基于zigbee的室內無線定位設計畢業設計-資料下載頁

　　

【正文】 近，它是第一個接收到未知節點信號的。由坐標關系可知，未知節點和第i 個錨節點之間的距離di可以表示成：di=(xXi)2+(yYi)2 （37）設di,1為未知節點與第i個錨節點和第一個錨節點的距離差，則：di,1=c*?i,1=did1=(xXi)2+(yYi)2(xX1)2+(yY1)2（38）式中，c 為電磁波在自由空間中的傳播速度，值為3108ms，?i,1為未知節點發送的信號到達第i 個錨節點與第一個錨節點的時間差，di為第i 個錨節點到未知節點之間的距離。這樣就可以得到N1個雙曲線方程組成的非線性方程組。一般來說，用傳統解方程組的辦法求解上面的非線性方程組是非常復雜的，可對它們進行線性化處理。由式（37）可以得到：di2=(xXi)2+(yYi)2=Xi2+Yi22Xix2Yiy+x2+y2 (39)設Ki=Xi2+Yi2，則：di2=Ki2Xix2Yiy+x2+y2 (310)再對式(38)進行重新整理可以得到：di=di,1+d1 (311)將等式(311)兩邊平方，再進行整理可以得到：di2=di,12+2di,1d1+d12 (312)由式(310)可得：d12=K12X1x2Y1y+x2+y2 (313)把式(310)和式(313)帶入式(312)，整理可以得到：Xi,1x+Yi,1y+di,1d1=12(KiK1di,12) (314)其中，Xi,1=XiX1,Yi,1=YiY1。將 x, y,d1當作未知數，則式（314）就表示成了一個線性方程。通過以上處理之后，可以利用解線性方程組得到未知節點的估計位置。由以上對基于TDOA 定位的分析可知，該定位算法不需要考慮節點之間時間原點的同步問題，那么該算法只需考慮節點之間的時鐘頻率偏移即可。也有的文獻中指出到達時間差的測量是通過測量兩種不同傳輸速度的信號到達同一地點的時間差異，將其轉化成兩個節點之間的距離，這不是本文所討論的概念。 基于AOA 的定位法AOA(Angle Of Arrive)即是到達角度。基于AOA 的定位法是當節點接收到信號時，通過利用天線陣列判斷信號源的方位，繼而進行定位。基于AOA 的定位法原理上就是三角定位法。三角定位法主要是利用天線測得未知節點和錨節點之間的角度關系，然后根據錨節點的位置確定出未知節點的位置。下面將介紹三角定位法，三角定位法的原理如圖36 所示。圖36三角定位法原理圖圖36 中，A、B、C 都表示位置已知的錨節點，D 表示的是未知節點。節點A，B，C 的坐標分別為:(x1,y1)、( x2,y2)和(x3,y3)。假設未知節點的坐標為(x, y)。未知節點D相對于錨節點A，B，C的角度分別為∠ADB，∠ADC，∠BDC，這三個角度可以通過天線測量出來。對于節點A，節點C和∠ADC來說，如果弧段AC在三角形ABC內，那么能夠唯一確定一個圓，如圖中的圓O1，假設圓心O1的坐標為(xO1,yO1)，半徑為R1。而∠AO1C=2π2∠ADC。那么可以得到以下方程組：(xO1x1)2+(yO1y1)2=R2(xO1x3)2+(yO1y3)2=R2(x1x3)2+(y1y3)2=2R22R2cos∠AO1C (315)可以通過解(315)的方程組可以得到圓心O1的坐標和半徑。同理可以分別得到圓O2和圓O3的坐標和它們的半徑。最后通過利用圓心O1，O2，O3和三邊定位法原理可以確定未知節點D 的坐標。4 基于ZigBee網絡的定位系統設計任何無線定位功能的實現都是基于某種無線通信網絡的，以ZigBee技術為載體的定宜同樣也是基于一個網絡的。本文實現的系統就是在ZigBee網絡的基礎上，針對樓道及辦公室環境的定位跟蹤應用，通過定位跟蹤室內人員、物品(貴重設備、醫療器械等)來進行實時監測和管理。對定位環境模型進行適當修改后，也可應用于礦井巷道等其它環境中。 定位系統結構圖定位系統結構圖如圖41所示。無線傳感器定位網絡中存在3種功能類型的節點，分別為協調器、參考節點和盲節點。協調器有協調器來充當，它在整個系統中起著至關重要的作用，首先它要響應上位機發出的命令，開啟網絡，等待其它類型節點入網，其次還要接收各節點上傳的數據并傳送給上位機軟件處理。除完成自身特有功能外，協調器也可作為參考節點使用。參考節點是一類靜止的、已知自身位置坐標信息的節點，它的任務是接收包含定位相關參量如RSSI和LQI值的數據包，并計算RSSI等參量的平均值，最終在盲節點打包各參量平均值后，將其發送給協調器，傳回上位機監測軟件處理。部分參考節點除完成參考節點相關功能外，它還具有鏈路路由功能。盲節點也稱之為待定位節點，它是一類可移動的節點，可在參考節點包圍的區域內任意移動，定位的目的就是要獲得該類節點的位置坐標信息。圖41 定位系統結構圖一個完整的集中處理式無線傳感器定位系統包括三個部分：硬件節點、定位節點軟件和上位機監測軟件。每一部分設計都有其特殊性，硬件設計過程為系統提供了定位所需的硬件平臺，定位節點軟件設計主要完成節點間的網絡組建和數據傳輸，上位機軟件通過有線方式(使用串口、USB等接口)接收定位相關網絡采集信息，利用某種定位算法完成定位過程，并動態顯示移動節點定位效果。 定位系統硬件設計定位節點硬件設計框架如圖42所示。硬件電路設計包括兩部分：無線通信模塊設計和輔助功能模塊設計。無線通信模塊為節點間的無線數據收發接口，它是節點核心部分。輔助功能模塊完成定位狀態指示、供電、串口通信等輔助功能，它通過RS232串口轉換電路實現PC機與協調器節點間的數據傳輸。為了降低開發成本，硬件平臺沒有按節點功能分別單獨設計，而是將所有功能放在了一個平臺上。根據節點實際功能要求，只需連接所需器件即可。圖42節點硬件設計框圖CC2530芯片12lJ為Chipcon公司生產的2．4 GHz射頻系統單芯片。它沿用了以往CC2430芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AESl28協同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。 CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA。在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2530的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2530的主要性能參數如下：(1)工作頻帶范圍：～；(2)采用IEEE ；(3)數據速率達250kbps，碼片速率達2MChip/s；(4)采用OQPSK調制方式；(5)超低電流消耗(RX18:8mA，TX:)，高接收靈敏度(95dBm)；(6)抗鄰頻道干擾能力強(30/45dB)；(7)內部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2．1～3．6V)；(8)輸出功率編程可控；(9)IEEE MAC層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護(CTR、CBCMAC、CCM)；(10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)；(11)開發工具齊全，提供有開發套件和演示套件；(12)采用QLP48封裝，外形尺寸只有77mm。 CC2530射頻模塊設計無線通信模塊包括CC2530芯片及其相關外圍電路。由于CC2530將8051內核與無線收發模塊集成到了一個芯片當中，從而簡化了電路設計過程，省去了單片機和無線收發芯片之間接口電路的設計，縮短了硬件開發周期。對射頻電路來說，解決好器件間干擾問題是至關重要的。建議無線通信模塊采用PCB雙層板，頂層用于信號線布線，底層用于電源和地布線，在無布線的開放區域采用少量過孔相連到地。另外，務必使CC2530芯片底部可靠接地。外圍器件尺寸盡量小，可使用0402規格組容器件。如果使用PCB天線，為了減少板材對PCB天線的影響，使天線獲得最佳性能，可以采用RF4板材，厚度為lmm。輔助功能模塊PCB制作無特殊要求。輔助功能模塊包括供電電路、串口電路、功能指示電路等。實際中的各種節點根據功能要求，分別選取所需部分電路焊接器件，即可完成各自功能。(1)供電電路設計根據ZigBee多種節點用電特點，供電電路設計了兩種方式，電池供電和直流(DC)電源模塊供電，使用單刀雙擲開關實現兩種供電方式間的切換。其中，直流(DC)電源模塊為5V供電，該芯片能夠提供高達500mA的電流輸出，電路簡單。電池供電方式采用2節AA電池供電。供電電路如圖43所示。圖43供電電路圖44串口轉換電路(2) 串口轉換電路串口轉換電路采用美信公司的MAX3232雙通道轉換芯片，工作電壓范圍為3V～，該電路主要用于協調器與PC之間的串口電壓轉換。串口轉換電路如圖44所示。(3)狀態指示電路指示燈等器件用于定位節點狀態指示。狀態指示電路如圖45所示。圖45狀態指示電路 定位節點軟件設計無線傳感器網絡定位的基本思想是盲節點將周圍所有的一跳范圍內的參考節點的信號強度(RSSI)返回到協調器，由協調器將信號強度值傳送到上位機監測軟件，上位機軟件調用相應的定位算法，計算出盲節點的坐標位置并實現必要的顯示。因此，首先需要在硬件平臺上實現節點間的通信，可分為如下五步進行(數據量類型有定位算法抉定，這里以RSSI為例)。圖46為傳感器網絡定位通信流程圖。(1)主節點查詢未知節點。在協調器節點(協調器)成功建立網絡后，協調器節點要查詢盲節點的位置信息，首先要給該節點發送定位請求信號，通信方式為廣播方式．保證所有的盲節點都可收到該杏詢請求。(2)盲節點廣播RSSI值信號。盲節點接收到查詢請求命令后，廣播一系列(如300次)RSSI值，在數據包中設定跳數為1，從而保證只有在一跳范圍內的參考節點才能接收到該數據包。(3)參考節點預處理RSSI值。一跳范圍內的參考節點接收到RSSI Blast信號，記錄該盲節點的RSSI值，由于墻壁、行人等多種環境干擾源的存在，RSSI會出現一定幅度的擾動，因此各參考節點可對接收到的RSSI進行適當預處理(如使用高斯概率模型處理)，對預處理后的RSSI值作平均。(4)盲節點發送RSSI的數據包請求信號。接收到數據包請求命令信號后，參考節點將各種所需參量按一定格式打包，發送到盲節點。圖46傳感器網絡定位通信流程圖(5)盲節點將數據包發送到協調器。盲節點按照一定規則(例如，協調器將數據包按照RSSI大小排序，從中選擇最大的三個，這樣保證盲節點的周圍存在三個最強參考節點。)將數據包發送給協調器節點。考慮到協調器除了組網和串口通信功能外，它可以作為參考節點使用，故只需要編寫兩種節點程序即可。協調器節點特有的功能用虛線標出。其余部分為參考節點功能程序。下面簡要介紹一下各類節點工作流程圖。圖47為協調器節點工作流程圖，圖48為參考節點工作流程圖，圖49為盲節點工作流程圖。這三個流程圖都是基于命令調用模式的。圖47 協調器節點工作流程圖圖48 參考節點工作流程圖圖49 盲節點的定位流程圖因為盲節點和參考節點要完成的功能不同，所以需要編寫兩種不同的程序。盲節點對應的程序為Blind．C和Blind．h，而參考節點對應的程序是Reference．。除了應用層的這兩種文件不同外，在其它各層兩種節點的程序可以是一樣的。為簡單起見，共用其它層文件。具體而言。定義兩種宏如下：define LOCATl0N_REFNODEdefine LOCATION_BLINONODE根據節點功能差別,選擇一個，屏蔽掉另一個。其中LOCAYION_REFNODE對應參考節點，LOCATION_BLINDNODE對應盲節點。使用如下定義，加載節點對應的應用層文件。if defined(LOCATION_REFNODE)include“”endifif defined(LOCATION_BLINDNODE)include“”endif把不同的頭文件包含在工程里，就可以加載不同的文件，完成不同的功能，實現小同節點間的程序切換。無線傳感器定位系統上位機監控軟件中，與定位相關功能主要包括兩大類：定位工程管理和定位信息處理。定位工程管理完成加載定位區域示意圖和配置參考節點坐標信息功能。定位信息處理完成數據讀取并解析、數據處理等功能。具體來說，定位工程管理需要包括如下3方面：(1)加載定位區域平面圖。用戶為特定定位場景自行選擇bmp、jpg、gif等格式的定位區域示意圖，將示意圖加載到上位機顯示窗口處。(2)配置參考節點信息。將接收到的網絡參考節點地址顯示出來。用戶手工配置參考節點坐標信息，在定位區域示意圖中標示出參考節點位置。(3)保存和修改工程。可隨時保存和修改工程狀態信息，以便下一次使用時，用戶可以調用已有信息，提高工作效率。定位信息處理包括2個方面：(1)提供PC和協調器節點間接口。PC通過使用串口與協調器(協調器)進行通信，PC機向下發送命令信息，協調器節點向上傳輸網絡定位相關信息。(2)區域定位。解析串口回讀的數據包，依據數據包信息，調用相應定位算法程序，獲取移動節點坐標信息，并顯示和保存定位結果。上位機功能實現流程圖如圖410所示。其中，系統初始化工作包括：定位區域示意圖加載、區域尺寸參數歧置、參考節點位置設置和串口相關參數設置以及串口打開等功