基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现 - 硕士学位论文 - 图文

大连理工大学 硕士学位论文

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

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摘 要

随着现代通信技术和无线网络的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的封闭空间定位技术目前还无法很好地利用。本文的重点就在于设计并实现了一种低成本、实用的无线传感器定位系统。

基于IEEE 802．15．4标准的Zigbee技术是一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短

距离无线通信技术。随着Zigbee技术越来越多地被用于家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化和医疗护理等应用领域，基于ZigBee网络的实时定位问题正日益受到关注。

本论文主要研究了基于ZigBee网络的室内无线定位技术，并在此基础上实现了一个针对办公室及楼道环境的定位系统。基于大量的实测数据，通过对数据的详细分析，总结出几种实用定位方法的特点，提出一种基于环境信息的混合定位法，这种方法融合了RSSI和LQI。本文实现了一个定位系统，它包括硬件平台、节点通信程序和上位机监测软件三部分。本文详细介绍了三部分的实现。其中，硬件平台以集成了射频与51 微控制器的CC2430芯片为核心，该平台包括射频模块、辅助电路、功能指示电路等。实际节点可以根据其类型特点，选取硬件电路的不同部分加以实现。节点通信程序的开发以TI公司提供的Z．Stack协议栈为基础，论文详细介绍了节点间通信流程，给出了各类节点详尽的通信实现方法。在VC++6．O环境中编写了上位机监测软件，论文给出了详细的软件实现方案。

论文最后对定位系统进行了实际测试。测试表明：本系统达到了设计要求，是一个低成本、易实现的系统。同时，针对实验中发现的不足，给出了进一步完善功能的方法。

关键词：室内定位系统；ZigBee；Z．STACK；RSSI；混合算法

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

The Research and Realization of indoor localization based on ZigBee

Abstract

W砧the rapid development of modern communication technology and wireless network，people’S demand for positioning and navigation is increasing．Especially in complex indoor environments，suchastheairporthall，exhibitionhalls，warehouses，supermarket，library，

underground parking，mine and SO on，in all these cases，the indoor Iocation informationof

Mobile terminal or its holder，facilities and materials need to be identified．But as the

limitation of positioning time，positioning accuracy indoorenvironment conditions，well—positioning as well as the complexity of the unable to be used technology is still

inanencloseurespace．ThecombinationofZigBeetechnologyandlocalizationisoneofthekeyresearches．

ZigBeetechnology，basedontheIEEES02．15．4protocol，isanewlydevelopedshort range wireless communication technology诵tll the merits of low cost，low power consumptionatcomparablelowerdatarate．Ⅵ％1etheZigBeetechnologyismoreandmore frequently adopted in application areas like home automation，telemetering and remote control，mobile automation，medical treatment and SO on，the real—time localization in the ZigBee

network becomesa hot topic recently．

TMS paper,aiming at ZigBee network，investigates the indoor wireless location techniquesandimplementsareal·timelocationsystemwiththetargetuseintheofficeand corridor．Basedon numerousmeasurements，themerits andfaults of several applied location

．AlocalizationmethodwhichisthecombinationofRSSIandLQIis methodsaresummarizedproposed．Thispaperachievesalocationsystem．threepartsareincluded．TIleyarehardware

platform，communicationprogram of nodes and PC monitor software．‰achievementof

everypartisclearintroducedinthispaper．ThecoreofhardwareplatformisCC2430whichis

integratedbyRFand51MCU，thelocalizationnodesaredesignedandmade．ItincludesRF

module，auxiliarymoduleandfunctionindication circuits．In actual applications，Basedonthe

function differences of nodes，different parts of the hardware platform call be selected to achieve corresponding functions．The exploitation of node communication program is based

on Z—Stack protocol stack which is provided by TI，111e paper introduces the nodes

communicationflowelaborate．neachievement ofdifferentkindsofnodesare

ways iSproposedinthispaper．

gave．In

Visual c++6．0 circumstance，the pc monitor software is compiled，elaborate softwaresolution

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Intheend，practicaltestisimplemented．Thissystemisconfirmedtobeagoodone，，itisalowcostandeasyachievedsystem．Aimattheshortagewhichwasfoundduringthetestthemethodtoconsummatethefunctionisproposed．

Key Words：IndoorLocalization System；ZigBee；Z—STACK；RSSI；Hybrid Algorithm

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作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目： 作者签名： 基王圣ig旦曼曼垫苤鲍室凼定焦丕统盟究生塞趣

盔国奎盆 日期．一．塑!堑年j生月二堕日

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学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间

论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。

学位论文题目：盥型皇竺丝查：鱼塾鱼垦匡垂丝兰i垒￡筮垫

作者签名： 导师签名：

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日期：垄垒霪年—生月_三王日

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1

绪论

课题背景

随着现代移动通信技术和无线网络的蓬勃发展，人们对无线定位的需求与日俱增。无线定

1．1

位服务是指通过无线终端和无线网络的配合，确定移动用户的实际位置信息，从而提供用户所需的与位置和方向相关的服务。无线定位服务的发展始于美国。1996年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)$lJ定了E．911法规IIJ，要

求所有移动通信运营商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用 户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求分阶段实施定位精度不断提高的用户定位服务。1999年FCC对E．911法进行修订，对定位精度提出新的要求，极大的促进了美[雪LBS(Location Based Service)产业的快速发展。此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位服务。这些服务主要应用于：公共安全，如紧急救援；报警信息发布，跟踪业务，如犯罪嫌疑人的跟踪，走失老人和儿童的寻找，车辆的防盗报警，交通监控；基于位置的信息业务：如车辆导航服务，城市观光；基于位置的信息发布等。无线定位服务已经在军用、民用和商用领域证明了其重要性。现今实用的定位系统多半基于GPS【2l(Global Positioning System)技术，导致应用成本较高。低成本、高可靠性的新型定位系统的研究开发变得非常紧迫。

另一方面，无线传感器网络(WSN)可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐、抗灾等领域，它是信息感知和采集的一场革命。由于WSN的低成本、便于大规模应用，使得以wSN为载体的定位研究被给予了广泛的关注。WSN的定位机制逐渐成为其主要技术之一。

在无线通信协议体系中，IEEE802．15．4是其中一种新兴的协议标准，因其优越性，它获得了快速的发展。它确定了低速个人局域网J(LR．WPAN)标准，定义了物理层(PHY) 和媒体接入控制层(MediaAccess Control，MAC)[引。2003年，ZigBee联盟在物理层和媒体接入控制层的基础上对网络层(NWK)和应用层(APL)进行了具体定义，为用户提供了大量的API函数，从而形成了完整的ZigBee协议。ZigBee技术作为一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术，它的独特技术特点使得其成为WSN中的理想通信技术选择。

随着对ZigBee技术研究的不断深入，大量的实用ZigBee硬件、软件载体都相继被推出，使得基于ZigBee技术的WSN和定位技术获得了迅猛的发展。尤其是基于ZigBee 技术的定位系统的研究与开发逐渐成为了一个研究热点。

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

在所有的定位实现中，室内空间由于其环境的复杂性，一直是定位系统实现的一个难点。现今，成熟的室内定位系统仍然比较少、而且多存在成本偏高的缺陷，不利于大范围广泛应用。本文试图利用ZigBee技术实现一种较低成本、较低复杂度的室内定位系统。

1．2典型室内无线定位系统

1．2．1室内GPS定位技术GPS是目前应用最为广泛的定位技术。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，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取 导航数据和时间信息是不可能的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，A—GPS(Assisted GPS，无线网络辅助GPS)技术为这个问题的解决提供了可能性。室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时也有助于实现快速定位。

利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。 1．2．2室内无线定位系统

(1)RADAR系统

Microsoft公司开发的RADAR室内定位系统【5J利用“指纹识别”技术进行定位，解决 WLAN中定位移动计算设备的问题。该方法是通过对特定环境下的RF信号衰落特征值进行处理实现的。

RADAR系统是基于IEEES02．1l WLAN的室内无线射频定位系统，属于采用经验测

试和信号传播模型相结合的场景法定位系统。RADAR系统把信号强度作为估算射频发射器与接收器间距的依据，建立射频信号的传输信道模型，确定信号衰减与发射器、接收器间墙壁数量的关系，从而得到给定位置接收器最优的距离估算参数。该系统事先在建筑物内部固定有三个位置已知的基站，待定位置的移动点通过两个步骤获取位置。首先是一个离线的数据收集的过程，由各移动节点发送广播报文，基站的接收器根据信号强度确定移动节点的位置，并将此位置存入一个场景．位置的表结构中。第二个步骤是在线数据处理过程，移动节点定期发送广播报文，基站节点查表，根据接收信号的强度找出最为接近的位置作为节点当前的位置。

RADAR系统的主要优点在于易于安装、需要很少基站，采用无线网络结构。但是，其依赖于无线局域网技术，制约了节点的种类、大小和电源情况。RADAR系统实现了

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楼内2～3m的实时定位。提出了WAF模型替代经验数据来推动节点位置的方法并做了初步尝试。

(2)SpotON系统

SpotONt6】标签的硬件有Dragonball EZ处理器、在916．5MHZ的TRl000射频收发器和

10．bit A／D

转换器构成。该系统基于射频接收信号强度(RSS)分析的三维位置感知方法，实现

小范围的定位。SpotON系统中硬件标签网络状分布，无需中央控制单元，通过标签测试到的信号强弱来表征标签之间的几何距离。但是，完整的SpotON系统到目前为止还没有建成。

(3)Cricket系统I 7】

E．911系统和智能机器人导航领域都有使用AOA技术确定目标方向和位置的技术，但它们大都使用了高能耗的天线阵列测量信号方向，不适用于低功耗的WSN领域。针对

这个问题，MIT提出了一种融合TDOA和信号到达相位差的硬件解决方案一ricket

Compass，其原型系统可在+40。角内以±5。的误差确定接收信号方向。

Cricket系统是麻省理工学院的Oxygen项目的一部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体所在房间位置。该定位系统利用射频信号与超声波信号到达时间间隔和各自的传播速度，计算出未知位置节点到已知位置节点的距离。然后通过比较到各个临近信 标节点的距离，选择出离自己最近的信标节点，从该信标节点广播的信息中取得自身所在的房间位置。

℃4)ActiveBadge室内定位系统

Active Badget8】系统是最早的室内定位跟踪系统之一。它采用了红外线技术实现室内

定位，属于无线小区监视接入的相邻法定位系统。每个待定位的物体使用红外发射机定期发送自身唯一的ID识别码。同时，在定位区域的每一个房间里固定放置红外接收机，用于提取红外信号携带的数据，并通过有线网络上报给控制中心数据库。墙壁对红外线的屏蔽作用，确保接收机只能接受到同一房间中的标识信号，从而实现对运动物体的准确定位。

Active Badges系统的不足之处在于：使用有线网络的代价较大，在一定程度上限制了系统容量的扩充；由于红外信号的直线视距和传输距离较短，房间中存在着一些死角，而红外接收机不能检测到；使用相邻法定位，位置信息不够精确。

(5)UC Berkeley系统19J

传感器网络中的传感器受环境噪声和其他因素的影响，采集到的数据会有误差，有时误差非常严重，这样的数据需要直接剔出。剔出这种数据可以通过历史数据的分析，

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或者通过相邻的传感器采集的数据进行判决。这就需要采用多传感器融合技术，使用空间相关性，融合后的二进制测量值提供更加精确的信息。

Oh等人使用Trio传感器节点，使用无线传感器网络跟踪未知数目的目标。每个节点通过二进制值来报告目标是否靠近传感器。由于目标的个数和初始位置是未知的，对于粗粒度测量的系统，从二进制值完成跟踪的任务是非常困难的。该实验使用多传感器融合算法，使用空间相关性，融合后的二进制测量值提供更加精细的位置信息。融合后的数据通过数据关联的马尔可夫．蒙特卡罗算法(Markov chainMonte CarloData Association．MCMADA)跟踪未知个数的目标。在Trio节点的大规模跟踪实验中，该算法成功地实现了实时跟踪户外未知数目的移动目标。该实验可能是无线传感器网络一次最大规模的多目标跟踪组网演示。

1．3无线定位算法

节点定位算法是无线传感器网络的重要技术之一，在无线传感器网络部分应用中是不可或缺的。根据具体的定位机制，可以将现有的无线传感器网络定位方法分为两类：基于测距的方法和不基于测距的方法【9’321。基于测距的定位机制需要测量未知节点与锚节点之间的距离或者角度信息，然后使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。

1．3．1 基于测距的定位技术

基于测距(range．based)的技术，通过测量和估计节点之间的距离，根据几何关系计算出节点之间的位置。通常采用以下方法。

(1)信号强度(RSS)测距法110】已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的信号

传播模型将传播损耗转化为距离。例如，在自由空间中，距发射机d处的天线接收到的信号强度由下面的公式给出：

Pr(d)=P,O。G，名2／(4万)2d2L

(1．1)

其中，Pt为发射机功率；Pdd)是在距离d处的接收功率；G。、G，分别是发射天线和接收天线的增益；d是距离，单位为米；L为与传播无关的系统损耗因子；五是波长，单位为米。由公式可知，在自由空间中，接收机功率随发射机与接收机距离的平方衰减。这样，通过测量接收信号的强度，再利用公式1．1就能计算出收发节点间的大概距离。

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得到锚节点与未知节点之间的距离信息后，采用三边测量法或最大似然估计法可计算出

未知节点的位置。

然而，公式1．1只是电磁波在理想的自由空间中传播的数学模型，实际应用中的情况要复杂的多，尤其是在分布密集的无线传感器网络中。反射、多径传播、非视距(NLOS)、天线增益等问题都会对相同距离产生显著不同的传播损耗。因此这种方法的主要误差来源是环境影响所造成的信号传播模型的复杂性。信号强度测距法通常属于一种粗糙的测距技

术。

(2)到达时间测距法(TOA)

到达时(TOA)【11】技术通过测量信号传播时间来测量距离。在TOA方法中，若电波从锚节点到未知节点的传播时间为t，电波传播速度为c，则锚节点到未知节点的距离为 t×c。TOA要求接收信号的锚节点或未知节点知道信号开始传输的时刻，并要求节点有非常精确的时钟。

使用TOA技术比较典型的定位系统是GPS，GPS系统需要昂贵高能耗的电子设备来精确同步卫星时钟。在无线传感器网络中，节点间的距离较小，采用TOA测距难度较大1．同时节点硬件尺寸、价格和功耗的限制也决定了TOA技术对无线传感器网络是不可行的。

誓3)时间差定位法(TDOA)

时间差测距(TDOA) 】是通过计算两种不同无线信号(常使用无线电信号和超声波信号1到达未知节点的时间差，再根据两种信号传播速度来计算得到未知节点与锚节点之间的距离。TDOA定位与TDOA测距不同，TDOA定位计算两个锚节点信号到达未 知节点的时间差，将其转换成到两个锚节点的距离之差，未知节点通过到多组锚节点的距离之差得出自身的位置。

在二维平面上的，双曲线的几何意义是到两个定点的距离之差为一个常数的所有点的集合，两个定点称作焦点。因此TDOA定位在二维平面上的几何意义为：得到未知节点与两个锚节点的距离之差，即可知未知节点定位于以两个锚节点为焦点的双曲线方程上，通过测量得到未知节点所属的两个以上双曲线方程时，这些双曲线唯一的交点即为未知节点的位置。

由于这种方法不是采用到达的绝对时间来确定节点的位置，降低了对时间同步的要求，但是仍然需要较精确的计时功能，同时由于无线传感器网络具有分布密集和无线通信范围小的特点，这种方法实现起来难度较大。

(4)到达角定位法(AOA)

基于zigBee技术的室内定位系统研究与实现

到达角(AOA)u11定位法通过阵列天线或多个接收器结合来得到相邻节点发送信号的方向，从而构成一根从接收机到发射机的方位线。两根方位线的交点即为未知节点的位置。图1．1所示为AOA定位法示意图，未知节点N得到与锚节点Nl和N2所构成的角度之后就可以确定自身位置。另外，AOA信息还可以与TOA、TDOA信息一起使用成为混合定位法。采用混合定位法或者可以实现更高的精确度，减小误差，或者可以降低对某一种测量参数数量的需求。

Fig．1．1 AOA sketchmap

AOA定位法的硬件系统设备复杂，并且需要两节点之间存在视距fLine．of-sight Transmission，LOS)传输，因此不适合用于无线传感器网络的定位。 1．3．2无需测距的定位技术

无需测距(range-free)的算法不需要知道未知节点到锚节点的距离或者不需要直接测量此距离，而是仅根据网络的连通性确定网络中节点之间的跳数，同时根据已知位置参考节点的位置等信息估计出每一跳的大致距离，然后估计出节点在网络中的位置。

(1)质心法

质心(Centroid)法【12]是南加州大学Nirupama Bulusu等学者提出的一种仅基于网络连通性的室外定位算法。该算法的中心思想是：未知节点以所有在其通信范围内的锚节点的几何质心作为自己的估计位置。具体过程为：锚节点每隔一段时间向邻居节点广播一个信标信号，信号中包含有锚节点自身的ID和位置信息。当未知节点在一段侦听时间内接收到来自锚节点的信标信号数量超过某一个预设的门限后，该节点认为与此锚节点连通，并将自身位置确定为所有与之连通的锚节点所组成的多边形的质心。

质心定位算法的最大优点是它非常简单，计算量小，完全基于网络的连通性，但是需要较多的锚节点。

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(2)DV—Hop算法

DV．Hop算法【11．12】是由D．Niculescu和B．Nath等人提出的。DV．Hop定位算法的原理与经典的距离矢量路由算法比较相似。在DV．Hop算法中，锚节点向网络广播一个信标，信标中包含有此锚节点的位置信息和一个初始值为1的表示跳数的参数。此信标在网络 中被以泛洪的方式传播出去，信标每次被转发时跳数都增加l。接收节点在它收到的关于某一个锚节点的所有信标中保存具有最小跳数值的信标，丢弃具有较大跳数值的同一锚节点的信标。通过这一机制，网络中所有节点(包括其他锚节点)都获得了到每一个锚节点的最小跳数值。

为了将跳数值转换成物理距离，系统需要估计网络中平均每跳的距离。锚节点具有到网络内部其他锚节点的跳数值以及这些锚节点的位置信息，因此锚节点可以通过计算得到距其他锚节点的实际距离。经过计算，一个锚节点得到网络的平均每跳距离，并将此估计值广播到网络中，称作校正值，任何节点一旦接收到此校正值，就可以估计自己到这个锚节点的距离。如果一个节点能够获得到3个以上锚节点的估计距离，它就可以利用三边法估计其自身的位置。

Dv．Hop算法与基于测距算法具有相似之处，就是都需要获得未知节点到锚节点的距离，j但是DV．Hop获得距离的方法是通过网络中拓扑结构信息的计算而不是通过无线电波信号的测量。

在基于测距的方法中，未知节点只能获得到自己射频覆盖范围内的锚节点的距离， 而DV=Hop算法可以获得到未知节点无线射程以外的锚节点的距离，这样就可以获得更多的有用数据，提高定位精度。

(3)不定型算法不定型(Amorphous)【ll，121定位算法与DV．Hop算法类似。首先，采用与DV．Hop算

法类似的方法获得距锚节点的跳数，称为梯度值。未知节点收集邻居节点的梯度值，计算关于某个锚节点的局部梯度平均值。与DV．Hop算法不同的是：Amorphous算法假定预先知道网络的密度，然后离线计算网络的平均每跳距离，最后当获得3个或更多锚节点的梯度值后，未知节点计算与每个锚节点的距离，并使用三边测量法和最大似然估计法估算自身位置。

(4)APIT算法

在近似三角形内点测试法(ApproximatePoint—In．Triangulationtest，APIn算法【¨，12l中，一个未知节点从它所有能够与之通信的锚节点中选择3个节点，测试它自身是在这 3个锚节点所组成的三角形内部还是在其外部；然后再选择另外3个锚节点进行同样的测试，直到穷尽所有的组合或者达到所需的精度。如果未知节点在某三角形内部，称此

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三角形包含未知节点；最后，未知节点将包含自己的所有三角形的相交区域的质心作为

自己的估计位置。

APIT算法在不规则传播信号模式和节点随机部署的条件下，通信开销小，精度较高，适合跟踪等应用。但是，APIT算法需要足够的PIT三角形才能够达到精确要求，这就需要在通信范围内有足够的参考节点。

1．4 ZigBee

定位技术研究现状和发展

伴随着ZigBee技术的出现，基于ZigBee技术的定位研究也随之展开。国内外许多公司和研究机构展开了基于ZigBee技术的无线定位技术研究。总体而言，基于ZigBee 的无线定位问题的研究在国内才刚刚起步，主要还处于利用国外芯片应用开发上面。国

外在硬件芯片、协议栈、软件配套、定位算法理论研究上都实现了产品化。不过在实际应用中，因各种外部环境的限制，许多算法存在有待改进的方面。

2005年第一季度，各大芯片制造商纷纷推出了符合ZigBee标准的收发模块和通信套件，但是目前只有4个原始设备生产商(OEM)的ZigBee套件符合ZigBee联盟规定的标准。这四家公司分别是挪威的Chipon AS(CC2420／CC2430和CC2500／CC2550等)、美国CompXs公N(ML7065)、美国Ember公司(EM2420)、美国Freescale Semiconductor 公司(MCl3192／MCl3193)。4

个公司的芯片功能都各有其特点，适合于不同

的应用场合。其中主流的芯片为Chipcon公司的芯片CC2420和CC2430，以及Freescale公司的芯片MCl3193。基于ZigBee技术的定位系统也以这些芯片为核心器件。

2007年7月，德州仪器(TI)宣布推出业界首款带硬件定位引擎的片上系统(soc)解决方案CC2431，该芯片的出现实现了ZigBee定位技术的飞跃，即将定位算法用硬件实现【1 31。基于CC2431商品化的定位系统大量涌现。国内如成都无线龙、深圳旭昂科技等公司也推出了自己成熟的定位解决方案。

总体而言，目前存在两种ZigBee定位解决方案。 (1)基于CC2431片上系统的单芯片定位方案CC243l在CC2430基础之上增加了基于RSSI的硬件定位引擎【13,28】，通过输入环境

信息以及参考节点的坐标信息，即可输出未知节点的坐标，在典型应用中可以实现3～ 5m的精确定位。但由于其定位算法由硬件物理完成，导致基于CC2431的定位系统灵活性较差。

(2)CC2430／(MCU+CC2420)+定位算法

利用CC2430实现网络中节点的信息传输，将定位方法嵌入芯片内部或在上位机集中处理，其定位算法可以灵活选择，本文就是使用CC2430芯片进行定位实现的。

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1．5论文研究思路与内容安排

本文主要研究基于ZigBee网络的室内无线定位技术及定位跟踪系统的实现。论文通过对目前各种无线定位技术的分析研究，借鉴了无线局域网的经典定位技术，利用 RSSI和LQI值进行定位，实现了一个定位跟踪系统。本文主要通过对大量实测数据的分析，总结信号传输规律，以建立适合实际应用的定位模型。全文共分为六个部分。具

体章节内容安排如下：第1章绪论

首先阐述了课题的研究背景，介绍了当前较实用的室内无线定位系统。对无线定位算法进行了简单的说明，探讨了ZigBee技术的研究现状和发展，最后总结了本文的主要工作和论文的框架结构。

第2章ZigBee技术和Z．Stack协议栈从ZigBee网络组成和协议结构两个方面入手，对

IEEE802．15．4／ZigBee协议标准进

行了概述，并从应用的角度讨论了ZigBee技术的优越性。对Z．Stack协议栈进行了详细的介绍，总结了理解Z．Stack协议栈的几个关键点。给出了利用Z．Stack协议栈进行应用开发的步骤。

第3章实用室内定位方法研究对各种较实用的定位算法进行了研究，通过实验，获取了大量

的测试数据。总结了

几种实用算法的优缺点。提出了自己的定位实现方案。

第4章基于ZigBee网络的定位系统设计

实现了一个无线传感器定位系统，包括硬件平台、以Z．Stack协议栈为基础的定位节点程序和PC监测软件三部分。

第5章定位系统功能测试对定位系统进行了实际测试，总结优缺点。给出了进一步完善功能

的方法。并指出 了可以进一步研究的方向。

总结

最后对论文进行了总结和展望。在该部分中对自己的工作进行了总结，并针对论文尚未解决的问题给出了改进建议。

茔上!!业竺堡查塑兰塑星!!墨竺堡垒兰至坐

2 ZigBee技术和zStack协议栈 21 ZigBee技术基础知识

211 Zigl3ee发展概述

近十年来，随着半导体按术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距离无线通信技术。为了满足对低功率，低价格无线网络的需求，2000年12月，IEEE标准委员会正式批准成立T80215 412作组，其目标是：在廉价的、倒定或便携的、移动的装置中，提出一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输率的无线接人标准。也就是要开发一种低速率的WPAN(LR-WPAN，Low．Rate Wireless Pe嚣onal Area Network)标准。

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目21 ZigBee与其他无线标准的对比

Fig2I ThecomparisonofZigBeeandotherwirelessstandards

2002年，英匡]Invensys公司、日本二菱电气公司、美囤摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司茫同宣布组成ZigBee技术联盟，共同研究开发ZigBee技术。

2003年11月，IEEE正式发布了该项技术的物理层,≠DMAC层所采用的标准胁议．即

IEEE802 I 5 4

协议标准，作为ZigBee技术物理层和媒体接入层的标准协议；2004年12月，

ZigBee鞋盟在IEEES02 15．4协议基础上，止式发布了完整的zlgBee标准。2006年IEEE发布了IEEE802 1 54阱议标准修U版。

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从ZigBee与其他无线标准的对比图2．1中，可以看到ZigBee技术在无线标准体系

中的位置。

2．1．2 ZigBee技术特点

IEEE802．15委员会制定了三种不同的WPAN(Wireless Personal AreaNetwork)标准，区别在于通信速率、QoS能力等。802．15．1标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到PDA的通信，其QoS机制适合于话音业务。802．15．3标准是高速率的WPAN 标准，适合于多媒体应用，有较高的QoS保证。802．15．4标准也就是ZigBee技术，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和 QoS的要求不高。ZigBee的主要技术特征如表2．1所示。

表2．1 ZigBee的主要技术特征

Tab．2．1 The main technology character ofZigBee

特性

频段 取值／状态

868／915MHz和2．4GHz868MHz：20kbps

数据速率 915MHz：42kbps2．4GHz：250kbps

868／9 1 5MHz：BPSK

调制方式

2．4GHz：O-QPSK

扩频方式 通信范围 通信延时 直接序列扩频 10．100m 15-30ms 868MHz：l

信道数目 915MHz-10

2．4GHz：16

寻址方式 信道接入 64bitlEEE地址，16bit网络地址CSMA／CA和时隙化的CSl＼dA／

星形、树状、网状

极低 激活／休眠

CA 网络拓扑 功耗 状态模式

选择ZigBee技术进行项目开发，是基于其具有的诸多性能优点。具体来讲，可总

结如下【15】：

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

(1)数据传输速率低。ZigBee技术的最大传输速率只有250kbps，专注于低速率传

输应用。

(2)设备省电，功耗极低。ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

(3)通信可靠性高，数据安全。ZigBee采用了CSMA．CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机 制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通信可靠性高。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES．128，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。

(4)网络的自组织、自愈能力强。ZigBee网络无需人工干预，网络节点能够感知其它节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络。ZigBee网络增加或者删除～个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

(5)时延短，设备接入网络快。通常时延都在15ms到30ms之间，因此设备接入网络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。

(6)成本低廉，工作频段灵活。设备的复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的，可以有效地降低设备成本。ZigBee的工作频段灵活，使用的频段分别为2．4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

(7)网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65000个节点，也就是说每个ZigBee 节点可以与数万节点相连接，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网

络。

2．2 IEEE802．1 5．4协议栈和ZigBee协议栈概述

2．2．1 IEEE802．15．4协议栈 LR．WPAN是一种结构简单、低成本、低功耗的无线

通信网络，它的存在使得无线

连接在低功耗和低数据吞吐量的应用中成为可能。为了满足这些需求，IEEE802．15．4 I 作组为LR—WPAN专f-JN定了物理层和MAC子层的标准。它具备以下主要特征【9】： (1)实现20kb／s、40kb／s、100kb／s、250kb／s四种不同的传输标准。 (2)支持星型和点到点两种拓扑结构。 (3)在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是由协调

器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址。

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(4)采用可选的时槽保障(GTS，Guaranteed Time Slots)机制。

(5)采用带冲突避免的载波侦听多路访Whl(CSMA．CA．，Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance)的信道访问机制。

(6)支持ACK机制以及保证可靠传输。(7)低功耗机制。(8)信道能量检测(ED，EnergyDetection)。

(9)链路质量指示(LQI，Link quality indication)。

(10)工作在ISM频段上，其中在2450MHZ波段上有16个信道，在915MHZ频段上有30个信道，在868MHZ上有3个信道。

(11)数据安全策略。

IEEE802．1 5．4网络协议栈基于开放系统互连模型(OSI)【9，161，如图2．2所示，每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。

高层协议

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IEEE802．2LLC

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图2．2 IEEE802．1 5．4协议栈架构

Fig．2．2 Framework of IEEES02．1 5．4 Protocol Stack

IEEE802．15．4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以

及底层的控制模块构成。物理层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC子层为高层访问物理信道提供点对点通信的服务接口。它的功能是进行信标管理、信道介入、保证时

基于zigBee技术的室内定位系统研究与实现

隙(GTS)管理、帧确认、应答帧传送、连接和断开连接。此外，MAC层为实现适当的安全机制应用提供～些方法。

在MAC子层之上的高层包括网络层和应用层，对于不同的高层协议，也可以通过逻辑链路控制子层(LLC，LogicalLinkContr01)以及特定服务聚合子层(sscs，ServiceSpecific ConvergenceSublayer)来访问MAC子层。

2．2．2 ZigBee协议栈概述

ZigBee技术作为一种新兴的低速率短距离无线通信技术，也是ZigBee联盟(ZigBee Alliance)所主导的无线传感器网络技术标准。完整的ZigBee协议栈有物理层、MAC子层、网络层、应用汇聚子层和高层应用规范层组成。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。ZigBee协议体系架构如图2．3所示ll

51。

ZigBee联盟

lEEE802．1 5．4

图2．3 ZigBee协议体系架构图

Fig．2．3 The System Structure Model ofZigBee

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其中，IEEE802．1 5．4．2003标准定义了底层：物理层(Physical Layer，PHY)和MAC 层。IEEE802．15．4定义的PHY层分别工作在两个频段上：868／915MHz和2．4GHz。其中低频段物理层覆盖了868MHz的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段，高频段则全球通用。IEEE802．1 5．4 MAC层采用CSMA．CA机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。

ZigBee联盟在此基础上定义了网络层(Network Layer，NWK)，应用层(Application Layer，APE)架构。网络层的主要职责包括提供设备用来加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是有NWK层完成的。ZigBee协调器的NWK层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。

应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。ZigBee应用层包括应用支持子 层(APS)，ZigBee设备对象(ZDO)以及用户定义应用对象。应用支持子层(APS)负责维护设备绑定表，以及传输在绑定的设备间传输数据。设备绑定表用于根据设备间提供的服 务和需求来匹配设备并储存相关设备信息。ZigBee设备对象(ZDO)负责定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器或中断设备)，提出或响应绑定请求，以及建立网络设备间的安全关系。ZigBee设备对象(ZDO)还要负责网络设备的发现及判定对方提供服务类别。

2．3

ZigBee网络构成

2．3．1 ZigBee网络的设备类型ZigBee网络支持IEEE802．15．4定义的两种类型的物理设备【21】：全功能设备(FFD)、

精简功能设备(RFD)。FFD和RFD的不同是按照节点的功能区分的，一个FFD可以充

当网络中的协调器和路由器，因此一个网络中应该至少含有一个FFD。RFD只能与主设备通信，实现简单，只能作为终端设备节点。

在ZigBee网络中，将两种物理设备定义成了三种逻辑设备类型：协调器、路由器、终端设备。一个ZigBee网络包括一个协调器节点和多个路由器和终端设备节点。设备类型不会以任何方式限制可能应用在特定设备上的应用类型。

协调器：这个设备“开启”一个ZigBee网络。它是网络中的第一个设备。协调器节点选择一个信道和一个网络标识符(PAN ID)并开启网络。可选择地，协调器节点也能被用来设置网络中的安全性和应用水平的绑定。协调器的功能主要是开启和配置网络。一

旦这些完成以后，协调器与路由器的功能就一样了(甚至可以断开)。由于ZigBee网络的分布式本质，网络的继续运行不依赖于协调器的存在。

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图2．4协调器功能模块示意图

Fig．2．4 Coordinator function model sketchmap

图2．5路由器功能模块示意图

Fig．2．5 Routerfunctionmodelsketchmap

路由器：路由器执行的功能有1)允许其他设备加入网络；2)多跳路由；3)辅助它的电池供电的子终端设备通信。一般来说，路由器被期望能一直保持激活状态，因此它通常是由固定电源供电的。而不能使用电池供电。路由器为它的子节点缓存信息，直到子节点被唤醒并请求数据。当一个子节点需要发送一个信息的时候，这个子节点发送数据

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到它的父路由器。然后，路由器负责传输信息，执行所有相关的重发，以及如果需要的话，等待确认。这使得终端设备可以回到休眠状态，从而达到省电的目的。

图2．6终端节点功能模块示意图

Fig．2．6Enddevice function model sketch map

终端设备：终端设备对维持网络结构没有特殊的责任，因此，它可以有选择的休眠和唤醒。终端设备仅仅周期性的向它的父节点发送或接受来自它的父节点的数据。因此终端设备能够使用电池供电的方式工作很长时间。

在能量管理方面，网络协调器与路由器需要突发的处理一些请求，包括入网、退出网络以及数据中转等功能，一般情况下，使用永久性电源；若终端节点在大部分的时间里都处于休眠状态就可以采用电池供电。若对电池供电没有要求，网络中可以全部采用FFD设备。

2．3．2

ZigBee网络的拓扑结构 ZigBee网络主要有三种组网方式【1。丌，星型网

络，树状网络和网状型网络，其拓扑 结构如图2．7所示。

如图2．7中(a)所示，星型网络是～个辐射状系统，数据和网络命令都是通过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个模块配置成协调器节点，其他模块可以配置成终端节点。星状拓扑结构最大的优点就是结构简单，这种简单带来的是很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理方便。中心节点需

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

要承担更多的管理工作。由于把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围，并且星形拓扑很难实现高密度的扩展。集中的信息涌向中心节点，容易造成网络堵塞、丢包、性能下降等。到目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量的应用在远程检测和控制中。

(a)星型

(c)网状

●协调器 囝FFD (b)树状

oRFD

图2．7 ZigBee网络拓扑结构

Fig．2．7 Zi妒eenetwork topology

树状拓扑是多个星形拓扑的集合，如图2．7中的(b)所示。若干个星形拓扑连接在一起，扩展到更广阔的区域。树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构，树形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性：较少的上层路由信息、较低的存储器需求。但是树形结构不能很好的适应外部的动态环境。从图中可以看出，信息源与目的之间，有且只有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。树形拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好的用在一些简单的低数据量的大规模集合的应用之中。

如图2．7所示的(c)中，网状网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。

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2 4 Z．STACK协议栈

2 41 Z-S1ACK概述

为了适应ZigBee产品开发的需求，德州仪器fTD推出了一套完整的协议栈z．Stackl4J。z．Stack是Zi班ee技术的核心软件，是开发IEEE80215 4／ZigBee技术相关产品的关键软件，z．Stack符合zj曲ee2006规范的要求，并且在硬件上支持CC2430，CC2431 以及MSP430平台。rI协议栈一直在不断的完善中，从最初的11 0版本到现在的1 4 3 版本，无论从路由协议还是从地址分配模式都作了大量的改进。本文构建的定位系统是

以Z—Stack协议栈为基础的，网络中按照节点完成的功能分为参考节点、定位节点。对 z．Stack协议栈的理解运用是项目开发的重点和难点之一，F面对Z—Stack协议栈进行了

较详细的说明。

z—Stack运行在IAR720以上的集成开发环境，IAR720运用C51编译器，是一个与KELLC51类似的，功能强大的C51编译器／IDE／DEBUG开发平台。在该集成开发环境中，可以看到个完整的z．Stack协议栈包含的功能部分组成。如图28所示。

萝

图2．8 z-Stack协议栈组成

Fig 2．8 Cons'omctionofZ Stack protocol

z-Stack是完全符合ZigBee2006标准的，其协议栈结构也与zl出ee规范完全吻合。包括最上层的应用层(APP)，在该层内主要完成应用程序的设计，外部任务的调用和执行，并可以通过API函数调用下层的函数完成相应的操作。HAL饵ardware Abstract Layerl 层为硬件抽象层，在该层中根据用户硬件平台的不同，给出了各种不同的硬件资源，

如按键、发光二极管、串口、定时器以及ADC等各种硬件设各的功能函数定义。用户可以通过调用它的API函数实现应用程序功能的外部表征。MAC以及NWK层主要实现了ZigBee标准的媒体接入控制层和网络层。OSAL(OperaterSystem Abslract Layer)是操

堡!i些!塾查塑兰!塞鱼墨堑塑!i!壅里——

隔进行数扼采集。每组采集200个RSSI值。每组RSSI求平均后的值作为在每个间隔点

上的实际信号强度值，可得到如图3 3中所示的空旷场地RSSI衰减曲线。

在室内环境(走廊1中，测试节点每隔lm采集一组数据，每组采集200次数据，求平均值作为实际测试点的RSSI值，可得到如图3 3中所示的室内空I'ol RSSI衰减曲线。另外，作为比较，在图3．3中也给出了信号传播理论衰减模型。

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由3．3蔓内和空旷场地RSSI衰落曲线比鞍图

Fig．3．3 RSSI-d relation map in openfield

从实际的袁落曲线。j以看出，RSSI-d的关系存在不规则性。信号强度在10m以内的衰落和震荡较小，这和理论模型得到的结果具有一致性。但当距离加大时，实测的 RSSI衰减曲线就比较平缓，明显高于理论衰减曲线。对比圈33中的几种曲线，室内11= 境下，RSSI随距离产生的震荡和不规则性变化更明显．表明室内环境的多径效应严重影响r无线信号的传播。室内干扰因索较多，如室内障碍物、人体、墙壁等，这些都影响到了信号强度的分布。这些干扰因素使得室内信号变化更复杂。

3 2 3曲线拟合法在待定位空间中，通过少量的实测采样值，拟合出RSSI值衰减与传输距离变化的

RSSI-d曲线模型。模型建立后，其它节点的距离可以通过RSS!．d曲线获得。具体的算 法实现步骤总结如下： (1)在一个需要定位功能的空间内，布置若干数量的已知自身位置

的参考节点，选

择个移动节点，向各参考谛点发送广播包。 (2)各参考节点接收到移动竹点发米的信号，已录各帧中的RSSI值。

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(3)记录各参考节点到移动节点的距离d，记录相应距离时的RSSI值，得到距离与 RSSI值对(d，RSSI)。不断移动待定位节点，每个待定位节点都得到一组数据“d，，RSSl，)，幢，RSSl2)，(d，，RSSI】)，忆，RSSl．)}。

(4)各参考节点根据测得的数据，以d为X轴，以RSSI为y轴，进行最小二乘曲线拟合，得到各自的参考节点的RSSI—d曲线。

(5)对于任意需要实际定位的移动节点，各参考节点所接收到的RSSI值，参照各自的RSSI—d曲线，得到相应的d值，然后根据三边定位或多边定位法进行定位。

图3．4实验空间平面田

Fig 3．4 Plansglaph ofexl舱dmented spaem

为了验证方法的可操作性，进行了实际的实验验证。实验环境为一条长39 6m、宽 2m的走廊。实验空间平面图如图3．4所示。在实验环境中，节点每隔lm采集组数据，每组采集200次RSS[值，求平均作为实际坝4试点的RSSI值。对得到的RSSI值按照衰落模型的形式分别进行一段和两段最小二乘拟合，得到如图3 5所示的RSSl衰落模型拟合曲线圈。

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图35 RSSI衰落模型拟台曲线圈

Fig 3 5 RSSI decline module fittedme

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一段拟合曲线的方程式为：

RSSI(d)=-45．7714-18．845l甙d)

(3．18)

两段拟合曲线的方程式为：

f-45·7714—18·84519(d)d<10m

RSSI(d)={

I_41．591—21．976lg(d)d>=10m

～

(3．19)

实际应用中，通过进行曲线拟合，得到RSSI和距离的关系式，其它未知信号强度值可以通过这些关系式转化为相应的距离d。有了节点间距离信息，使用某种基于距离的定位方法就可获得未知节点的位置坐标。

3．2．4基于数值匹配的定位算法由于室内无线信号的传输容易受到多种因素的影响，有时候

接收信号强度与参考节

点和盲节点间的距离没有一致的变化关系，所以用数学方法很难精确描述，曲线拟合法 有时会出现估测不准的地方。此时，一个可行的办法是构建采样值数据库。这种定位算法通过在采样点收集的无线信号的某种与位置有关的特性信息来建立有关目标场景数据库，并以此来估计未知节点的位置。它不强制要求待定位的环境一定是视距(LOS)环境，可以在非视距(NLOS)情况下获得更好的效果。因此，本方法特别适用于室内定位场合。但这种方法也有一定的局限性，就是必须事先在所需定位空间进行大量测量，位置测量的代价比较大。

数值匹配法定位的实现包括两个阶段：离线阶段和在线阶段。离线阶段中，对待定位的区域进行考察，在采样点上采集场景特征信息，如收集参考节点的信号强度，并为其建立数据库。在这个阶段中可能需要进行一些预处理工作。在线阶段中，通过实时测量得到场景特征信息，根据离线阶段的先验知识来估计待定位节点的位置。本方法的定位过程总结如下：

(1)在一个已知的待定位空间内，布置若干个数量的已知自身位置的参考节点，并对参考节点进行编号(REF ID)，选择一个移动节点，向各参考节点发送广播包。

(2)各参考节点接收移动节点发来的广播信号，记录各帧中的RSSI值。 (3)记录各参考节点到移动节点的传输距离d，同时记录接收到的RSSI值，结合各

参考节点自身的位置坐标，得到一条记录(REF一1D，pos—X，pos—Y，d，RSSI)；不断改

变移动节点的位置，则每个参考节点都可得到多条记录。

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(4)将各参考节点所测得的多条记录，按参考节点编号，记录^采样值数据库。依据各参考节点的采样值数据库，描述待定位空间的RSSl分布图。

(5)对于任意需要实际定位的移动节点．各参考节点根据所接收到的RSSI值，参照各自的信号强度分布圄和采样值数据库，得到d值，然后根据三边定位或多边定位法进行定位。

从实际的测量经验可知．基于RSSI的距离测量方法在10米以内精确性较高，所以各参考节点间的距离尽可能不超过10米。

图3．6室内信号强度分布固

Fig 3．6 In400rRSSI distributionmap

通过一个实例，证明方法的可行性。在一个6m×6m的室内区域(实验室)．在四个角落里布置了4个参考节点，然后进行数据采集，分别建立各参考节点的P．SSI数据库，可得到如图3．6所示的备参考节点的场强分布。为了便于显示，将距离各参考节点超过3m的RSSI值舍去。坐标轴标注单位是mm。

当有一个移动节点进入了图3．6所示的区域后．首先检测四个参考节点中，哪个接收信号强度最大，则可以判定该节点离哪个参考节点近，查询该参考节点的RSSI数据库；同时根据其它参考节点所接收到的RSS[值，查找相应的采样值数据库，得到距每 个参考节点的距离。结台适当的定位算法，就可以计算出移动节点的位置。

33基于LQI的辅助定位算法

LQI(Link Quality Indicator)是链路质量指示．用于表征接收数据帧的能量与质量，

是ZigBee协调器用来选择信道的依据之一。其大小基于信号强度以及检测到的信噪比 (SNR)，由MAC层计算得到并提供给上一层，～般与正确接收到的数据帧的概率有关。

基于ZigBee拄术的室内定位系统研究与实现

【，0I和RSSI 样，在ZigBee收发模块每接收一个数据帧时都可以得到，它可咀及时反映信号强度的变化和受到的干扰的变化p”。LQI的动态范围为0～255，比RSSI的大，使得’言有更高的分辨率。LQI和RSSI关系可以由实测值绘制的关系曲线进行观察，可以看出在实际环境中，LQI和RSSI仍具有很好的一致性，RSSI和LQI关系如图3 7所示。在同3．2节相同的测试环境(走廊)中，通过实测获取LQ]值，得到LQI衰落模型拟台曲线图如图3．8所示。对得到的LQI值按照衰落曲线形式分别进行了_段和两段最小

二乘拟台。

其中，一段拟合曲线的方程式为

￡0，(d)=100 82395339619(d)

两段拟合曲线的方程式为：

(320)

f991169 500001】g(d) d(10卅

L01(a)={

1110 3885—613539(d) d>=10m

(321)

，+

r圈1

目37 RSSI和LQ[关系圈

Fig 3 7 Relalion graph ofRSSt and L0l

山图3 7和图3．8可蛆发现，LQI具有类似十RSSI的变化蜕象，剐LQI也有随距离递减的趋势，实际上，LQ]的获得是与RSSI育密切关系的。凼此，将LoI值融入距离估计算法将使基于RSSI的测距技术囱更大的提高空问。

比较囝3．5和图3 8可以看出，LQ[衰落曲线的斜率高1二RSY,I衰落曲线的斜率．1IoI

-Ⅱ以提供更高的分辨率。在小于10m范围V,j，实际的LOI衰落曲线用绕其逼近曲线的

兰!!!业竺些查塑塞生墨堡墨塾型茎兰兰些

36拟合曲线探索

采用曲线拟合法求取距离时，基本都使用衰落模型拟台曲线。但由于章内环境的复杂

陛，导致衰落模型拟合曲线的拟台效果很不理想，产生的测距误差很大。为了使拟台曲线更优化，尝试使用其它的啦线拟台形式。如图3 13先RSSl-cI十次多项式拟舍啦线图。图314是5次、10次、15次和18次多项式拟合曲线误差图。可以看出，采用十次

多项式拟合的曲线较经典拟台曲线有了很大的l生能改善。

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图314多项式拟台曲线误差

Fig314 Errorofpolynomial tiltedCUlWe

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这种曲线拟合方式产生了一个新的问题，即一个RSSI值可能会对应不I}个的距离值。为了解决这样一个问题，引入了拟合曲线的斜率曲线概念。图3 13中的多项式形式十次拟合曲线的方程式为：

RSSI(d)=2 228×10“do一3 4918x10“d+2．3167x10“d

f3241

一0 0084715d7+00t8625d6一025218d5+20741d4 —9 9033d’+25624d2—35 665d一28 021

方程式324的斜率方程，也就是它的导数方程为：

RSSIfd、=2 228×104d9—3 1426x10。ds_1 8534x10。d7

—0 00593d6+0 11175d5—1．2609d4+82963d3 —29 71d2+51 247d 35 665

f3．251

对～个RSSI对应的几个距离值来说，它们的斜率是不同的，根据这一特征，利用斜率进行真实距离区分，图3 1 5是图3 13中多项式的拟合斜率曲线。在每个定位点上，利用前两次获得的RSSI值及其距离值，计算出一个斜率值。如果任意连续两次测试时 间间隔足够短，就可以将这个斜率作为当前点的斜率，用该斜率值与多个距离值上分别对应的斜率进行比较，就可阻从几个距离值中确定正确的那个。所以，对这种拟合方式而言，记录上两次的RSSI及其对应距离值至关重要。

幽315多琅式斜率曲线

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

4基于ZigBee网络的定位系统设计

任何无线定位功能的实现都是基于某种无线通信网络的，以ZigBee技术为载体的定宜同样也是基于一个网络的。本文实现的系统就是在ZigBee网络的基础上，针对楼道及办公室环境的定位跟踪应用，通过定位跟踪室内人员、物品(贵重设备、医疗器械等)来进行实时监测和管理。对定位环境模型进行适当修改后，也可应用于矿井巷道等其它环境中。

4．1定位系统结构图

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、参考节点和盲节点。协调器有协调器来充当，它在整个系统中起着至关重要的作用，首先它要响应上位机发出的命令，开启网络，等待其它类型节点入网，其次还要接收各节点上传的数据并传送给上位机软件处理。除完成自身特有功能外，协调器也可作为参考节点使用。参考节点是一类静止的、已知自身位置坐标信息的节点，它的任务是接收包含定位相关参量如RSSI和LQI值的数据包，并计算RSSI等参量的平均值，最终在盲节点打包各参量平均值后，将其发送给协调器，传回上位机监测软件处理。部分参考节点除完成参考节点相关功能外，它还具有链路路由功能。盲节点也称之为待定位节点，它是一类可移动的节点，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坐标信息。

点 量盲节点

Q网关

图4．1 定位系统结构图

Fig．4．1 Structure diagram of localizationsystem

一个完整的集中处理式无线传感器定位系统包括三个部分【29l：硬件节点、定位节点软件和上位机监测软件。每一部分设计都有其特殊性，硬件设计过程为系统提供了定位

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所需的硬件平台，定位节点软件设计主要完成节点间的网络组建和数据传输，上位机软

件通过有线方式(使用串121、USB等接口)接收定位相关网络采集信息，利用某种定位算法完成定位过程，并动态显示移动节点定位效果。

4．2定位系统硬件设计

4．2．1硬件总体规划

定位节点硬件设计框架如图4．2所示。硬件电路设计包括两部分：无线通信模块设计和辅助功能模块设计。无线通信模块为节点间的无线数据收发接口，它是节点核心部分。辅助功能模块完成定位状态指示、供电、串口通信等辅助功能，它通过RS232串口转换电路实现PC机与协调器节点间的数据传输。为了降低开发成本，硬件平台没有按节点功能分别单独设计，而是将所有功能放在了一个平台上。根据节点实际功能要求，只需焊接所需器件即可。

图4．2节点硬件设计框图

Fig．4．2 Diagram of node hardwaredesignation

4．2．2无线通信芯片CC2430

CC2430芯片12lJ为Chipcon公司生产的2．4 GHz射频系统单芯片。它沿用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AESl28协同处理器、看门狗定时器(Watchdog

timer)、

32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out

detection)，以及21个可编程I／O引脚。

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

CC2430芯片采用0．18urnCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

CC2430的主要性能参数如下[211： (1)工作频带范围：2．400--一2．48350Hz；(2)采用IEEE 802．15．4规范要求的直接序列扩频方式；(3)数据速率达250kbps，码片速率达2MChip／s；(4)采用O．QPSK调制方式；

(5)超低电流消耗(RX-18．8mA，TX：17．4mA)，高接收灵敏度(．95dBm)； (6)抗邻频道干扰能力强(30／45dB)： (7)内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，采用低电压供电(2．1～3．6V)； (8)输出功率编程可控；

(9)IEEE802．15．4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bitCRC

校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR、CBC．MAC、CCM)；

(10)与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；

(1 1)开发工具齐全，提供有开发套件和演示套件；

(12)采用QLP．48封装，外形尺寸只有7x7mm。

4．2．3

CC2430射频模块设计无线通信模块包括CC2430芯片及其相关外围电路。由于CC2430将8051内核与无

线收发模块集成到了一个芯片当中，从而简化了电路设计过程，省去了单片机和无线收 发芯片之间接口电路的设计，缩短了硬件开发周期。其电路原理图如图4．3所示。本电路图参考了TI公司相关电路图。将CC2430芯片引脚全部引出，便于定位功能模块功能扩展。CC2430接口管脚定义参看附录D1所示。

对射频电路来说，解决好器件间干扰问题是至关重要的。建议无线通信模块采用 PCB双层板，项层用于信号线布线，底层用于电源和地布线，在无布线的开放区域采用少量过孔相连到地。另外，务必使CC2430芯片底部可靠接地。外围器件尺寸尽量小，可使用0402规格组容器件。如果使用PCB天线，为了减少板材对PCB天线的影响，使天线获得最佳性能，可以采用RF4板材，板材介电常数为4．5，厚度为lmm，敷铜厚度为0．35I．tm。辅助功能模块PCB制作无特殊要求。

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