基于zigbee技術(shù)的定位技術(shù)研究與應(yīng)用_碩士學(xué)位論文

1、<p>　　單位代碼： 10293密級： </p><p>　　碩士學(xué)位論文</p><p>　　論文題目： 基于 ZigBee 技術(shù)的定位技術(shù)研究與應(yīng)用</p><p>　　申 請 學(xué) 位 類 別 論 文 提 交 日 期</p><p>　　南京郵電大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明</p><p>　

2、　本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京郵電大學(xué)或其它 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的 任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。</p><p>　　本人學(xué)位論文及涉及相關(guān)資料若有不實，愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任。&l

3、t;/p><p>　　研究生簽名：日期： </p><p>　　南京郵電大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明</p><p>　　本人授權(quán)南京郵電大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文 檔；允許論文被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索； 可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。本文電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì) 論文的內(nèi)容

4、相一致。論文的公布（包括刊登）授權(quán)南京郵電大學(xué)研究生院（籌）辦理。</p><p>　　涉密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書。</p><p>　　研究生簽名：導(dǎo)師簽名：日期： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠給人們的生產(chǎn)生活帶來方便，從而得到了快速的發(fā)展。其中

5、ZigBee 技術(shù)具備規(guī)范的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。利用 ZigBee 技術(shù)可以構(gòu) 建廉價的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置信息對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有重大意義。 如何方便的獲取節(jié)點的準(zhǔn)確位置成為當(dāng)今研究的熱點。目前已經(jīng)有了一些定位問題的解決方 案，例如：基于 RSSI 定位、基于 TOA 或 TDOA 定位等。這些定位技術(shù)都存在一些瑕疵，解 決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題仍然需要進(jìn)一步的研究。</p>&

6、lt;p>　　本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，介紹了 ZigBee 技術(shù)及無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中已有的針對定位問題的解決方案，重點介紹了基于測距的定位算法。其次，利用不 同芯片的晶振之間時鐘頻率偏移具有穩(wěn)定性這一特性，再結(jié)合 TDOA 定位算法，本文提出了 一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 TDOA 定位算法。該定位算法考慮了不同芯片晶振之間的時鐘 頻率偏移，通過將測量得到的信號到達(dá)時間差轉(zhuǎn)換成節(jié)點之間的距離差，從而進(jìn)行定

7、位。使 用該定位算法避免了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步難題，有效地解決了較遠(yuǎn)距離未知節(jié)點的 定位問題。</p><p>　　最后，通過修改 ZigBee 節(jié)點的程序，設(shè)計定位實驗，證實采用本文所提出的基于 TDOA 定位算法得到的節(jié)點之間距離差隨著采樣組數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定，并且能夠取得滿意的定位 效果，該定位算法是穩(wěn)定的，可行的。該算法為以后更好地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問 題奠定了基礎(chǔ)。</p>

8、<p>　　關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ZigBee 技術(shù)，到達(dá)時間差，定位</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wireless sensor network technology can bring convenience to people’s production and life, so it has been r

9、apidly developed. ZigBee technology has been widely used in wireless sensor networks because it has a standardized protocol. ZigBee technology can be used to build low-cost wireless sensor networks. Location information

10、of the nodes in the network plays an important role in wireless sensor network technology, so how to conveniently get the exact location has become a hot topic in present stu</p><p>　　Localization technologi

11、es in wireless sensor networks were studied in this paper. First, ZigBee technology and already existing position solutions in wireless sensor networks were introduced, and range-based localization algorithms were focuse

12、d. Second, a kind of TDOA algorithm which is suitable for wireless sensor networks was proposed. For the localization algorithm, the stability of the clock frequency offset between different chips was used and the TDOA a

13、lgorithm was combined. In this locali</p><p>　　At last, the programs of the ZigBee nodes were modified; the positioning experiments were designed. It was confirmed that the distance difference between the no

14、des became stable as the sample number increased and the satisfied location results could be achieved. That shows the algorithm is stable and feasible. The algorithm will lay the foundation for better solving the positio

15、ning problems in wireless sensor networks in the future.</p><p>　　Key words: Wireless sensor networks, ZigBee technology, Time difference of arrive, Localization</p><p><b>　　目錄</b>&

16、lt;/p><p><b>　　致 謝51</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)53</b></p><p>　　攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文56</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1

17、 研究背景</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks) 有時也簡稱為無線傳感網(wǎng)，它是由大量的 具有無線通信功能的傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)點分布在所要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，彼此之間 可以通過無線通信的方式傳遞信息。通過分析傳感器節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 的總控制臺可以實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的實時監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、嵌入式計算、 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無

18、線通信和分布式信息處理等技術(shù)，具備非常廣泛的應(yīng)用前景，它的應(yīng)用和發(fā)展 將會給人們生活的各個方面和社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來。眾所周知，傳感器技術(shù)是信息獲取的最重要、 最基本的技術(shù)。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信息獲取也發(fā)生了很大變化，從單一的數(shù) 據(jù)采集向集成化、微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，逐漸地出現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用。無線 通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的

19、發(fā)展，使得設(shè)備之間的通信越來越方便，設(shè)備之間傳遞的數(shù)據(jù)量也 越來越大。處理器技術(shù)的快速發(fā)展讓芯片的運算速度飛快提升，芯片處理大量數(shù)據(jù)所用的時 間越來越小。由于各方面技術(shù)的快速發(fā)展及實際應(yīng)用的強(qiáng)烈需要，便出現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，它被認(rèn)為是當(dāng)今世界繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第 二大網(wǎng)絡(luò)[1]。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從誕生開始，一直都受到研究人員的關(guān)注。大量的理論研究和

20、實際 應(yīng)用使得該技術(shù)得到飛速地發(fā)展。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)融入了人們的日常生活并 給人們帶來了好處。下面將介紹兩種利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決實際問題的典型應(yīng)用： 1、智能灌溉技術(shù)</p><p>　　智能灌溉技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境檢測方面的典型應(yīng)用。地球上的水資源是有 限的，節(jié)約用水是全世界的目標(biāo)。然而在農(nóng)業(yè)上，每年都會由于過度灌溉而浪費大量的水資 源。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與農(nóng)業(yè)灌溉相結(jié)合的智能灌溉

21、技術(shù)能夠很有效地節(jié)約農(nóng)業(yè)用水。 將傳感器節(jié)點放置于土壤中，讓它們實時地監(jiān)測土壤中的水份等環(huán)境指標(biāo)并把信息發(fā)送到總 控制臺。如果某個區(qū)域的土壤水份不足就啟動該區(qū)域的灌溉系統(tǒng)，直到土壤中的水份含量達(dá) 到要求。智能灌溉技術(shù)不但能夠節(jié)約大量的水資源，而且還能減少農(nóng)業(yè)上的人工勞作，節(jié)省 人力資源。</p><p>　　2、礦井人員定位技術(shù)礦井人員定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全監(jiān)測方面的典型應(yīng)用。讓每個下井采礦的人 和車輛攜

22、帶一個傳感器節(jié)點，這樣地面的控制部門就可以通過監(jiān)測傳感器節(jié)點的位置得到井 下人員和車輛的情況。假如有事故在井下發(fā)生，傳感器節(jié)點可以發(fā)出求救信號，地面部門可 以在最短的時間里獲得事故現(xiàn)場的人員狀況，為后續(xù)的救援工作提供幫助。礦井人員定位技 術(shù)不但可以減少礦難中人員的傷亡，而且也可以減少財產(chǎn)損失。</p><p>　　通過以上兩個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的典型應(yīng)用，可以看出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是非常 具有實用價值的技術(shù)。該

23、技術(shù)還有許多其他方面的應(yīng)用，在人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的不 斷深入過程中，碰到了許多具有挑戰(zhàn)性的問題。定位問題就是諸多問題中的一種，無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通過傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，那么這些節(jié)點的位置信息對于采集的數(shù)據(jù)是非常重要的。 例如：在智能灌溉中，如果只知道土壤中水份含量少而不知道具體位置，總控制臺就不知道 對哪里進(jìn)行灌溉。井下人員定位技術(shù)更是依賴于傳感器節(jié)點的位置信息。總之，解決好無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題能夠使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用地

24、更加廣泛。</p><p>　　ZigBee 技術(shù)是一種先進(jìn)的短距離無線通信技術(shù)。該技術(shù)具有低成本，低功耗，高可靠性 等特點。利用 ZigBee 技術(shù)可以方便地組建無線傳感器網(wǎng)路。由于 ZigBee 技術(shù)具有規(guī)范的協(xié) 議及功耗低等優(yōu)點，從而受到了研究員和企業(yè)的青睞。在 IEEE 802.15.4 組織和 ZigBee 聯(lián)盟 的推動下，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。通過 ZigBee 技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，目前已經(jīng)實現(xiàn)

25、 了許多具有應(yīng)用價值的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。隨著基于 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)，無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始更加廣泛地服務(wù)于人們的生活。對于 ZigBee 技術(shù)的研究一直都是無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的熱門研究，隨著研究的深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會日趨完善[1][2]。</p><p>　　1.2 研究的目的和意義</p><p>　　不論在理論研究還是在實際應(yīng)用中，定位問題一直都是人們

26、研究的熱點所在。由于運用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大多數(shù)應(yīng)用中都需要知道節(jié)點的位置，所以人們不斷地尋找合理的定 位問題解決方案，不斷提高定位精度以便于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更好地服務(wù)于人類社會。到 目前為止，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位問題已經(jīng)有了一些比較令人滿意的解決方案。但是對 于定位問題的研究還需要不斷深入。</p><p>　　目前，GPS(全球定位系統(tǒng))可以算是人們所熟悉的定位問題解決方案，這種定位是利用衛(wèi) 星對地

27、面上的物體進(jìn)行位置的確定，該定位技術(shù)不但昂貴而且功耗大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由 于網(wǎng)絡(luò)的成本問題、耗電問題及網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的距離有限，不能采用 GPS 技術(shù)實現(xiàn)定位。 目前，研究人員通過研究設(shè)計了一些方案來解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題，這些解決方</p><p>　　案有：基于信號接收強(qiáng)度值(RSSI)的定位技術(shù)、基于到達(dá)時間(TOA)的定位技術(shù)、基于到達(dá)時 間差(TDOA)的定位技術(shù)和基于到達(dá)角度(AOA)的定位

28、技術(shù)等。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已有的針對定位問題的解決方案或多或少都存在著一些缺點?；?RSSI 定位中，接收信號強(qiáng)度值會隨著距離的增長而變得非常不準(zhǔn)確，利用該技術(shù)的定位只能 解決近距離的定位問題；基于 TOA 定位中，到達(dá)時間的測量要求網(wǎng)絡(luò)具備很好的時間同步[3]， 這大大增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷，從而限制了基于達(dá)到時間定位技術(shù)的應(yīng)用；基于 TDOA 定位中， 到達(dá)時間差的測量要么需要網(wǎng)絡(luò)同步，要么需

29、要利用到超聲波。如果要求網(wǎng)絡(luò)同步就會增大 網(wǎng)絡(luò)的開銷，而如果利用了超聲波，超聲波的傳播距離有限，這些問題都限制了基于到達(dá)時 間差定位技術(shù)的應(yīng)用；基于 AOA 定位中，到達(dá)角度的測量要依賴昂貴的天線，這就制約了 基于到達(dá)角度定位技術(shù)的應(yīng)用。綜上所述，研究出更好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題解決方案 仍然是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的一項工作，這項研究將直接關(guān)系到無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是否能夠更加廣泛。</p><p

30、>　　1.3 本文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排</p><p>　　ZigBee 技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)被廣泛使用的技術(shù)，它已解決了很多實際問題。本 文是在 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)上研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題。首先介紹了 ZigBee 技術(shù)以 及目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的基于測距的定位技術(shù)。接著利用基于 TDOA(到達(dá)時間差)定位 技術(shù)的原理提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)：基于 TDOA 的無

31、線傳感網(wǎng)定位技 術(shù)。并從仿真的角度驗證了該定位技術(shù)的可行性，分析了采用該定位技術(shù)進(jìn)行定位所取得結(jié) 果的準(zhǔn)確性。最后設(shè)計實驗驗證了基于 TDOA 的無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，并取得了比較 滿意的定位效果。</p><p>　　本文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章為本文的緒論，主要介紹了本文研究的背景、目的以及意義。</p><p>　　第二章為 ZigBee 技術(shù)的研究，在介紹了 ZigBee 技

32、術(shù)之后對 ZigBee 芯片及開源的 ZigBee 協(xié)議棧 msstatePAN 作了介紹。</p><p>　　第三章為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)的研究，本章節(jié)主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位 技術(shù)及其分類，并著重介紹了基于測距的定位技術(shù)。</p><p>　　第四章為基于 TDOA 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法，本章節(jié)首先介紹了 ZigBee 芯片 CC2430 之間具有穩(wěn)定的時鐘頻率偏移，接

33、著依據(jù)已有的研究提出一種基于 TDOA 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定 位算法，并通過 MATLAB 仿真驗證了這種算法的可行性，最后在仿真中得到利用該算法進(jìn)行定</p><p><b>　　位的效果圖。</b></p><p>　　第五章為定位算法在硬件平臺上的驗證，本章節(jié)首先介紹了基于 TDOA 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 定位算法在實驗平臺的實現(xiàn)過程，接著介紹了對 ZigBee 協(xié)議

34、棧 msstatePAN 的修改，然后介 紹了怎樣對實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后通過實際的實驗驗證了基于 TDOA 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 定位算法是可行的，并分析了該算法的定位效果。</p><p>　　第六章為全文總結(jié)與展望，本章節(jié)對本文所做的工作做了總結(jié)，接著對接下去要做的工 作進(jìn)行了介紹。</p><p>　　第二章 ZigBee 技術(shù)的研究</p><p>　　

35、隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)越來越為人們所熟悉。不論是在日常生活 中還是在社會生產(chǎn)中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都能為人們提供方便的服務(wù)。為此，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為 當(dāng)前研究員和學(xué)者的熱點研究領(lǐng)域，許多生產(chǎn)廠家也關(guān)注到無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的巨大應(yīng)用前景。 有的無線網(wǎng)絡(luò)例如移動互聯(lián)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等需要向用戶提供傳輸速率高，傳播距離遠(yuǎn)的服 務(wù)，這些無線網(wǎng)絡(luò)需要很高的成本和很大的功耗。但是，在諸如工業(yè)控制、汽車電子和環(huán)境 監(jiān)測等應(yīng)用方面，只需提供低成本、低

36、功耗及傳輸距離較近的無線網(wǎng)絡(luò)即可，針對這些無線 網(wǎng)絡(luò)的特點和要求，具有重大應(yīng)用價值的 ZigBee 技術(shù)誕生了。</p><p>　　2.1 ZigBee 技術(shù)及其特點[1][2][4][5]</p><p>　　ZigBee 技 術(shù) 是 一 種 低 速 無 線 個 域 網(wǎng) 技 術(shù) (Low Rate Wireless Personal Network, LR_WPAN)。該技術(shù)具有低能

37、量消耗、低成本和低傳輸速率等特點，廣泛的運用于數(shù)據(jù)通信量 不大、傳輸速率低及傳輸距離短的場合。</p><p>　　ZigBee 技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　ZigBee 技術(shù)的命名來自于人們對于蜜蜂生活方式的觀察，當(dāng)蜜蜂發(fā)現(xiàn)有新的食物需要 通知自己的同伴時，就會翩翩起舞，用類似 ZigZag 樣子的舞蹈與同伴進(jìn)行信息的交流。 蜜蜂自身體積小，而且通過 ZigZag 舞蹈能夠有效地傳遞

38、信息，所以人們用 ZigBee 技術(shù)代表 能量消耗小、成本低的無線短距離通信技術(shù)。</p><p>　　2000 年 12 月，電器和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)成立了 IEEE 802.15.4 工作組，該工作組的任務(wù)是制定一種低成本、低功 耗且方便使用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2002 年，ZigBee 聯(lián)盟成立，該事件

39、標(biāo)志著對 ZigBee 技術(shù)的 研究進(jìn)入了一個全新的階段，由于 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用前景廣泛，ZigBee 聯(lián)盟不斷地得到發(fā)展 和壯大。2003 年 11 月，電器和電子工程師協(xié)會發(fā)布了 IEEE 802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)制 定了 ZigBee 技術(shù)的物理層和媒體介入控制層協(xié)議規(guī)范。2004 年 12 月，ZigBee 技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布 了 ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)使 ZigBee 技術(shù)具備了統(tǒng)一的協(xié)議，方便了人們對于該技

40、術(shù)的開 發(fā)研究。許多公司和生產(chǎn)商陸續(xù)地推出了 ZigBee 產(chǎn)品和開發(fā)系統(tǒng)，解決了實際問題。目前， ZigBee 聯(lián)盟已經(jīng)得到了飛快的發(fā)展和壯大，由一百多家企業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)化組織組成，ZigBee 技術(shù)</p><p>　　在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了典型的應(yīng)用。在不久的將來，隨著研究的深入，ZigBee 技 術(shù)將應(yīng)用到人們生活和社會生產(chǎn)的各個方面。</p><p>　　ZigBee 協(xié)議的結(jié)

41、構(gòu)</p><p>　　ZigBee 協(xié)議采用的是四層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中每層完成本層的功能并向相鄰層提供服務(wù)。具 體分層四層架構(gòu)：物理層(Physical Layer, PHY)、媒體訪問控制層(Medium Access Control Sub-layer, MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer, NWK)和應(yīng)用層(Application Layer, APL)。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 Zi

42、gBee 的物理層和媒體訪問控制層協(xié)議，ZigBee 聯(lián)盟制定了 ZigBee 的 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議。圖 2-1 給出了 ZigBee 協(xié)議的結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖 2-1： ZigBee 協(xié)議的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　ZigBee 的物理層設(shè)置了三個頻段，總共劃分出了 27 個信道，每個頻段上的工作方式都 采用直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread S

43、pectrum, DSSS)的方式。通常情況下，一個 ZigBee 設(shè)備不能同時兼容這三個頻段。第一個頻段是 868MHz 頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kbps， 該頻段被歐洲等地區(qū)所使用；第二個頻段是 915MHz 頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為 40kbps，該頻段 被北美等地區(qū)所使用；第三個頻段是 2.4GHz 頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps，該頻段為全球 通用的頻段，我國使用該頻段。物理層可以看作是 MAC 層和無線信道之間的接口，該

44、層提供 數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。通過控制射頻收發(fā)器從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，這是物理層的數(shù)據(jù)服務(wù)。 執(zhí)行 MAC 層發(fā)來的命令，例如：空閑信道評估(Clear Channel Assessment, CCA)、能量檢測 (Energy Detection, ED)等，并維護(hù)物理層信息庫(PHY PIB)，這是物理層的管理服務(wù)。</p><p>　　媒體接入控制層簡稱 MAC 層。MAC 層位于物理層之上，該層可以提供數(shù)據(jù)

45、服務(wù)和管理服 務(wù)。ZigBee 的 MAC 層中一個重要的特點是采用了免沖突載波檢測多路訪問(CSMA/CA)機(jī)制， 它有效地解決了多個節(jié)點爭用無線信道時產(chǎn)生的沖突問題。由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中一個設(shè)備可能</p><p>　　會 從 一 個 網(wǎng) 絡(luò) 切 換 到 另 一 個 網(wǎng) 絡(luò) ， 這 樣 就 需 要 進(jìn) 行 關(guān) 聯(lián) (association) 和 取 消 關(guān) 聯(lián) (disassociation)操作，這些

46、操作都是在 MAC 層中進(jìn)行的。協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的信標(biāo)幀(beacon) 也是在 MAC 層中產(chǎn)生的，它包含本網(wǎng)絡(luò)的信息，用于網(wǎng)絡(luò)的同步。除了上述功能之外，MAC 層還計算產(chǎn)生幀校驗序列(FCS)，保障了數(shù)據(jù)在節(jié)點之間傳輸?shù)陌踩浴?lt;/p><p>　　ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層除了具有通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，還必須具備功耗小、方便用戶使用及降 低網(wǎng)絡(luò)成本等要求。在總體架構(gòu)上，該層仍然延續(xù)了物理層協(xié)議和媒體接入控制層協(xié)議的

47、思 想，即網(wǎng)絡(luò)層也能夠提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，包括協(xié)調(diào)器節(jié)點建 立新網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點和終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)絡(luò)層將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加上網(wǎng)絡(luò)地址信息 發(fā)送給 MAC 層，保證了信息的安全到達(dá)。網(wǎng)絡(luò)層還管理路由的選擇和維護(hù)，ZigBee 設(shè)備之間 發(fā)送的信息可以通過協(xié)調(diào)器和路由器實現(xiàn)多跳傳輸，在傳輸過程中由網(wǎng)絡(luò)層選擇合適的路由。 網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)、記錄和報告一跳范圍內(nèi)其他設(shè)備。</p><p>　

48、　應(yīng)用層是 ZigBee 協(xié)議的最高層，通過該層可以控制整個協(xié)議棧的運行，該層由應(yīng)用支持 子層(Application Support, APS)、ZigBee 設(shè)備對象(ZigBee Device Objects, ZDO)、ZigBee 應(yīng)用框架(Application Framework, AF)、ZigBee 設(shè)備模版和制造商定義的應(yīng)用對象等組成。 應(yīng)用支持子層為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供了接口，方便網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的信息交流。Zig

49、Bee 設(shè)備對象處于應(yīng)用支持子層和 ZigBee 應(yīng)用框架之間，它的主要功能是定義設(shè)備的類型，如協(xié) 調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，并且根據(jù)設(shè)備類型提供相應(yīng)的服務(wù)。應(yīng)用框架指的是 ZigBee 設(shè)備 中應(yīng)用對象所處的環(huán)境，它可以為應(yīng)用對象提供鍵值匹配服務(wù)(Key Value Pair, KVP)或一般 信息服務(wù)(Generic Message, MSG)。</p><p>　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)</p>

50、<p>　　利用 ZigBee 技術(shù)可以方便地組建廉價的低速率無線個域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中的成員按照所具備功 能的不同劃分成三個不同的種類，即協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé) 網(wǎng)絡(luò)的建立，以及對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)地配置；路由器節(jié)點主要負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的路由，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò) 報文讓數(shù)據(jù)正確地抵達(dá)目的地；終端節(jié)點具備加入和退出網(wǎng)絡(luò)的功能，終端節(jié)點可以發(fā)送和 接收數(shù)據(jù)但不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)目最多的節(jié)點是終端節(jié)點。有些情況下

51、， 可以根據(jù)設(shè)備所具備的通信能力將其劃分成全功能設(shè)備(FFD)或精簡功能設(shè)備(RFD)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種形式：星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)， 該類網(wǎng)絡(luò)中任意兩個全功能設(shè)備之間都可以進(jìn)行直接通信，可以把它們看作是網(wǎng)絡(luò)的路由器 節(jié)點，可用于轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包。</p><p>　　ZigBee 技術(shù)的特點</p><p>　　ZigBee 技術(shù)是短距離

52、無線通信中的一種技術(shù)，人們已經(jīng)利用它解決了許多實際的問題。 該技術(shù)具備很多優(yōu)點，下面將重點介紹其具備的幾個突出的優(yōu)勢。</p><p>　　(1)：低功耗。極低的功耗是 ZigBee 相對于其它短距離無線技術(shù)的一個鮮明優(yōu)勢。 ZigBee 芯片具備多種電源管理模式，可以有效地對芯片的工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)進(jìn)行配置，從 而降低系統(tǒng)功耗，延長電源工作時間。ZigBee 技術(shù)的低功耗不僅節(jié)約了能源，而且解決了某 些應(yīng)用中電

53、源續(xù)航能力短的難題。</p><p>　　(2)：低成本。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議較為簡單，這就降低了對處理器的要求。通常情況下， ZigBee 芯片的內(nèi)核一般采用 8051 單片機(jī)內(nèi)核，成本較低。此外， 2.4GHz 頻段為全球通用的 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻段，該頻段是免付費、免申請的無線電頻段，這就避免了使用無線資源 而付費的問題。</p><p>　　(3)：高容量。ZigBee 設(shè)備可以

54、構(gòu)造出星型網(wǎng)絡(luò)或點對點對等網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的地 址碼可以是 16bit 的短地址或者 64bit 的長地址，從這可以看出 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有較大的網(wǎng)絡(luò) 容量。在一個單獨的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，最多可以容納 65536 個設(shè)備。</p><p>　　2.2 ZigBee 芯片 CC2430 簡介[6][7]</p><p>　　ZigBee 技術(shù)具備低功耗、低成本等優(yōu)點，便于搭建廉

55、價的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決實際問題， 從而受到了芯片生產(chǎn)商的青睞。ZigBee 的產(chǎn)品也逐漸地進(jìn)入了人們的視野。在產(chǎn)品生產(chǎn)初期， ZigBee 芯片主要應(yīng)用于工業(yè)的傳感式網(wǎng)絡(luò)，例如燈光控制等。隨著 ZigBee 協(xié)議的正式提出， ZigBee 產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展。目前，具有代表性的 ZigBee 產(chǎn)品生產(chǎn)商有飛思卡爾半導(dǎo)體 公司和 Chipcon 公司(已被 TI 公司收購)。Chipcon 公司生產(chǎn)的 CC2430 芯片實現(xiàn)了嵌入式 Z

56、igBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)。由于本文采用了 CC2430 芯片，所以接下來主要對該芯片做簡單的 介紹。</p><p>　　2.2.1 CC2430 概述</p><p>　　CC2430 芯片支持 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議。由于具有超低的功耗及成本，所 以該芯片的市場競爭力很強(qiáng)。市場上廣泛地存在三種 CC2430 芯片，即 CC2430-F32/F64

57、/F128， 它們分別表示內(nèi)置內(nèi)存的大小是 32KB/64KB/128KB。本文使用的是 CC2430-F128 芯片。該芯 片內(nèi)部的線路交互方式遵從 IDE 的 IAR 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以用 IAR 工具對程序進(jìn)行修改。CC2430</p><p>　　芯片擁有一顆性能強(qiáng)大的 8051 微控制器內(nèi)核，射頻部分集成了 Chipcon 公司生產(chǎn)的 CC2420 射頻收發(fā)器，具備很高的接收靈敏度及抗干擾能力，8KB 的靜

58、態(tài)隨機(jī)存儲器方便了在各種供 電模式下對數(shù)據(jù)的保護(hù)。CC2430 芯片擁有 48 個引腳，只需在外圍增加少量的元器件就能進(jìn) 行工作。圖 2-2 給出了該芯片的應(yīng)用電路圖。</p><p>　　圖 2-2： CC2430 工作時的電路圖</p><p>　　2.2.2 增強(qiáng)型的 8051 內(nèi)核</p><p>　　CC2430 芯片上使用了高性能的增強(qiáng)型 8051 CP

59、U 內(nèi)核，運行時鐘為 32MHz。與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 內(nèi)核相比，該增強(qiáng)型內(nèi)核使用了不同的指令定時，而且去除了一些無用的總線狀態(tài)，所以它 的指令處理速度比標(biāo)準(zhǔn)的 8051 內(nèi)核快得多。除了處理速度加快之外，該增強(qiáng)型的內(nèi)核還增加</p><p>　　了一個數(shù)據(jù)指針和擴(kuò)展了 18 個中斷源。該內(nèi)核上包含了 3 個復(fù)位來源，分別是：看門狗、復(fù)</p><p>　　位引腳以及上電復(fù)位，擁有 4 個不

60、同的存儲空間，即代碼存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、外部數(shù)據(jù)存 儲區(qū)和特殊功能寄存器存儲區(qū)，其中特殊功能寄存器用于控制內(nèi)核和外部設(shè)備。</p><p>　　可以通過執(zhí)行下列步驟使用 CC2430 中的某一中斷功能：</p><p>　　(1)：設(shè)置 IEN0 寄存器中的 EAL 位為 1，表示將要使用某一個中斷。需要注意的是，如</p><p>　　果該位被設(shè)置為 0，則表示不

61、能使用任何中斷。</p><p>　　(2)：將中斷使能寄存器 IEN0、IEN1 和 IEN2 中的相應(yīng)位設(shè)置為 1，使能相應(yīng)中斷。 (3)：對于外部中斷，如果需要設(shè)置特殊功能寄存器，則相應(yīng)的位也要設(shè)置為 1。 (4)：在該中斷對應(yīng)的的向量地址上，運行該中斷相對應(yīng)的服務(wù)程序。 當(dāng)中斷發(fā)生時，CPU 根據(jù)中斷向量找到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序所在的地址，然后執(zhí)行中斷</p><p>　　服務(wù)程序。

62、中斷服務(wù)程序執(zhí)行的過程中，通常只能被更高優(yōu)先級的中斷打斷，否則中斷程序 一直運行到中斷服務(wù)程序結(jié)束處，執(zhí)行完 RET1 指令，完成中斷服務(wù)。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完之 后，CPU 會返回到被中斷處開始執(zhí)行下一條指令。</p><p>　　2.2.3 電源管理介紹</p><p>　　CC2430 為了實現(xiàn)低功耗運行，使用了不同的工作模式。在不同的工作模式中關(guān)閉了相應(yīng) 的耗電模塊，從而達(dá)到低功耗的

63、目的。在超低功耗模式下，系統(tǒng)關(guān)閉了對模塊的供電或者通 過門控時鐘和關(guān)閉振蕩器來避免多余的電源損耗。CC2430 的 4 個電源模式被稱為 PM0，PM1， PM2 和 PM3，可以通過設(shè)置寄存器 SLEEP 中的 MODE 位來設(shè)定芯片的工作模式，之后通過設(shè)置 PCON.IDEL 位進(jìn)入相應(yīng)的睡眠模式。電源模式中的配置情況如表 2-1 所示。</p><p>　　表 2-1： 電源模式中的相關(guān)配置</p&g

64、t;<p>　　PM0 是芯片工作的全功能模式，CPU、外圍電路和 RF 收發(fā)機(jī)都處于運行狀態(tài)。數(shù)字電源 穩(wěn)壓器是打開的。該模式也稱為主動模式。PM0 主要用于正常工作，當(dāng)芯片處于 PM0 模式時， 可以使能 PCON.IDLE 位使 CPU 從運行轉(zhuǎn)變成停止。</p><p>　　在 PM1 模式下，高頻振蕩器(32MHz 晶體振蕩器和 16MHzRC 振蕩器)斷電不工作。電源穩(wěn) 壓器和低頻振蕩器

65、正常工作。如果芯片進(jìn)入 PM1 模式工作，需要運行一個斷電序列。當(dāng)設(shè)備 從 PM1 模式進(jìn)入 PM0 模式，高頻振蕩器開啟，設(shè)備將自動運行在 16MHz 的 RC 振蕩器上，如果</p><p>　　想讓設(shè)備運行在 32MHz 晶體振蕩器上，必須要使用軟件來實現(xiàn)。如果從該工作模式喚醒系統(tǒng)， 可以通過計時器或者其他外部事件。</p><p>　　PM2 是較低的功耗模式。當(dāng)芯片處于 PM2

66、模式時，上電復(fù)位、外部中斷、32.768KHz 振蕩 器和睡眠定時器這些外圍設(shè)備運行。在進(jìn)入 PM2 模式之前，I/O 引腳保持 I/O 模式，其他內(nèi) 部電路斷電。當(dāng)睡眠時間超過 3ms 時，為了更加省電，不使用 PM1 模式而使用 PM2 模式。如 果從該模式喚醒到 PM0 模式，需要通過復(fù)位、外部事件中斷或者睡眠計時器。</p><p>　　PM3 是最低功耗的模式。在該模式下，所有從電源穩(wěn)壓器取電的內(nèi)部電路

67、都關(guān)閉。內(nèi)部 電源穩(wěn)壓器和所有的振蕩器都關(guān)閉。如果從該模式返回 PM0 模式，可以通過復(fù)位、外部事件 中斷。返回 PM0 模式后，高速時鐘重新開始工作。</p><p>　　2.2.4 定時器 1 簡介</p><p>　　定時器 1 是一個支持典型定時器/計數(shù)器功能(例如：輸入捕獲、輸出比較和 PWM 功能) 的獨立的 16 位定時器。它具有 3 個獨立的捕獲/比較通道。每個通道使用一個

68、 I/O 引腳。該 定時器廣泛地用于控制和測量方面。3 個通道都具備正計數(shù)和倒計數(shù)功能。</p><p>　　總的來說，定時器 1 具備下面的一些特征：3 個捕獲/比較通道；上升沿、下降沿或者任 何邊沿的輸入捕獲；設(shè)置、清除或者切換輸出比較；自由運行，?；蛘哒嫈?shù)/倒計數(shù)操作； 1、8、32 或 128 的時鐘分頻；在每個捕獲/比較和最終計數(shù)上產(chǎn)生中斷；DMA 觸發(fā)功能。</p><p>

69、　　定時器 1 是一個在每個有效時鐘邊沿增加或者減少的 16 位計數(shù)器。 寄存器位 CLKCON.TICKSPD 設(shè)置全局系統(tǒng)時鐘的劃分，定時器 1 使用 32MHz 晶體振蕩器作為時鐘源并提 供了一個從 0.25MHz 到 32MHz 的時鐘頻率。定時器 1 中 T1CTL.DIV 可以對給定的分頻值進(jìn)一 步劃分，這個分頻值可以為 1、8、32 或 128。因此當(dāng)使用 32MHz 晶體振蕩器作為系統(tǒng)時鐘源 時，定時器 1 的最低時鐘頻

70、率為 1953.125Hz，最高的時鐘頻率為 32MHz。</p><p>　　定時器的通道模式是在每個通道對應(yīng)的控制狀態(tài)寄存器 T1CCTLn 中設(shè)置，可以被設(shè)置成 輸入捕獲或者輸出比較模式。在輸入捕獲模式下，當(dāng)一個通道被配置成輸入捕獲通道時，和 該通道相連的 I/O 引腳則配置為輸入。定時器啟動后，輸入引腳的上升沿、下降沿或者任何 邊沿都將觸發(fā)一個捕獲，即 16 為定時器的內(nèi)容被捕獲到相關(guān)的捕獲寄存器中去。由

71、于通道輸 入引腳和內(nèi)部系統(tǒng)時鐘同步，因此輸入引腳上脈沖的最小持續(xù)時間必須大于系統(tǒng)的時鐘周期。 在輸出比較模式下，和該通道相連的 I/O 引腳被配置成輸出。定時器啟動后，對計數(shù)器里的 內(nèi)容和通道比較寄存器 T1CCnH：T1CCnL 的內(nèi)容進(jìn)行比較。如果比較寄存器和計數(shù)器的內(nèi)容相 同，則輸出引腳置 1，根據(jù)由 T1CCTLn.CMP 寄存器的設(shè)置情況進(jìn)行復(fù)位或者切換。</p><p>　　2.2.5 射頻收發(fā)機(jī)簡介

72、</p><p>　　CC2430 芯片的射頻模塊集成了 CC2420 射頻芯片，該射頻收發(fā)器滿足 IEEE 802.15.4 規(guī) 范。圖 2-3 是 CC2430 無線模塊的示意圖。</p><p>　　圖 2-3： CC2430 的無線模塊</p><p>　　CC2430 的特征之一就是采用了低中頻(Low-IF)接收。芯片收到的射頻(RF)信號后將其通 過低

73、噪聲放大器(LNA)放大，并且將收到的同相信號和正交相位信號(I/Q)降頻轉(zhuǎn)化為中頻(IF) 信號，并且過濾掉殘留在中頻信號里的 I/Q 信號后，放大中頻信號，接著通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC) 數(shù)字化、 自動增益控制、 以及信道的過濾、 解擴(kuò)頻(De-spreading)、 符號相關(guān)(Symbol Correlation)和字節(jié)同步(Byte Synchronization)等。所有這些操作都是通過數(shù)字邏輯完成 的。</p>

74、<p>　　CC2430 芯片發(fā)送信息時采用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，調(diào)制方式為偏移正交相移鍵控 (O-QPSK)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，由硬件產(chǎn)生幀引導(dǎo)序列和幀開始定界符，然后將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存 放到 128 字節(jié)的發(fā)送緩存中。接收數(shù)據(jù)時，一旦檢測到幀開始定界符，就產(chǎn)生中斷，接著將</p><p>　　接收到的數(shù)據(jù)存入 128 字節(jié)接收緩存中，上層程序讀取接收緩存中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷處理， 如果是發(fā)給本節(jié)點的信

75、息就接收，否則丟棄。上述的發(fā)送緩存和接收緩存都是先進(jìn)先出(FIFO) 隊列。在接收數(shù)據(jù)時，CC2430 芯片通過硬件檢測 CRC(Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余 校驗)，將接收信號強(qiáng)度指示值(RSSI)和相關(guān)的數(shù)值附加到數(shù)據(jù)幀中。</p><p>　　2.3 ZigBee 精簡協(xié)議棧[8][9]</p><p>　　上一節(jié)中介紹了 TI(德州儀器)公司生產(chǎn)的 Z

76、igBee 芯片 CC2430，本節(jié)則簡單介紹在該芯 片上運行的 ZigBee 協(xié)議棧。</p><p>　　TI 公司研制的 ZigBee 協(xié)議棧 Z-Stack 廣泛地得到了應(yīng)用，它可以從網(wǎng)絡(luò)上免費下載到， 配合該公司生產(chǎn)的芯片 CC2430 能夠方便地搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但是，該協(xié)議棧的物理層和 媒體接入控制層程序被封裝起來，不便于個人對其進(jìn)行獨立地開發(fā)。為了方便研究，本文選 擇了密西西比大學(xué) Robert

77、 Reese 教授編寫的精簡版 ZigBee 協(xié)議棧 msstatePAN。該協(xié)議棧是 完全開源的，主要用于 ZigBee 愛好者的研究和交流，且該協(xié)議棧不但簡單而且具備了很好的 穩(wěn)定性，對它進(jìn)行修改也非常方便。</p><p>　　msstatePAN 協(xié)議棧是使用標(biāo)準(zhǔn)的 C 語言編寫的，它基本符合 ZigBee 協(xié)議規(guī)范。該協(xié)議 棧從出現(xiàn)開始就受到了廣大 ZigBee 愛好者的研究，不斷地得到了完善，目前最新

78、的版本是 V0.2.6。雖然 msstatePAN 協(xié)議棧的功能有限，但是這些功能足以滿足本課題研究的需要。本 課題選用 msstatePAN 協(xié)議棧的最大原因是該協(xié)議棧每層的代碼都是開源的，可以根據(jù)研究的 需要對其進(jìn)行修改。</p><p>　　msstatePAN 協(xié)議棧采用了有限狀態(tài)機(jī)機(jī)制，每一層都有一個有限狀態(tài)機(jī)，通過改變該層 有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)使該層運行特定的程序完成指定的任務(wù)。最高層的有限狀態(tài)機(jī)函數(shù)是

79、apsFSM()，協(xié)議棧運行的時候周期性地調(diào)用該函數(shù)以保證程序正常運行。所有應(yīng)用層的函數(shù) 都是以 apl 或者 aps 開頭，所有網(wǎng)絡(luò)層的函數(shù)都以 nwk 開頭，媒體接入控制層的函數(shù)以 mac 開頭，物理層的函數(shù)以 phy 開頭，這樣的設(shè)計方便了對程序的理解。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點程序的編 寫上，如果在 IDE(集成設(shè)計環(huán)境)中設(shè)置 LRWPAN_COORDINATOR 預(yù)處理定義，則表示是協(xié)調(diào)器 節(jié)點程序，如果在 IDE 中設(shè)置 LRWPAN_

80、ROUTER 預(yù)處理定義，則表示是路由器節(jié)點程序，如果 沒有預(yù)處理定義，則表示協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點共用的程序。</p><p>　　協(xié)調(diào)器節(jié)點在啟動后，經(jīng)過初始化工作，然后調(diào)用 aplFormNetwork()函數(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，并 對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。最后進(jìn)入無限循環(huán)并周期性地調(diào)用 apsFSM()來運行協(xié)議棧，協(xié)調(diào)器節(jié)點 的網(wǎng)絡(luò)地址是 0x0000,該節(jié)點可以路由數(shù)據(jù)包并處理間接消息響應(yīng)。路由器節(jié)點或者終端節(jié) 點

81、在啟動后，經(jīng)過初始化工作，然后調(diào)用 aplJoinNetwork()函數(shù)加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點組建的網(wǎng)絡(luò)， 加入網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點反饋的信息設(shè)置自身的網(wǎng)絡(luò)信息，它們的網(wǎng)絡(luò)地址由協(xié)調(diào)器節(jié) 點分配。最后進(jìn)入無限循環(huán)并周期性地調(diào)用 apsFSM()來運行協(xié)議棧。以上介紹了協(xié)議棧的大 概工作流程。接下來將給出相關(guān)的程序介紹。</p><p>　　首先介紹協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)的主要代碼：</p><p>　　

82、void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　halInit(); evbInit(); aplInit();</p><p>　　//以上進(jìn)行的是一系列的初始化工作 conPrintConfig();//顯示協(xié)議棧的信息</p><p>　　aplFormNetwork(

83、);//開始組建一個網(wǎng)絡(luò)，并配置網(wǎng)絡(luò)信息 while(apsBusy()){apsFSM();}//等待直到網(wǎng)絡(luò)組建完成 while(1){apsFSM();}//不停地調(diào)用 apsFSM()函數(shù)，保證協(xié)議棧順利運行</p><p><b>　　}</b></p><p>　　接下來介紹路由器或者終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的主要代碼： void main(void)</

84、p><p><b>　　{</b></p><p>　　halInit(); evbInit(); aplInit();</p><p>　　//以上進(jìn)行的是一系列的初始化工作 conPrintConfig();//顯示協(xié)議棧的信息 do{</p><p>　　aplJoinNetwork(); while(apsBusy

85、()){apsFSM();}</p><p>　　}while(aplGetStatus()!=LRWPAN_SUCCESS); //等待直到成功加入網(wǎng)絡(luò) while(1){apsFSM();} //不停地調(diào)用 apsFSM()函數(shù)，保證協(xié)議棧順利運行</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　2.4 本章

86、小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了 ZigBee 技術(shù)的發(fā)展及 ZigBee 四層協(xié)議的相關(guān)知識，接著主要介紹了當(dāng) 前應(yīng)用廣泛的 ZigBee 芯片 CC2430，最后對 msstatePAN 協(xié)議棧作了簡要地介紹，這些知識的 介紹為后面本文的實驗部分做了很好的鋪墊。</p><p>　　第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位技術(shù)的研究</p><

87、p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用主要是把大量的傳感器節(jié)點放置于需要監(jiān)測的區(qū)域，讓這些 節(jié)點采集人們所感興趣的數(shù)據(jù)，之后通過無線傳輸?shù)姆绞桨巡杉降男畔R集到總處理器， 總處理器通過分析數(shù)據(jù)得出所檢測區(qū)域的狀況。由此可以看出，位置信息對所采集的數(shù)據(jù)是 非常重要的。對于無線傳感網(wǎng)中定位技術(shù)的研究是非常有意義的。</p><p>　　3.1 無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)概述[10]</p><p>

88、;　　無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中一些位置已知的節(jié)點通過與位置未知的節(jié)點交換數(shù) 據(jù)，從而得出位置未知節(jié)點的具體位置。</p><p>　　3.1.1 無線傳感網(wǎng)定位相關(guān)的基本概念[11]</p><p>　　GPS(Global Positioning System)：即為人們所熟悉的全球定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)由 24 顆衛(wèi)星所組成，能夠得到準(zhǔn)確的位置信息。</p><

89、;p>　　錨節(jié)點(Anchor Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置已經(jīng)事先知道的傳感器節(jié)點。該節(jié)點的 位置信息可以通過 GPS 測定，或者通過放置該節(jié)點的時候人工測定出。它的主要功能是和其 通信范圍內(nèi)的位置未知的節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交換從而確定它們的具體位置。也有的文獻(xiàn)中將錨節(jié) 點稱作信標(biāo)節(jié)點(Beacon Node)。</p><p>　　未知節(jié)點(Unkown Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置未知的節(jié)點，該節(jié)

90、點的位置信息需要 通過一些方法測量得到。也稱為待定位節(jié)點(Unpositioning Node)。</p><p>　　鄰居節(jié)點(Neighbor Nodes)：指在傳感器節(jié)點通信范圍內(nèi)的所有其他傳感器節(jié)點。如果 某個節(jié)點想要把信息傳得更遠(yuǎn)，可以將信息通過鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。</p><p>　　連通(Connectible)：若兩個傳感器節(jié)點之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則可以把這兩個無線傳 感器節(jié)點

91、稱為連通的。</p><p>　　連通度(Connectivity)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，與某個傳感器節(jié)點相連通的節(jié)點的數(shù)目 稱為該節(jié)點的連通度。</p><p>　　錨節(jié)點密度(Anchor Density)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點個數(shù)占整個網(wǎng)絡(luò)中傳感器 節(jié)點數(shù)據(jù)的百分比。</p><p>　　基于測距(Range-based)：指需要測量距離然后進(jìn)行定位的方

92、法。</p><p>　　非基于測距(Range-free)：指不需要距離的測量就能進(jìn)行定位的方法。</p><p>　　視距關(guān)系(Line of sight, LOS)：指兩個傳感器節(jié)點之間沒有障礙物阻擋，能夠進(jìn)行兩 個節(jié)點之間直接的傳輸數(shù)據(jù)。</p><p>　　非視距關(guān)系(Non line of sight, NLOS)：指兩個傳感器節(jié)點之間有障礙物阻擋。&l

93、t;/p><p>　　3.1.2 無線傳感網(wǎng)定位的性能評價指標(biāo)[12]</p><p>　　評價定位技術(shù)好壞的最重要的指標(biāo)就是定位的準(zhǔn)確性和精確度。定位的準(zhǔn)確性指的是通 過某定位算法求得的位置與實際位置之間的最大距離。定位的精確度指的是定位準(zhǔn)確性能達(dá) 到的百分比，它需要通過多次實驗得到的。對于定位性能的評價必須同時考慮定位的準(zhǔn)確性 和精確度。實際應(yīng)用中使用的定位算法都具備很強(qiáng)的穩(wěn)定性能，多次定

94、位得到的位置偏差不 大，所以對于定位技術(shù)的評價可以用定位的誤差表示。定位的誤差分為絕對誤差和相對誤差， 絕對誤差指的是定位的位置與實際位置相差的距離，相對誤差指絕對誤差與節(jié)點之間可以通 信的最長距離的百分比。</p><p>　　假設(shè)有 N 個未知節(jié)點，這些節(jié)點的實際位置是 X i ，(i = 1,2,…,N)，經(jīng)過定位算法的運 算得到的測量位置是Yi ，(i = 1,2,…,N)，于是就可以得到定位平均絕對誤

95、差為：</p><p><b>　　1 N</b></p><p><b>　　E ??</b></p><p><b>　　N i ?1</b></p><p><b>　　X i ? Yi</b></p><p><

96、;b>　　(3.1)</b></p><p>　　如果節(jié)點之間能夠通信的最大距離是 R，那么定位的平均相對誤差為：</p><p><b>　　E ? E</b></p><p><b>　　rR</b></p><p><b>　　(3.2)</b>&

97、lt;/p><p>　　此外還有一些其他的評價標(biāo)準(zhǔn)如表 3-1 所列舉：</p><p>　　表 3-1： 定位技術(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　以上介紹的定位技術(shù)的評價指標(biāo)還可以作為設(shè)計定位系統(tǒng)的參考因素，不同的定位應(yīng)用 中應(yīng)該選擇不同的定位算法，在保證定位精度的前提下，最大限度地減少資源浪費。這些評 價指標(biāo)之間并不是孤立的，它們存在聯(lián)系。對于定位技術(shù)的好壞只能從

98、某個方面進(jìn)行評價， 實際應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮各方面的要求設(shè)計出合適的定位系統(tǒng)。</p><p>　　3.2 無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)的分類[12]</p><p>　　根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，可以將無線傳感網(wǎng)定位算法進(jìn)行不同的分類。例如，根據(jù)是否需 要測量節(jié)點之間的距離，可以將定位算法分為基于測距(Range-based)的定位算法和非基于測 距(Range-free)的定位算法。如果根據(jù)定位過程中

99、定位計算所處的位置劃分，可以將定位算 法分為集中式(Centralized Computation)定位算法和分布式(Distributed Computation)定 位算法。如果根據(jù)定位所得到的位置信息的類型，可以將定位算法分為絕對定位算法和相對 定位算法。</p><p>　　3.2.1 基于測距與非基于測距的定位算法[13][14]</p><p>　　基于測距的定位算法通過測量未

100、知節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離或者角度從而計算出未知節(jié) 點的位置。而非基于測距的定位算法則不需要測量距離和角度的信息，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)等信息進(jìn)行未知節(jié)點的定位。常用的基于測距的定位算法有：基于接收信號強(qiáng)度測量法 (RSSI)、到達(dá)時間測量法(TOA)、到達(dá)時間差測量法(TDOA)和到達(dá)角度測量法(AOA)。常用的 非基于測距的定位算法有：質(zhì)心算法、凸規(guī)劃法、網(wǎng)絡(luò)多跳路由算法(DV-hop)。</p><p>　　

101、這樣劃分的兩種定位算法各有其優(yōu)缺點?；跍y距的定位算法由于需要進(jìn)過較為準(zhǔn)確的 距離測量，所以它的定位精度比較好，但是在功耗和成本方面比較大。而非基于測距的定位 算法在成本和功耗方面比較小，易于實現(xiàn)，但是其定位精度比較差。在實際的應(yīng)用中應(yīng)該根 據(jù)需求的不同選擇不同的定位算法。值得注意的是，在非基于測距的定位算法中，網(wǎng)絡(luò)多跳 路由算法也需要計算未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離，但是這種距離的估算是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行計算的，而不是通過信號

102、傳輸特性進(jìn)行測量。目前，實際應(yīng)用中廣泛使用的是 基于測距的定位算法，本文所要研究的也是基于測距的定位算法。</p><p>　　3.2.2 集中式與分布式定位算法</p><p>　　集中式定位算法將傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有信息傳送到一個中心控制節(jié)點，然后在這個中心</p><p>　　節(jié)點處進(jìn)行計算得出每個節(jié)點的位置，最后把所有位置信息發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點從而實現(xiàn)定位。 分

103、布式定位算法是通過傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間相互交換信息，每個節(jié)點自行地計算出自己的 位置，即把定位計算分散到每個節(jié)點中進(jìn)行。</p><p>　　集中式定位算法的優(yōu)點在于可以從全局的角度進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的定位，定位 精度較高，而且所有定位過程中涉及到的計算都在中心控制節(jié)點處進(jìn)行，只需使用存儲量大 且運算速度快的設(shè)備作為中心控制節(jié)點就可以解決定位問題。但是它的缺點也是很明顯的， 與中心節(jié)點較近的節(jié)點要頻繁的傳遞