基于zigbee技術的定位技術研究與應用碩士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 .......... 35 對 ZigBee 協議棧 msstatePAN 的主要修改 .................................. 38 提取時間信息的程序設計 .......................................... 38 協調器程序的設計 ................................................ 39 錨節點程序的設計 ................................................ 40 未知節點程序的設計 .............................................. 41 實驗數據的分析方法 .................................................... 41 根據提示提取數據 ................................................ 42 判斷數據的完整性 ................................................ 43 刪除十六進制標志 ................................................ 43 利用 MATLAB 對數據進行處理 ....................................... 43 實驗及結論 ............................................................ 44 本章小結 .............................................................. 48 第六章 全文總結與展望 ........................................................ 49 全文的總結 ............................................................ 49 以后研究工作的展望 .................................................... 49 南京郵電大學碩士研究生學位論文 目錄 V 致 謝 .................................................................................................................................................. 51 參考文獻 ............................................................................................................................................ 53 攻讀碩士期間發表的學術論文 ........................................................................................................ 56 南京郵電大 學碩士研究生學位論文 第一章 緒論 6 第一章 緒論 研 究背景 無線傳感器網絡 (Wireless Sensor Networks) 有時也簡稱為無線傳感網，它是由大量的 具有無線通信功能的傳感器節點組成，這些傳感器節點分布在所要監測的區域內，彼此之間 可以通過無線通信的方式傳遞信 息。通過分析傳感器節點傳送來的數據，無線傳感器網絡中 的總控制臺可以實現對目標區域的實時監控。無線傳感器網絡綜合了傳感器、嵌入式計算、 現代網絡及無線通信和分布式信息處理等技術，具備非常廣泛的應用前景，它的應用和發展 將會給人們生活的各個方面和社會生產的各個領域帶來深遠的影響。 無線傳感器網絡從傳感器網絡發展而來。眾所周知，傳感器技術是信息獲取的最重要、 最基本的技術。隨著傳感器技術的發展，傳感器的信息獲取也發生了很大變化，從單一的數 據采集向集成化、微型化、智能化和網絡化發展，逐漸地出現了傳感器網絡及其應 用。無線 通信技術和嵌入式技術的發展，使得設備之間的通信越來越方便，設備之間傳遞的數據量也 越來越大。處理器技術的快速發展讓芯片的運算速度飛快提升，芯片處理大量數據所用的時 間越來越小。由于各方面技術的快速發展及實際應用的強烈需要，便出現了無線傳感器網絡 技術。無線傳感器網絡是新興的下一代傳感器網絡，它被認為是當今世界繼互聯網之后的第 二大網絡 [1]。 無線傳感器網絡技術從誕生開始，一直都受到研究人員的關注。大量的理論研究和實際 應用使得該技術得到飛速地發展。目前，無線傳感器網絡技術已經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絡技術解決實際問題的典型應用： 智能灌溉技術 智能灌溉技術是無線傳感器網絡技術在環境檢測方面的典型應用。地球上的水資源是有 限的，節約用水是全世界的目標。然而在農業上，每年都會由于過度灌溉而浪費大量的水資 源。將無線傳感器網絡技術與農業灌溉相結合的智能灌溉技術能夠很有效地節約農業用水。 將傳感器節點放置于土壤中，讓它們實時地監測土壤中的水份等環境指標并把信息發送到總 控制臺。如果某個區域的土壤水份不足就啟動該區域的灌溉系統，直到土壤中的水份含量達 到要 求。智能灌溉技術不但能夠節約大量的水資源，而且還能減少農業上的人工勞作，節省 人力資源。 南京郵電大 學碩士研究生學位論文 第一章 緒論 7 礦井人員定位技術礦井人員定位技術是無線傳感器網絡在安全監測方面的典型應用。讓每個下井采礦的人 和車輛攜帶一個傳感器節點，這樣地面的控制部門就可以通過監測傳感器節點的位置得到井 下人員和車輛的情況。假如有事故在井下發生，傳感器節點可以發出求救信號，地面部門可 以在最短的時間里獲得事故現場的人員狀況，為后續的救援工作提供幫助。礦井人員定位技 術不但可以減少礦難中人員的傷亡，而且也可以減少財產損失。 通過以上兩個無線傳感 器網絡技術的典型應用，可以看出，無線傳感器網絡技術是非常 具有實用價值的技術。該技術還有許多其他方面的應用，在人們對無線傳感器網絡研究的不 斷深入過程中，碰到了許多具有挑戰性的問題。定位問題就是諸多問題中的一種，無線傳感 器網絡通過傳感器節點采集數據，那么這些節點的位置信息對于采集的數據是非常重要的。 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 對哪里進行灌溉。井下人員定位技術更是依賴于傳感器節點的位置信息。總之，解決好無線 傳感器網絡中的定位問題能夠使無線傳感器網絡技 術運用地更加廣泛。 ZigBee 技術是一種先進的短距離無線通信技術。該技術具有低成本，低功耗，高可靠性 等特點。利用 ZigBee 技術可以方便地組建無線傳感器網路。由于 ZigBee 技術具有規范的協 議及功耗低等優點，從而受到了研究員和企業的青睞。在 IEEE 組織和 ZigBee 聯盟 的推動下，該技術的應用領域非常廣泛。通過 ZigBee 技術與其他技術相結合，目前已經實現 了許多具有應用價值的無線傳感器網絡解決方案。隨著基于 ZigBee 技術的應用出現，無線傳 感器網絡技術開 始更加廣泛地服務于人們的生活。對于 ZigBee 技術的研究一直都是無線傳感 器網絡領域中的熱門研究，隨著研究的深入，無線傳感器網絡技術將會日趨完善 [1][2]。 研 究的目 的 和意義 不論在理論研究還是在實際應用中，定位問題一直都是人們研究的熱點所在。由于運用 無線傳感器網絡技術的大多數應用中都需要知道節點的位置，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絡技術更好地服務于人類社會。到 目前為止，對于無線傳感器網絡中定位問題已經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。 目前， GPS(全球定位系統 )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 星對地面上的物體進行位置的確定，該定位技術不但昂貴而且功耗大。無線傳感器網絡中由 于網絡的成本問題、耗電問題及網絡中節點之間的距離有限，不能采用 GPS 技術實現定位。 目前，研究人員通過研究設計了一些方案來解決無線傳感器網絡中的定位問題，這些解決方 南京郵電大 學碩士研究生學位論文 第一章 緒論 8 案有：基于信號接收強度值 (RSSI)的定位技術、基于到達時間 (TOA)的定位技術、基于到達時 間差 (TDOA)的定位技術和基于到達角度 (AOA)的定位技術等。 無線傳感器網絡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。基于 RSSI 定位中，接收信號強度值會隨著距離的增長而變得非常不準確，利用該技術的定位只能 解決近距離的定位問題；基于 TOA 定位中，到達時間的測量要求網絡具備很好的時間同步 [ 3]， 這大大增加了網絡的開銷，從而限制了基于達到時間定位技術的應用；基于 TDOA 定位中， 到達時間差的測量要么需要網絡同步，要么需要利用到超聲波。如果要求網絡同步就會增大 網絡的開銷，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時 間差定位技術的應用；基于 AOA 定位中，到達角度的測量要依賴昂貴的天線，這就制約了 基于到達角度定位技術的應用。綜上所述，研究出更好的無線傳感器網絡定位問題解決方案 仍然是無線傳感器網絡領域具有挑戰性的一項工作，這項研究將直接關系到無線傳感器網絡 技術的應用領域是否能夠更加廣泛。 本 文的研 究 內容 及 結構安排 ZigBee 技術是無線傳感器網絡中已經被廣泛使用的技術，它已解決了很多實際問題。本 文是在 ZigBee 技術的基礎上研究無線傳感器網絡中的定位問題。首先介紹了 ZigBee 技術以 及目前無線傳感器網絡中常用的基于測距的定位技術。接著利用基于 TDOA(到達時間差 )定位 技術的原理提出了一種適用于無線傳感器網絡的定位技術：基于 TDOA 的無線傳感網定位技 術。并從仿真的角度驗證了該定位技術的可行性，分析了采用該定位技術進行定位所取得結 果的準確性。最后設計實驗驗證了基于 TDOA 的無線傳感網定位技術能夠實現，并取得了比較 滿意的定位效果。 本文的結構安排如下： 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。 第二章為 ZigBee 技術的研究，在 介紹了 ZigBee 技術之后對 ZigBee 芯片及開源的 ZigBee 協議棧 msstatePAN 作了介紹。 第三章為無線傳感器網絡中定位技術的研究，本章節主要介紹了無線傳感器網絡中定位 技術及其分類，并著重介紹了基于測距的定位技術。 第四章為基于 TDOA 的無線傳感器網絡定位算法，本章節首先介紹了 ZigBee 芯片 CC2430 之間具有穩定的時鐘頻率偏移，接著依據已有的研究提出一種基于 TDOA 的無線傳感器網絡定 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 用該算法進行定 南京郵電大 學碩士研究生學位論文 第一章 緒論 9 位的效果圖。 第五章為定位算法在硬件平臺上的驗證，本章節首先介紹了基于 TDOA 的無線傳感器網絡 定位算法在實驗平臺的實現過程，接著介紹了對 ZigBee 協議棧 msstatePAN 的修改，然后介 紹了怎樣對實驗所得數據進行分析，最后通過實際的實驗驗證了基于 TDOA 的無線傳感器網絡 定位算法是可行的，并分析了該算法的定位效果。 第六章為全文總結與展望，本章節對本文所做的工作做了總結，接著對接下去要做的工 作進行了介紹。 10 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章 ZigBee 技術的研究 第二章 ZigBee 技術的研究 隨著科學技術的快速 發展，無線網絡技術已經越來越為人們所熟悉。不論是在日常生活 中還是在社會生產中，無線網絡技術都能為人們提供方便的服務。為此，無線網絡技術成為 當前研究員和學者的熱點研究領域，許多生產廠家也關注到無線網絡技術的巨大應用前景。 有的無線網絡例如移動互聯網、無線局域網等需要向用戶提供傳輸速率高，傳播距離遠的服 務，這些無線網絡需要很高的成本和很大的功耗。但是，在諸如工業控制、汽車電子和環境 監測等應用方面，只需提供低成本、低功耗及傳輸距離較近的無線網絡即可，針對這些無線 網絡的特點和要求，具有重大應用價值的 ZigBee 技術誕生了。 ZigBee 技術及 其 特點 [1][2][4][5] ZigBee 技 術 是 一 種 低 速 無 線 個 域 網 技 術 (Low Rate Wireless Personal Network, LR_WPAN)。 該技術具有低能量消耗、低成本和低傳輸速率等特點，廣泛的運用于數據通信量 不大、傳輸速率低及傳輸距離短的場合