信网络，网络节点可佩带种不同性能的传感器，方便人们收集各种不同的信息。无线传感器网络的出现大大提升了人们与现实世界的交互能力。这种应用性的网络被广泛运用于军事，环境监测，医疗监护，保健，工业，商业，家居等各种不生命探测仪是目前安全救生领域的关键，在面对灾后人员搜救方面，它有着极强的优势，在汶川大地震的时候，有很多人得到了生命探测仪的帮助得以获救，在日本福岛大地震中，生命探测仪也发挥了很大的效用。论文的目的挥本文通过对目前比较常见的几种无线网络协议进行比较，选出ZgBee作为搜救系统的网络通信协议，在对协议栈做了深入的分析和研究后，对于协议I对于多种定位算法进行对比和分析，选出适合e出了该算法的不足。在能够满足对于人员搜救的要求的同时对选定的方法做了修通过对满足ZgBee协议栈的多种芯片设计方案做对比，选择C2430次设计的核心芯片。在前面工作的基础上设计搜救平台的整体需求，完成搜救平台的方案设计并做了软件设计，调试成功。最后测试了不同障碍下系统的点对点关键词：ZigBee协议栈：搜救系统：传感器网络：定位canbeplayedonthesame ofcommonwinetworknetworkcommunicationisselectedasthesearchandofnetworkisgoodtheprotocol，therelationsofframeworkforprotocolfunctionwhichisprovidedbyprotocol，thepracticalproceduresforcanbeplayedonthesame ofcommonwinetworknetworkcommunicationisselectedasthesearchandofnetworkisgoodtheprotocol，therelationsofframeworkforprotocolfunctionwhichisprovidedbyprotocol，thepracticalproceduresfortheprotocolhavetodo selectaappropriate ZiBeeprotocol，theshortcomingofalgorithmisaremadefortheatthesametimetomeetmethodofrequirementsofpersonnelandCanmeetstackAvarietyofchipZigBeetheCC2430isselectedastheontheofareassumedofsearchgeneralplatform，softwareisdesigneddesignofsearchanddebuggedcircumstanceswere indicatorandlocationbarriers．signalhassignsoftheextractionandofthepeople，whichhascertainVV图ZigBee协议栈22923协议包末尾0图2．4协议包中间部分图3．1系统搭建图．．6图3．2定位流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l图3．3CC图ZigBee协议栈22923协议包末尾0图2．4协议包中间部分图3．1系统搭建图．．6图3．2定位流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l图3．3CC230．19图3．4协议分析仪数据抓包⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l图3．5多圆覆盖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图RSSI与距离关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一23图3．7固定RSSI值与距的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．28．4图1．3．8网络拓扑结图CC2430内部2射频模块头构图4．3开发板实⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30图4．4底座电路45LCD显示电路3l46电源电⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33．图4图847键环境点件流图4．无线节4．10搜救⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34图4．1l呼节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．34图5．1软．．．．．图56．．55551．．室234统内测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．45图6．2串口界面表表3．1两种RSSI提取模型表表3．1两种RSSI提取模型的对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23表4．1功耗模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35表6． 1s点对点数据丢围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46表6．2s点对点数据丢包 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．46表6．4室内外RSSI范只有火山灾害不存在。人们熟知的是每年长江的洪涝灾害、方大面积旱灾，以及最近发生的几次大地震。第二，我国自然灾害分布广泛，地域跨度大，有近70％只有火山灾害不存在。人们熟知的是每年长江的洪涝灾害、方大面积旱灾，以及最近发生的几次大地震。第二，我国自然灾害分布广泛，地域跨度大，有近70％以上的城市和过半数的人受到地震、洪涝、台风等灾害的威胁。第三，我国自然灾害发生频率很高，在亚热带季风气候的影响下，我国气候灾害频发，尤其是在长江流域的洪涝灾害和南方局部地区的旱灾，在2000年以前，几乎每年都有人民子弟兵抗洪救灾的报道：另外，因为我国地理位置特殊，处在太平洋、亚欧、印度洋板块的交汇处，所以属于地震频发国。玉树，汶川等地区都遭受了地震的侵害。专家们将其解读为印度洋板块和欧亚板块相互作用的结果。第四自然灾害的损失非常严重。由于全球气候受到温室气体过量排放的影响，极端性气候时有发生。大的意义2081年2344人，这里的功绩离不开搜救人员的艰辛，同时必要的技术支持也是不可缺少的，对于人员搜救任务做出任何实际的工作。本文是在ZigBee无线传感器网络的1．3美国超视安全系统公司于2001．3美国超视安全系统公司于2005年推出了一款基于雷达技术的全新人员搜救系统。这种救生系统是麻省理工学院博士大卫·席思(DavidCist著名物理学家)将雷达超宽频技术(W)创造性的运用于人员搜救系统，从而为以往发展缓慢的救援系统带来一项全新的技术革命。雷达式生命探测仪的基本原理是用带宽很大的雷达波来探测出入的心电信号，由于人类的心电信号有别于其它的动物，所以可以准确的实施搜索和救援。雷达式生命探测仪有很多的优点，例如可以在移动中准确定位求救信号的来源，可以透过很厚的水泥板或绕过障碍物来探测遇险者的位置，这种探测仪使用起来直观，而且简便易学，不需要特殊的培训。雷达式生命探测仪供电要求低，基本不需要维修，固件可通过网络直接升级。除了雷达式生命探测仪外还有两种设备较为常见：红外和音频探测仪境中使用。这种设备的原理是通过人体发散的红外波来进行成像，所以它能够不受现场恶劣环境的影响，红外设备的原理在上世纪80一家名为AA的公司在18年就利用该原理开发出了一套全功能热成像仪器，主要用来进行温度的测量，后来通过不断的改进逐步被军方买断，用于军事侦察。音频生命探测仪通过利用先进的声音或震动传感器收集待救援人员及震动波信号，再利用微电子处理器进行信号处理。这类生命探测仪可以进行方位的振动信息收集，通过收集以空气为载体的各种震动波或以其它介质为载体的震动，将不需要的信息，如噪声和其它背景干扰波滤除，从而快速确定求救信号的位置。为了保证音频生命探测仪的高灵敏度，采用两级放大技术：第一在传感器部件安放频率放大器，接收频率范围为l"一4000Hz，搜救平台在收到目标信号后进行第二次信号放大。经过信号的两次放大之后，可以探测出地下微弱的声2硕fj学位论如果是小动物发出的信号，那么这类生命探测仪就很难判断了。音频生命探测仪是一套人机交互性较强的探测系统，需要进行一定的培训，操作起来没有雷达式生命探测仪方便。音频生命探测装置的关键技术包括信号的检测、监听、选取、储存和处理等几个方面。在研制流程中有两个难点：第一由于求救信号的微弱要求设备具有高灵敏度的传感器；第二数学模型建立复杂。在探测过程中杂音种类硕fj学位论如果是小动物发出的信号，那么这类生命探测仪就很难判断了。音频生命探测仪是一套人机交互性较强的探测系统，需要进行一定的培训，操作起来没有雷达式生命探测仪方便。音频生命探测装置的关键技术包括信号的检测、监听、选取、储存和处理等几个方面。在研制流程中有两个难点：第一由于求救信号的微弱要求设备具有高灵敏度的传感器；第二数学模型建立复杂。在探测过程中杂音种类多，能量大，需要通过对声波和震动波数学模型的研究来判断信号有效性和信号源的位置。由于音频生命探测仪在救援过程中需要寻找废墟之中的空间来放置声音探头，所以是一种被动接收装置，在某些情况下可能出现探头无法深入的现象，探测速度也比较慢。目前尚未出现以无线传感器网络为基础的生命1．4观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式，提升了人类的知能力。不过，在无线传感器节点实现各种网络互联时仍然存在一些问题，如定的局限性，如电池的持续性，信息传输时信道的质量问题，网络节点间协调合作能力等。于是使得能够满足不同方向需求的短距离无线通信协议不断涌现，各下面介绍几种无线通信技术口刈(2)iFiiPDiiFWi．Fi的覆盖范围大，在空旷地区可达100m，iF它推动了互联娱乐点通信技术，无需申请频率。初始的IrDAl．0标准制订了一个串行的同步系统，传输点通信技术，无需申请频率。初始的IrDAl．0标准制订了一个串行的同步系统，传输速率为2400bps到115200bps传输范围1m角度为15度到30度，安全性高。IrDA技术仅限于两台(4)NFC近距离无线传输技术：NFC是Communication缩是由Philips、Nokia、Sony推出的非接触式射频识别技术。NFC频率13．6MHz。与RFID(5)igBe技术：其主要特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。多用于家居控制，工业控制和各类监控。该协议公分5层，它的物理层和MAC层协议符合IEEE802．154协议标准，用户可以根据自己的需要来开发应用层由于ZigBee技术的近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数成本的特点，所以在各个行业得到了广泛的关注，尤其在工业检测和互联式家居运用方面得到了不小的青睐睁川。2004年中国ZigBee联盟成立。ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利的使用者，目前Zigbee联盟已经有100多个公司加盟。这些充分显示ZigBee所蕴含的巨大潜力。国内外已有多家公司研究了ZgBeeZige的NFC近距离无线传输技术，ZigBee技术，等等已经逐渐被人们所熟悉在众多的无线通信协议中，基于IEEE802．15．4n嵋的Zigbee技术以其低功耗，低数据传输速率，低成本，低复杂程度，大网络容量等特点逐渐在各类无线技术中体现出自己的优势n2131，这种无线通信协议虽然单个节点传输距离短，但是节点成本低，允许大量铺设，满足便携或无线设备联网的要求，适合工业控制领n劓。同时有些厂家通过运用无线传输损耗模型，在现有的无线ZgBee芯片基础上来计算对象节点的位置，这种创新便于医生监控患者的活动区域。医疗看护的定位系统及消防定位救援系统和防止老人走失系统n现本文的主要目的是在ZigBee协议的基础上，充分了解和研究现有的距离估算技术，利用已有的硬件设备，对一种新的人员搜救系统的相关技索，该系统开发成本小，使用便利，功耗低，可用来弥补单方面人员搜救的不4具有一定的实际意义具有一定的实际意义通过研究分析ZgBee层之间的通信方式。深入了解应用层的使用方法和系统运行的关键函数。充分利用已有e协议栈，在此基础上研究无线传感器网络的定位原理，并选择适合的芯片以及设计符合芯片和搜救系统要求的最优算法，提出ZgBeeZgBee对所得结果进行分析第一章主要介绍无线传感器网络的发展状况和ZigBee网络相对于其它第二章主要分析和研究ZigBee协议栈的内部结构，了解协议栈的实现第七章对论文总体做了总结和展5第2章研究基2．1第2章研究基2．1无线传感器网络的网络容量大，可以携带大量的通信节点，每个通信节点可以佩戴多个传感器，单个无线节点的通信半径有限而且大部分节点不工作的时候处在休眠状态。节点唤醒时间短。无线传感器网络通过铺设大量无线节点提高数据的传输距离，扩大网络的覆盖范围，达到对整个现场的控制目的。无线传感器网络有丢包率。虽然单个无线节点的信息量不大，并且采用信息重复发送的机制，但是对于要求比较严格的控制领域，这个问题还是致命的，因此要求无线网络有一定容错率，能够提供多种途径来传送信息。理性质的损害，或由于节点设备移动而导致网络拓扑结构改变。因此要求感器网络的拓扑结构变化灵活ZigBee技术是一种新兴的短途无线通信技术，它满足IEEE802．15．4协议。ZigeeZgBe20个子节点，最大可以存在五层子节点，在06协议中，一个ZigeeZgBeeC用，ZigBee5号电ZigBee网络节点的响应速度也比较快，在30rns内可以完成入网，比起蓝牙和Wi．F快了100ZigBee6硕I学位论标准开放式系统互联(OSI)模型共硕I学位论标准开放式系统互联(OSI)模型共分为7层，它们分别为应用用接13，网络层，数据链路层，LLC层，MAC层，物理层。ZigBee协议栈是在此基础上进行修改的，最后变成5层。IEEE80．15．4Y层)和媒介层(MAC层)。ZigBeeMAC层上建立了网络层层)以及应用层(APL层)的框架。同时ZigBee协议还有安全规范n7’18‘。框架图2．1Ziglee协议(1)物理层物理层是Zigee层管理服务。主要工作是完成不同节点间的物理层通信。物理层具有能量检测，链路质量指示和进行信道评估的能力。采用扩频通信调制方式，信号的传输距离在室外的空旷地区可以到达150m。物理层留有和MAC层的通信接口Zigee86915Hz和4GHz，2．4GHz(2)络之间的互联。构成信道访问机制。维护时隙机制。就理论而言，MAC功能包括数据服务和管理服务。MAC层遵循IEEE802．15．4协议，定义了7(3)网络层(NWK网络层主要提供节点加入和退出网络机制，帧安全机制，路由发现和维护机制等服务口|。网络层包括两个方面：路由管理，网络管理，网络层通过数据服网络层的实际功能包括：在空间中创建一个新网络，允许其他节点加入络，帮助建立网间父子关系，完成逻辑地址分配，节点离网，改变协调器配置，节点复位，网络层数据收发，完成路由功能，维护路由表。(4)应用层(APL应用层口u的分析包括4个部分：应用支持子层subdayer)、设备对(ZDO，ZDO管理平台)，ZigBee应用框架，ZigBee主开发自己的程序。设备对象提供了APS层和应用对象之间的接口，上电后从这里开始初簇是协议栈里的特殊属性结构，它是多种属性的集合，Zgee件里含有设备的簇。设备配置文件具有以下几种功能：设备发现，服务发现，绑(5)Zig,BeeZigBee的安全服务分为三个方面：MAC层安全服务，网络层安全服务Zgee8对，ZgBee服务只针对不同节点而言阱1ZigBee协议栈2003年完成了第一版，之后ZigBee些修改，这里对于Zigbee协议栈各版本间的区别做了比对。无线龙公司采用是ZigBee2006的协议规范瞳51。本文采用无线龙开发表2．1Zigbee协议栈各版本间的区冲突避址管支持运行中冲突检测并采Hj新RF信道或PAN支支设备地址按照等级分布式计划自动分设备地址随机自动分支是ZigBee2006的协议规范瞳51。本文采用无线龙开发表2．1Zigbee协议栈各版本间的区冲突避址管支持运行中冲突检测并采Hj新RF信道或PAN支支设备地址按照等级分布式计划自动分设备地址随机自动分支支支支支支支支寻设备可以按组分配，并可被唯一寻多对一路由允许全网络发现数据集合集中据采源路由允许数据集合体以经济的方式回应所送支支任何设备可以作为安机支支支支网络范围受寻址法则限制，支持儿百个设网络测量降低寻址法则对网络范围的限制，支持几千个支备小于100字支支信息支支支支大信息包，支持分标准支支网支持ZigBee串库，作为一种协议栈工具，为开者提供无价的资串支支2．2．3口囤numberI图’1。l0KII圜I 11IIAddressIiAddress一一lOxFFFFIIl圜Des／．1lSequencenumberIIAddreszI}Address|!兰坠ll墼12塾Il墼!12璺ll墼!!!三l瑷隧蓬t覆圜图 墨=33望664匿numbelrI圜II圉l唑皇l也UL旦图2．2协议包9第一个数据空包是加了1281脑，而第二的数据包是加了4929,us，第三个包加了100070个厣，所以第一个数据空包是加了1281脑，而第二的数据包是加了4929,us，第三个包加了100070个厣，所以可以看出系统向外发送数据的时间是随机的。系统过随机向外发送这样一个数据包出去来判断网络情况，如果长时间没有收建立连接的节点数据包，则认为是节点丢失，这个判断方式可以方便节点在路损坏的情况下，变更信息传输路径。Length表示数据的长度，空闲数只有5字节，而完整数据包的长度有28字节图2．2第二行是一个完整的数据包，在帧控制域中我们可以看到．是1，而第三行也是1，说明这是同一个网络，在网络中，协调器的网络标号为0x002A铷獭铂#E∽#懒Ii竺JL婴缁蕊‰震幽缢纽盔＆豳磁翰《磁缢i豳目在完整的数据包中末尾部分是FCS(帧校验序列)，不同的节点设备在信互发的过程中，数据的末尾会有一串信息，这些信息是通过AES如果收到信息同时能够成功解密的话，FCS位会显示OK。I是由物理层提供的服务，这个值显示当前数据链路的稳定情况，在空旷环境中，节点间的数据链路质量会提高，数据的传输距离也比较大，这个值处在每个数据带有APS字样的部分是应用支持子层的数据，APSPayload是此次数据传源对象)，在应用支持子层帧控制域中，e为帧类型，说明这个完整数据是数据信息，在帧控制域中，C表示安全情况，k表示应答情况，0NWKpayload部分为网络层的有效数据，我们可以看出它除了包括原来层的数据外还多出了一些数据，这些数据在传入APS层的时候已经没有用了es麟瀵辫绷糊l|es麟瀵辫绷糊l|幽图2．4协议包中间部图2．4标有NWKRadius是节点的广播深度2．3(range．based)另外一种是无需测距的定位算法(range—free)基于距离的定位算法要求对实际的节点间距离进行估算，通过测量来计算知节点的信息，无需距离的算法主要是利用节点间的连通性来计算未知节点的位置，在基于距离的定位算法中，测量节点间距离或方位时采用的方法有 Arrival)，RSSI(ReceivedStrengthIndication)和通信的开销也很小，实现简单，但是精度不理想。DV-山op算法则是由量路由协议来定位的∞删，这种算法同样不要计算节点的距离测量，但是需要量的节点参与定位，事实上这种算法依然需要RSSI来修正不同节点之间的距才能有好的效果。由于在搜救现场不能通过大量的定位人员来确定一个节1．基于到达时间的测量技术基于到达时间的测量技术主要是通过测量信号的到达时间来估算实际的算法，当移动设备向四周发射信号时，周围的接收装置就可以收到它的信号，无线电信号的传输按光速计算，距离和时间有正比的关系，通过这个关系所有的接收设备可以画圆，而圆的交点就是移动设备的坐标。这种算法具有很高的可靠性，准确度高，但是要求测量准确的时间，对于硬件的要求也很高，不能满足低成本的要求。目前最常用的技术就是GPS2．基于时间差的测量技术的算法，当移动设备向四周发射信号时，周围的接收装置就可以收到它的信号，无线电信号的传输按光速计算，距离和时间有正比的关系，通过这个关系所有的接收设备可以画圆，而圆的交点就是移动设备的坐标。这种算法具有很高的可靠性，准确度高，但是要求测量准确的时间，对于硬件的要求也很高，不能满足低成本的要求。目前最常用的技术就是GPS2．基于时间差的测量技术基于时间差的测量技术，这种技术需要在节点处同时发送不同的两种信号，例如同时发送超声波和信号，通过二者的速度差，把时间转换为距离，显然，这种算法依然离不开时间的精确性，所以对于硬件的要求也很高，由于需要同时接收两种信号，于是它的硬件尺寸就很大，而且超声波的距离短，不适合低成本，低功耗的要求，但是他的精确度是可以达到厘米级的。该定位技术可应用种移动通信系统，尤其适用于CDMA系统，CDMA系统用扩频方式将信号频谱扩展到很宽的范围，使系统具有较强的抗多径能力。CDMA属非功率优点之一是：当计算TDOA值时，计算误差对所有的基站是相同的且其零，这些误差包括公共的多径时延和同步误差但由于功率控制，造成基站接收到的功率非常小(即相邻基站的SNR太小)，造成比较大的测量差3.基于到达角度的测量方法基于到达角度的测量方法，这种方法通过多个接收机来测量了发送节点的位置，当节点发送信号到接收机的时候，好比二者之间形成连线，通过多个连线来确定未知节点的位置，这种算法对于硬件的要求很高，极易受到环境的影响，需4.基于接收信号强度指示的测距RSSI(receivestrengthRSSIRSSI在远距离时误差较大，可能达到50％。在复杂环境中易受影响，例如多径反射，非况2．4硕Ij学位论被掩埋的情况下可以通过搜救人员唤醒被困人员的设备，同时被唤醒设备自动向外部发送求救信号和身体信息以及身份信息。待救援人员的身份信息可以通过修改ZgBee芯片的4硕Ij学位论被掩埋的情况下可以通过搜救人员唤醒被困人员的设备，同时被唤醒设备自动向外部发送求救信号和身体信息以及身份信息。待救援人员的身份信息可以通过修改ZgBee芯片的4来获取。获取人员身体状态的医疗传感器目前很多，包括呼吸流量传感器，呼吸次数传感器，脉搏传感器。这里选用胸腹式呼吸次数传感器。目前通过呼吸信号变为电信号的方法较多，主流产品有以下3种方式固态压阻式传感器，作用原理和半导体相似，也叫半导体应变式传感本文采用半导体式压阻传感器2．52．5．1地址分物理地址是全球唯一的，一共有64位，物理地址用户可以通过自己改变，由于它的唯一性，所以在网络信息发送的过程中可以作为一种特定的身份逻辑地址一共有6况发生改变，受到影响的节点的逻辑地址就会发生改变，因此也叫网络地址。网络地址由组建网络的协调器统一发ZigBee网络中，协调器采用分布式寻址方法来对网络内的所有设备统的网络的距离和覆盖面积，它们分别是网络深度DEPTH，最大路由ROUTERS和最大子辈节点CHILDREN6协议中，最大网络深度规定为六层，其中包括O层协调器，协调器下面的第一层子节点处在第一层，依此类推。每个具有路由功能的设备可以携带6个同类的路由设备，同时还能携带4I1+G(厶-d—1)，如k(d)2{!±g二堡二刍生竺：二二!，其【1q为最大I1+G(厶-d—1)，如k(d)2{!±g二堡二刍生竺：二二!，其【1q为最大子节点数，如为最大路由节点数，L为最大网络深在ZigBee网络中，主设备在向一个目标设备请求通信，该设备的应用一般调用AF_DataReques0函数。程序通过使用afAddrType_ttypedef{{byte数。在afAddrModet结构体中共有四个参数，规定了网络的传播方式：typedef{afAddrl6Bit=Addrl在Zigee网络中存在四种信息传送的方式：单点传送，间接传送，广播式发送，特殊组发送。无论哪种传送方式都离不开上面的结构体，通过修改结构体单点传送是ZigBee网络中的标准寻址方式，通过这种传送方式，发送可以根据自己已知的网络地址列表，将信息发送给一个曾建立过连接的设备。这里需要将afAddrModeAddrlt。2．AddrNotPresent，这种模式的使用前提是发送设备并不知道目的设备的具体地发送设备在送出数据后，接收设备发送设备在送出数据后，接收设备可以继续通过查询自己的绑定列表来完下一次的传送，在传送过程中和单点传送类似，如果在信息寻路的过程中出现了多个可供选择的路径，设备将选择同时对多个设备进行广播式发送。在ZgBe2004协议栈中，协调器可以拥有自己的绑定列表，而在2006中，所有的路由设备都可以建立自己的绑定列表了，这样大大简化了间接传送的过程，在数据传送中，对未知目的设备的数据发送速度会有很大的提升，网络的1。在ZgBee息传送过程中，需要它的临近所有节点都收到该次发送的信息时，发送设备会采用广播式发送，在afAddrMode结构体中可以设置为AddrBrodast。广播发送模式分为三种：第一，将信息发送到所有网络中可以连接到的设备，忽略所有设备的任何电源模式，也就是说对于休眠状态的设备也一起发送。第二，将信息发送到所有网络中可以连接到的设备，同时接收设各检验自己的信道是否空闲，如果不在空闲状态可以不接收信息，处在休眠状态的设备对于这类信息不采取动作。第三，仅将信息发送给网络中可以连接到的所有路由设备，同时协调本章主要介绍ZgBee协议栈的总体框架，通过协议数据包分析ZgBee栈的实现方式，对于各层之间的联系方式进行描述。比较不同协议版本的区别，选定了协议版本。并对协议的寻址方式做了介绍。分析不同定位算法的优点和缺点，选定定位方法。选择要测量的人体生命体征信号和测定信号的传感器类型。为后续搜救系统的设计打下基础第3章生命探测仪的设无线第3章生命探测仪的设无线传感器网络的监控能力在不同的领域都得到了运用，不同的协议形式层出不穷，但是目前还没有出现以这种网络为基础的人员搜救系统。论文的主本章首先选择ZigBee芯片，在选出芯片的基础上，充分了解和研究3．1搜救人员进入受灾现场后，首先通过手中的设备唤醒待救人员佩戴的节点设备，求救人员佩戴的设备在唤醒后不进入休眠，并周期性持续发送求救者的生命测算完毕后再经ZigBee网络将求救者的生命体征和所在位置传送到搜救中心搜救中心根据人员的身体状况，实施相应的救援措施。图3．1图3。1系统搭建本文拟采用RSSI来判断人员位置，在进入现场前，搜救人员自成网络入现场后，当发现有新的设备加入网络时，即认为该设备为呼救设备。由于能够体现信号损失和路径的关系，因此只要呼救人员在搜救人员之间，那么通以估算的距离为半径，并以搜救人员为圆心画圆，就会产生交点，该交点即为救人员的位置。具体流程设计如图3．2由于由于ZigBee技术的兴起，全世界很多公司都在这个市场有所建树，出现了不同的ZgBee技术方案，不同的厂家都有自己对于Zige圮协议的理解，目前在2．4GHz频段竞争比较激烈的厂家有：TI，EMBER(ST)，捷力，FREESCALE(飞思卡尔)，MICROCHIP。针对ZigBee2006协议，有三种不同的协议完成方1FREESCALE(飞思卡尔)公司推出的MCl3系列的信号收发设备适ZigBee协议。它们拥有两个数据调制解调器，降低了微控制器的处理功率时它还拥有一个数字MICROCHIP的第一款适合ZigBee协议的无线射频装置是MRF24J0射频性能很好。MCOIP公司现在可以通过使用少量的外部器件来构建一个ZigBe协议平台。CC2420是TI公司开发的第一款能够满足ZigBee协议的2．4GHz射频芯片基于ZigBce的生命探测仪关键技术的研基于ZigBce的生命探测仪关键技术的研它是在Chipcon公司推出(目前已经被TI公司收购)的SmartRF技术上诞生的生产工艺为0．18,tan，CC2420是48个管脚封装和CC2430一样。TI公司推出飞思卡尔的Ml32X系N-这款设备的主要亮点是，具有一个集成的收发开关，降低了对于外部器件的依赖，在大量生产的过程中减少了成本。2具有16KB的闪存和1KB的RAM，适合星型网络的需求，但是该公司MCl3213中，芯片具有60KB的内存和4KB的RAM，同时提供4MHz频率的4线SPI，它的模数转换形式单一，但是具有外部低噪放大器用户使用时对于需要进行外围电路修改时可以减少这方面的成本同时它还具有功率放大的功能扩展。满足Zigee同时存在很多移动节点，EM20的传输层可以提供比其他厂商更加稳定的信道，CC2430采用了与CC2420同样的48管脚封装，这款产品是TI突破，CC2430采用了一个8位的工业级高速8051MCU同时还在此了射频部分，可以充当ZgBee网络中的任意角色，通过改变烧写程序，芯片可以变为协调器，路由器和终端设备。CC2430可进行多种模数转换，三个定时器，还带有AES．128协同处理器，看门狗，同时具有21个之多的输入输出口。1在CC2430的基础上还配有定位寄存器3．ZigBeeJENNIC公司的SOC+EEPROM，这款设备具有32位的精简指令集EMBER公司的260是在2006年推出的，它的特点是可以和TI控制器一同使用，用户在运用中无需进行代码改写，同时这款设备提升了e网络的特性，用户在使用中可以通过它的传输层和I来改变和分割组建的网络，260继承了250的传统，依然具有十分稳定的传输信道，传输距离远，天线灵敏度高微控制器的组合和第三种ZigBee芯片和其他芯片的组合实际上都相当于拓展硕Ij学化论硕Ij学化论存和8KB的RAM，优势很大，对与EMBER公司的产品而言，CC2430而飞思卡尔公司的芯片中提供了4MHZ的SPI，通过采用系统级的封装将两个片集合成一体，这种组合方法成本相对于CC2430而言是很通过比对分析，最终采用TI公司的CC2430芯片作为搜救系统的开发平台图3。CC2430管脚CC2430具有一颗工业级的高效8051微控制器，芯片由TI公司开发ZigBee协议要求，可用于2．4GHz，处在ISM频率所以没有频道费用，芯片把控制器和射频部分集合在一起，具有控制器和射频部分集合在一起，具有低功耗的特点，CC2430芯片有21个接口可以携带很多外围器件，具有128Kb的闪存和其他同级芯片所8KBRAM，其中有4KB是超低功耗C2CC2420和CC2430具有相同的封装形式，结构类似，但是没有内置的射个晶体振荡器可调。它还具有四个定时器，两个是16位的，两个是8一个16位定时器为MAC层定时外，其他三个都可以用来进行普通定时和在CC2430中，芯片提供了接收信号强度指示，在无线龙公司提供的intRSS(reciveBufer[1ngth])C2430C2430芯(RSI)在8位的二进制补码，可以从寄存器位RSSIL．RSSI，IRSS．RSIIP=RSSI—VAL+RSSI—OFFSET[dBm式中：RSSIOFFSET通常是一个经验值，这个值的选定通常取决于无线通在CC2430中系统使用了一般情况中通用的值，这个值是开发期间得自前端增益的经验值。RSSIOFFSET近似值为-45。如果从接收信号强度指示器CC2430具有8个不同的功率输出，用户可以通过软件编程来实现不再空闲状态，发出的数据包总会带有一个数据链路质量值uintluint1bytebyteuintluint1bytebyteafMSGCommandFormat——数据链路质量和信号强度指示之间有一个关系，如式3．53．5．1RSSI系来判断信号传播的距离。无线电信号与距离的关系为Shadowing模型。P(d)dsm=P(do)胁一1锄lg机分布变量。在CC2430芯片中使用P(d)dsm=P(do)胁一1锄lg机分布变量。在CC2430芯片中使用的是Shadowing模型的简参考距离以为1m，所以距离可由公式(3．5)获得RSSI=p(d)据。=A一C2430内置SI寄存器，I值可以从中直接获得，该值是通过8个符号周期内的寄存器获得值取平均而得到的，与距离关系满足式(3．)。由信号的衰减特性，我们可以得出，通过I计算获得的距离值一定大于实际距离。若搜救人员为A，B，C，待救人员为M。如图3．5所示，以计算得出的距离值为EFG∽M过求解特征点E，F，G即可确定待救人员的区域图3．5事实上，由于环境等因素的影响，在接收器与发送器相距10m左右时会出现较大的波动，12m以后RSSI的值会随着距离的增加而呈带状的水平趋图3．6RSSI与距所以实际测量过程中，由RSSI所计算出图3．6RSSI与距所以实际测量过程中，由RSSI所计算出的距离值有时是小于实际距从而无法完成多圆面交叠的过程，因此考虑通过数学模型来提高RSSI精度，免此种情况的发生RSSI1：．墨舀每苫图3．7固定RSSI值与距离的关表3．1两种RSSl提取模型的对0到偏差5到RSSI基于ZigBce的生命探测仪关键技术的研从图3．7中我们可以看到，在同一RSSI基于ZigBce的生命探测仪关键技术的研从图3．7中我们可以看到，在同一RSSI值下，距离成高斯分布。公式一言@-铲2击(di-一(d-F(d)。而e获取有效RSSI值后可利用公式(3．10)至公式(3．12)来计算特征点√(．k一毛)+(y，一y。、／。(。。。x。。‘,‘。‘‘-。。。。x。‘。b。。。)。。。+‘。。。(。。y‘。。。,。。。。-。。。。y。。。。b。再i万瓦i■万对于多圆覆面法，当圆面越多其测量的精度越高，CC2430是以8051单片ZigBee协议的基础是(MAC)HYZigBe发定义的。ZigBee，ZigBeeZigBee择ZigBee设备按照在网络中的角色可以分为三种：协调器，路由器和终形!f“≯位论备啪。391。每一个Zigee网络都有一个网络号，在一个网络号下只能存在一个协形!f“≯位论备啪。391。每一个Zigee网络都有一个网络号，在一个网络号下只能存在一个协调器，这一点在任何网络拓扑结构中都不会改变。路由器的数量选择比较自由，可以同时和多个设备进行关联，在有些网络结构中，路由仅仅担任网络信息中转的角色不承担信息采集任务，路由的功能和协调器相当。终端设备理论上只能和一个设备发生联系，不具有路由功能，负责末端的信息采集工作。3．7．1全功能设FFD功能齐备，具有控制器功能可以作为路由器或是协调器，它可以同时连接数个网络设备形成网络，全功能设备可以直接实现互联，完成信息双向的传输，具有比精简功能设备更多的存储器，同样也能完成终端设备的功能。在搜救的设计中，需要在搜救人员中进行多次的双向通信因此只能拿全功能设备搜救工作的模式来直接完成网络拓扑结构的变星型网是由周围节点环绕协调器而完成组网过程的，网络拓扑结构简单成本低，网络总体呈现辐射状，整个网络由中心节点对周围节点进行集中式控制，由于所有节点间的相互通信都是依靠中心节点来完成，所以中心节点的负荷较大，星型网络的优控制中心节点来完成对于网络内任何一个节点的访问，因而协议的编写十分(2(2)导致整个网络工作中断树型网和星型网络不同，虽然同样含有一个协调器，但是在一个树型网络内可以含有多个路由器。在树型网络Ⅲ1中的终端设备可以和路由器连接，网络具有良好的通路，多个星型网络可以连接起来组成一个树型网络。网络较星型网相对复杂。树型易于扩展。这种结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都能容易地加入网内。在树型网络内网络是分为多级的，终端的级别最低，协调器的级别最高，终端节点可以通过一个父辈的节点与上层通信，由于树型网络是由多个星型网络构成的，所以在末端的路由器依然会有比较繁重的通信务，但是相对于星型网络而言，整体网络的节点数量增多了，网络的承载能力上升，同时也不会再出现中心节点损坏而导致整个网络瘫痪的情况。在树型网络中由于路由器的存在使得网络的整体覆盖面积得到了很大的提升，在远端的终端节点在收到工作人员需要的数据后通过多跳的方式将信息最终传给协调器。树型网络虽然在整体上性能有了提升但是它的路由机制简单，当外部环境发生变化时路由机制不能做出相应的调整，例如一个路由器的损坏，这样会导致该路由所负责的全体终端节点的数据丢3．8．3网状网状网是三种网络拓扑结构中最为复杂的，它的路由机制十分的灵活性强，在网状网络中存在数量众多的路由器，这些路由器保证了网络的稳定性。终端节点可以通过临近的任意一个路由器发送自己采集到的信息，由于选择路径网络中，网络拓扑结构可以随意更改，路由算法为无线自组网按需平面距离hocOn．DemandDistanceRouting，AODV)改进，网络通过查询方式与周围的节点建立一个路由途径，通过节点由于在搜救设备中，搜救人员需要全部佩戴FFD，树型网络和星型网络都能完成信息的双向互联，所以在搜救现场必须通过建立网状网络来完成搜救务图3．8网络拓扑结3．9本章完成系统整体搭建的设想和系统软件图，对于现有定位算法做了一定的改进，提高定位的精度以满足搜救系统的要求。通过多种芯片搭配方案的选择，选用了C2430择适合的网络拓扑结构第4章系统硬件设系统的硬件搭建是完成系统的基础H3。。基于第4章系统硬件设系统的硬件搭建是完成系统的基础H3。。基于CC2430的ZigBee为两个部分：搜救人员的佩戴设备，待救援人员的佩戴设备。在搜救人员佩戴设备中只使用全功能设备用来完成相互间同步数据的传输，方便计算要求。在待救援人员佩戴设备中同样使用全功能设备，以便能够与搜救人员进行双向的通信。4．1CC2430芯片8LoCKolAGRA韩蔼乱域砣睨般残剃图4．1CC2430内部结构CC2430芯片的主要特点如下(1)具有工业级的高性能8051在CC2420框架下CC2430芯片集成了2．4GHz的RF无线电收发机(6)电压范围宽(2．O～3．6V)数据包包含LQl(6)电压范围宽(2．O～3．6V)数据包包含LQl支持DMA成都无线龙公司生产的CC2430开发板分为两个部分，一个是模块头，另一个是底座。模块头包含有CC2430芯片和鞭状天线。底座配有液晶显示器盘，小灯，电压和温度传感器，电源接口，USB接口和异步通信口卸，不影响底座的使用图4．2射频模块头电硕fj学ft论4．1．31．显示电LCM液晶显示模块有128X64个点阵，具有两种显硕fj学ft论4．1．31．显示电LCM液晶显示模块有128X64个点阵，具有两种显示模式，光是白色，可以在零下20度工作，最高耐受温度为70度。液晶显示模块可以提供各种文字显示，由于CC2430芯片电路连接如图4．5R兰塞岛：图4．5LCD显示电电源控制电路采用德州仪器公司生产的TPS79533芯片，该芯片具有低衰控制器和低耗电线性稳压器，供电稳定，对于电压和负载有极好的瞬态响应，芯片本身耗电量极低，当CC2430芯片处在待机模式中时，TPS79533芯片提供的电流可以降低至不到l肚电源顺利接入电路后会有发光二极管提示。无线龙的e电压的功能，该功能通过内置模数转换来实现，当发现电源电量低时，系统可以图4．6为电源电基于ZigBce的生命探测仪关键技基于ZigBce的生命探测仪关键技术的研图4．6电源电在设备的开发板上配有四个按键，用户可以通过按键来选择菜单目录，这种方式加强了人机交互。R5，Rll，R12，R13和R4并联，当有按键按下时，并联电路的总体阻值发生改变从而改变键盘输出电流，处理芯片通过判断电流即可确定哪个按键被按下。电路如图4．7警图4．7键盘电4CC2430芯片的天线是鞭状单极天线，天线长度约为三厘米。CC2430模头采用低中频接收外部的信号，信号进来后通过噪声放大器再经过降频转换电路变为中频信号，之后再放大中频信号，然后对信号进行数字化处理。在通过一系数据在发送过程中，CC2430采用升频转换，128字节的信息通过扩展序扩展后送到数模转换器中，经过变换后信号进入模拟低通滤波器，再通过升频混图4．8为无线模块图图4．9无线模块实物图4．9无线模块实物4．2L-了搜救上器黄线电源图4．10搜救节点L-了搜救上器黄线电源图4．10搜救节点结构框丌—衔电源圈4．11呼救节点结构框无论是搜救设备还是呼救设备都具有模块头，呼救设备不分。搜救设备不配备传感器部分4．2．3呼吸采集分为三类，鼻式呼吸，胸式呼吸，腹式呼吸。三个参的意义，这里采用腹式呼吸测量传感器。传感器选用HXB—l型半与传感器，输出电流20mA到40mA。该器件小巧可以贴身佩戴。眭C2430成呼救设备由于CC2430芯片是针对ZigBee协议生产的，所以本身具有自身具备四种不同的电源模式，它们分别是PMl～PM3属于低功耗PMl～PM3属于低功耗源模式下，芯片具有的四个振荡器全部都在工作，外围器件也不休息电压，电流输出9mA。只要没有命令处理，芯片通常都在这个模式下PM电源模式。可以通过外部中断或是定时器中断把芯片从这种状态中唤醒，芯片在唤醒后不会直接进入全速工作状态而是进入PM电源供电模式，唤醒时间短。．453A。PM．03mA。在C2430芯片中I和2模式都保留睡眠定时器，不通过外部中断和复位也能唤醒，而PM3模式却不能，因此在搜救系统中，呼救设备选用PM2作为主要的供电模式。表4．1功耗模电模电压调振荡器振荡器允休眠电流损允许16MI-允许是允许否是允许否否否否否这一章主要完成搜救平台的硬件部分搭建，在充分研究CC2430芯片的救援设备被唤醒，同时传感器开始测量人体的呼吸次数，并发送呼吸次数和人员身份信息到救援设备中。搜救人员佩戴的搜救系统相对复杂，要求在获得相关信息后进行定位运算，定位运算的完成需要3开发平台采用Workbench(Ew)编译环境。IAR是全球救援设备被唤醒，同时传感器开始测量人体的呼吸次数，并发送呼吸次数和人员身份信息到救援设备中。搜救人员佩戴的搜救系统相对复杂，要求在获得相关信息后进行定位运算，定位运算的完成需要3开发平台采用Workbench(Ew)编译环境。IAR是全球先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。在集成开发环境方面AVRC／C+1．高度优化的IAR汇编器3通用IARXLINKIARXAR库创建器和47IARC．SPY调试器8具有世界先进水平的高级语言调试甏m—·。。m袖|痧舶E甜*_p船帕T∞k唧甏m—·。。m袖|痧舶E甜*_p船帕T∞k唧md。w图5．1开发环境界5．3成都无线龙公司通过七层循环的任务来实现整个ZigBee协议。这7别是：MAC层任务，网络层任务，硬件层任务，MT层任务，APSosal图5．2APP是应用层的目录，用户可以在这罩创建不APP是应用层的目录，用户可以在这罩创建不同的工程区域，这个里面MT是各层的交互层通过串口实现OALZgBeOSA中Profile是AF层目录，AF层是节点请求向APS层传输数据的接口，它包ZMac包括了MAC层的参数配置和库函数的回调ZigBee无线网络通信是通过ZigBee协议栈的规定来实现的，协议栈分协议栈定义，每个协议层之间通过对信息进行打包，按照在之前定好的消息格式中加入不同层的独有的信息内容，然后相互通信。整个协议栈采用自下而上的方式进行通信，媒体介质层在和临近的节点通信时通过判定信息末尾的校验码确定是否接受信息，在确定可以接受信息之后，通过和上层约定，把整个信息在协议栈中，物理层和MAC层位于整个协议栈的最低层，与硬件相关，NWKAPS，APL层以及安全层建立在PHY和MAC层之任务高在程序中所有的任务都有和下面的程序MACK都有loop的后缀，有自己独立的任务D，优先级和事件，所有任务采取表链的MACpfnlnit--任务高在程序中所有的任务都有和下面的程序MACK都有loop的后缀，有自己独立的任务D，优先级和事件，所有任务采取表链的MACpfnlnit--在ZStack中，各层的任务通过程序定义的结构体完成统一的任务链过定时器的工作来完成循环5．4在Z．Stack中，所有的程序是围绕操作系统(os)来进行的。为了能够完中OS和应用层的接口函数阳硎，系统在初始化的时候会调用osalAddTask0osalAddTasks(void)中，函数形首先添加定位任务Location—Init在下收到外来信号的处理。处理id,uintl6events)。通过swith语句来分类处收到外来信号的处理。处理id,uintl6events)。通过swith语句来分类处理switch(MSGpkt一{s((keyChange一case陋一)5．4．4按键{{Location_HandleKeys(uint8／／是否为路Location_SendMessage(Location_Rou)；／／>)当搜救系统收到足够的可靠数据的时候可以进行定位。处理函数名为Location_MssageMSGCBaflneomingSGPacket_t奉pkt)。通过RX端接收到不同的字符，来确定具体的工作。tildeLocation——NUmemcpy(Rx_Buf,pkt一{)memcpy(Rx_Buf,pkt一{)casememcpy(‘Rx_Buf,pkt-{Location)5．5搜救人员在进入现场时，所有的搜救设备处在开启状态，搜救设备立刻构成一个网络。在函数运行中，LocationE是用来收集除自己外的其他搜救人员和求救者的RSSI值的。LocaionTWO所有的定位程序首先要收集足够的RSI值，由于数据包在到达节点后末尾都会带有RSSI值，并且可以提取，所以通过信息互发的方法来进行RSSI集。在收集过程中，搜救设备A通过收集搜救设备B和搜救设备C备的信息获取3个RSSI值，同样，搜救设备B和搜救设备C也获得3个I值，在每个设备收齐3个值之后，完成第一次信息交互，之后搜救设备开始信息互发，实现3个搜救设备RSSI值共享，这是第二次信息发送。信息个搜救节点获取了9个RSSI值。每个搜救节点认为自己是坐标的原点，同时任意选定一个节点，认为自己和该节点的连线为横坐标。在图3．5中，若收齐9个I值则其中6个为A，B，C认的坐标，每个节点都可以获得独自的A，B，C坐标，通过式3．0至3．12的计算方法即可获得求救人员的所在区域了，之后单个搜救人员可以标定区域等待救援实施图5．4程序原理图5．4程序原理N图5．5系统软5．6可以将呼吸传感器的数据线直接接5．6可以将呼吸传感器的数据线直接接入CC2430芯片，完成传感器部分硬建由于所有节点具有路由功能，但是人员搜救平台在完成搜救任务前不进行路由工作，否则会收到错误的数据，所以只有在信号定位完成和生命体征获取后节点才能开启路由功能。路由用来将获救者的状况发送出去。节点完成搜救任务后首先请求加入附近的网络，等待其他节点的响应，如果长时间无节点响应的话，系统认为加入网络失败，可以隔段时间重新请求。如果收到节点的响应，说明该网络同意节点加入，网络在响应节点请求后会分配逻辑地址给它，只要网络的节点不发生问题通常情况下这个地址不在改变，同时该节点成为传递它信号的路由器的子辈。整个入网过程结束5．8本章完成搜救系统的整体软件设计。开发平台采用IARWorkbench(EW)编译环境，简述了开发环境的优势。通过对ZigBee协议统的了解，完成相关任务的添加。对于定位程序的实现过程做描述，绘制程图和定位的总体原理图。ZigBee的监控和医疗定位对于搜救系统提供了思[47—6．2三是链6．2三是链路质量检测，第四是搜救系统测6．2．1点对点丢包率人员搜救系统在进行定位时需要与多个节点通信且通信过程中无路由，因此这里首先需要测试CC230意节点为终端节点。协调器节点向终端节点周期性发送数据，当终端收到数据时返回给协调器，数据发送时间为ls。点对点测试全部在室内环境进行。测试数据如表6．1所示表1s点对点数据丢包测路距发数收数丢窒离A到A到A到A到在实际测试环境中，A所处的教室面向C度小。从表6．1可以看出当障碍物加厚或距离加大时，丢包率会上升。表中数据丢包率太大，考虑是数据发送时间间隔过短引起，调整发送时间为s，重新测试表2s点对点数据丢包发数测路距离丢表1s点对点数据丢包测路距发数收数丢窒离A到A到A到A到在实际测试环境中，A所处的教室面向C度小。从表6．1可以看出当障碍物加厚或距离加大时，丢包率会上升。表中数据丢包率太大，考虑是数据发送时间间隔过短引起，调整发送时间为s，重新测试表2s点对点数据丢包发数测路距离丢率收数A到A到A到A到表6．3时间间数收包212222232硕Ij学位论6．2．2节点带传感器除带有呼硕Ij学位论6．2．2节点带传感器除带有呼吸传感器外，CC2430还自带有传感器，这里选用串口调试程序图6，2串口界协调器在发送数据采集命令后，终端节点开始采集数据并回送给协调器。图6．2中D表示回车换行，44B表示K，提示数据采集成功，之后是发送节点的物理地址，一共64为，物理地址后面是预留字节，再后面是父辈节点的逻辑地址，383243为呼吸传感器采集值，采集时用拇指代替腹部模拟采集过程，6为电压传感器采集值。fff54500是广播式发送命令，上位机发送该命令给协表6．4室内外RSSI0到5米范围-47到一-52至U-5到9米范围—65到一-60至U-9到15米范围-75蛩J--80到一15到20米范围—80到一一78到一从表6．4中可以看出，在室外空旷地区，RSSI值总体随距离的增加而降低，它的取值范围除0到9米外，9到15米和15到20的变化范围几乎一致。室内RSSI由于室内环境复杂，对高频信号有干璺I醴--盈睦—皇Jk色J—熊蕴瑾J璺I醴--盈睦—皇Jk色J—熊蕴瑾J照§妇—盘鲍山立}＆t。a!!暖鞋缓翰嘲酗黝磁籀鞠翰豳‘镒鞠圈盈豳鹭瞄嵇豳豳■—jL——J凸生J到图6．3数据包中的LQI人体在俯卧情况下，一般体长在m左右，表6．5测距效果是可以满足搜救要求的。由于C2430的硬件限制，系统在m以内能有较好的响应，超过0m系统反应较慢，并且有时无法测到结果。出现这种情况的原因是，节点距离变大时，高斯模型获取有效I值的时间变长。表中的未覆盖率是指系统收集齐9个有效的I值的情况下，经过计算未知点仍然为出现在圆交叠区域的情况。在已经确定覆盖的情况下，图3．5中，E，F，G与M6表6．5测未最偏盖率环距最小偏无碍无碍无碍从测试结果来看，由于经过了RSSI的有效性筛选，算法覆盖率较高也可以满足搜救要求结论与过对比研究，对于ZgBee无线短途通信协议有了很多认识，也看到了Z结论与过对比研究，对于ZgBee无线短途通信协议有了很多认识，也看到了Zgee网络的巨大潜力，对于该网络在工业，医疗等行业中的应用有很大信心。同时发现基于无线传感器网络的人员搜救系统，目前还没有相关产品的出现。文章的主要工作是深入分析ZigBee栈各层的信息交流方式有了认识。同时对于系统提供的可开发部分做了应用，也深入分析成都无线龙公司编写的CC2430【2】刘宝．ZigBee网络及其在医疗监护系统中的应用研究[D】：(硕士学位文)．兰州理工大学【3】苑囡囡．ZigBee技术在智能家居中的应【2】刘宝．ZigBee网络及其在医疗监护系统中的应用研究[D】：(硕士学位文)．兰州理工大学【3】苑囡囡．ZigBee技术在智能家居中的应用[J]．吉林工程技术师范学院报【4】周经凯，麻信洛，霍玲玲，马鑫．智能家居控制系统中的无线技术应用计．工业控制计算机，2008年第l [5]YanDongmei，DanZhiguang．ZigBee-Computersystem【6】NiuDoul，YangMeil，ZhaoYanjuanl，ZhangYan．ThenetworkingSmartHomesystem—ZigBeetechnology[J】．IEEEComputerSociety．2009．1【7】马菁菁．ZigBee无线通信技术在智能家居中的应用研究[J】坝4试计量技术仪器[8】陈莉．基于ZigBee协议的环境监测无线传感器网络测量节点的设计【D】．上海[9】祁长璞，曹小华．无线传感器网络在钢结构监测中的应用[J200(4)63．[10】程春荣，毛祥根，武利珍．基-于ZigBee技术的水质监测系统[J】．电子件，2009，32(5)：942-【11】IEEE802．1Control(MAC)andPhysicalforLow-Wirele