计算机工程实践

目录

一、项目基本情况

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。

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，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，如果指挥宫不了解消防

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宫进行通信，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、处理技术、嵌入式计算等相关技术。可以通

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H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。

二、总体设计

ZigBee定位系统是由定位监控中心和无线传感器网络构成的一个可视化的

无线定位监控系统。该系统基本全部采用无线传输，从而减少了布线，使用方便。

定位监控系统中的无线定位网络系统主要由ZigBee网关、参考节点以及定位节

点组成，如图1.1所示。定位系统结构中的定位监控中心可在控制中心，参考节

点准确布置在建筑物内部，定位节点由消防官兵随身携带。由于网络中每个定位

节点均有自己的网络地址，因此，ZigBee定位系统可同时做到无干扰的多个救援

人员的定位。

图1.1ZigBee定位系统结构和功能

定位监控中心，定位监控中心主要是由定位系统的主机组成，主机上装有定

位监控软件，实时监控定位节点的位置，可在监控软件上输入参考节点和定位节

点的配置数据，接收定位节点回传的数据，即定位节点的坐标，在监控软件上显

示该坐标。监控软件可将定位情形形象化的图形显示，方便用户简易获取自己所

需的定位信息。定位系统网关，定位系统网关即为ZigBee网关，它是无线定位

系统的网络协调器,由一个HFZ-CC2430EM模块和HFZ-SmartRF07EB组成，通

过RS232串口延长线与PC相连。它在整个系统中有着至关重要的作用，是所

有参考节点及定位节点的信息汇集的地方。首先它要组建网络接收由监控软件提

供的各参考节点和定位节点的配置数据，并发送给相应节点；其次，还要接收各

节点反馈的有效数据（例如定位节点的坐标Bx、By）,并将其传输给监控软件。

总结其功能有建立网络、收发数据、与计算机的监控软件进行串口通信、LCD显

示各个参考节点和定位节点网络地址、转发监控软件对参考节点和定位节点的配

置参数、转发监控软件的请求配置命令、转发监控软件的请求定位节点命令等。

定位系统参考节点，定位系统参考节点（即）是无线定位系统中已知坐标的静

态节点，是ZigBee网络中的路由器，由电池板和CC2430模块组成，结构与定

位节点相似，区别在于它所用的芯片是CC2430模块，而定位节点所用的是

CC2431模块。这个节点必须被正确地配置在定位区域中，配置的坐标由用户指

定c它首先要加入网络提供一个包含自己坐标位置Rx、Ry和RSSI值的信息包

给定位节点。总结其功能有加入定位网络实现无线收发数据、收集信号强度值、

可被网关动态的配置坐标、发送自身坐标和信号强度等。

定位系统定位节点，定位节点（B）是无线定位系统中的可任意移动的节点，

由电池板和CC2431模块组成，CC2431无线定位芯片是由Motorola公司和TI

公司共同开发的，它含有的定位引擎可以实现0.25m的定位分辨率。定位引擎

通过处理参考节点发送的信息包来计算自身坐标，是ZigBee网络中的路由器。

定位节点首先要加入网络以便能够与参考节点通信，收集参考节点的坐标Rx、

Ry和RSSI值，根据这些信息和输入的参数A、N一起计算自身坐标信息，然

后将自身位置信息Bx、By发送给网关，最后通过RS232传送给定位监控中心。

总结其功能有加入网络、无线收发数据、可被网关配置相关定位参数、计算并发

送自身坐标等。此节点安装在救援人员的安全帽上。因此，佩戴此类安全帽的救

援人员进入变火场内时，监控中心可监控其在站内的实时位置。

三、开发流程与创新

调研，对消防官兵经常遇到的火场的高度、空间大小的方面进行调研，并以

此为基础对ZigBee、蓝牙、Wifi和UWB等通信技术手段，在定位的准确性、灵

活性、稳定性等等各方面综合分析，得出哪种通信手段适合本次工程使用；ZigBee

技术研究，对ZigBee技术进行学习研究，阐述ZigBee的协议规范，分析协议的

物理层PHY、介质控制层MAC、网络层NWK、应用层APL的各层功能，并对Zigbee

网络设计过程中常用到的网络拓扑结构进行学习；算法研究与实现，对集中式定

位和分布式等多种定位算法进行研究，并将最合适消防救援的算法进行仿真、优

化，最后在系统中应用。完成基于ZigBee技术定位系统的设计，完成系统的整

体结构图、Z-Stack协议栈运行机制和实现所采用的定位算法。对系统的硬件平

台和软件平台进行设计，完成各个节点的硬件和软件部分设计，实现所需要的功

能。系统测试，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。此系统所设计的基于ZigBee技术定位系统应能够完成室

内的区域定位的功能，并可以在消防救援的环境中正常使用，并且本系统设计的

硬件节点小巧精致，可以被消防人员携带，从而可以在他们作业的时候起到定位

的作用「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，可以有效

的减少移动人员的定位时间，增加定位的精准性，使系统更加稳定。

四、开发环境

硬件条件：一台PC机:能运行Windows2000以上的版本,具有普通光盘驱动

器、USB接口、串行接口，主频在800MHz以上；一套ZigBee无线网络传感器的

节点开发套件:即能实现含有1个协调器、8个路由器、22个终端节点的开发套

件；一个仿真器:能把各个编译好的可烧写文件.hex下载到开发板上，从而实现

各种功能类型的节点；一个万用电表:检测开发板的工作状态和故障问题。

软件条件：MATLAB2012b、VisualC++6.0等软件。

五、本人承担的任务及完成情况

针对目前的各种无线定位技术的优缺点，本文将ZigBee技术用于救援人员

定位，但因其原有的定位算法在定位中存在诸多不足，而目前的相关研究还没有

有效的方法来改进，本文提出了基于模糊推理算法的改进方法，然后进行了仿真

及实验研究。本文的主要研究内容有以下几点：

用天线理论分析了ZigBee定位系统中的发射源的参数，用此发射源对自由

空间中电磁波的传播进行了FDTD仿真分析，经仿真和数据的曲线拟合得到了自

由空间中电磁波衰减的公式，与理论公式基本相符，为以后的定位结果的计算提

供了依据。

针对现有的定位方法在定位精度及定位稳定性方面的不足，本文提出了基于

模糊推理的定位方法，并将其用于火场人员定位的步骤进行了详细介绍，由于非

视距、多径效应和电磁干扰等因素会导致参考节点所接收的信号强度与理论值有

较大差异，本文所提出的模糊算法避免了直接取信号强度大的三个参考节点进行

定位计算，而是选取可信度高的三个参考节点参与定位计算。

建立了火场内人员定位的定位模型，并在定位区域内选取了多个位置作为定

位系统中定位节点的所在位置，分别对定位节点在不同位置时的定位情形进行了

模拟仿真，将仿真的结果用传统的直接测距方法和新提出的基于模糊推理算法的

方法分别进行了定位计算以形成对比。针对用户对火场内人员定位监控的需要,

本文使用VisualC++6.0软件编写了用火场定位的监控软件，改进了7igRAA定

位系统本身的定位监控软件存在的缺点，使用户监控起来更为直接、更为方便。

六、经验与教训

通过这几个月的实习工作，我认识到要作一个真正合格的工程开发人员，应

该具有以下的的素质：

团队精神和协作能力，把它作为基本素质，并不是不重要，恰恰相反，这

是程序员应该具备的最基本的，也是最重要的安身立命之本。独行侠可以作一些

赚钱的小软件发点小财，但是一旦进入一些大系统的研发团队，进入商业化和产

品化的开发任务，缺乏这种素质的人就完全不合格了。

文档习惯，