ZigBee无线定位毕业设计解析课件.ppt

1、 毕业设计文献综述文献综述 课题背景介绍课题背景介绍GPSGPS设备通常能耗高、体积大、成本高，更适合于空设备通常能耗高、体积大、成本高，更适合于空旷的室外环境，旷的室外环境，ZigBeeZigBee技术的出现为小范围例如室内无线技术的出现为小范围例如室内无线定位技术注入了新的希望，因为它具有低成本，低功耗，定位技术注入了新的希望，因为它具有低成本，低功耗，易于组网等特点。易于组网等特点。本文提到的本文提到的CC2431CC2431无线定位芯片由无线定位芯片由TITI公司和摩托罗拉公司和摩托罗拉公司共同研发，它是一个带硬件定位引擎的芯片，能满足公司共同研发，它是一个带硬件定位引擎的芯片，能满足

2、低功耗，符合低功耗，符合IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准。定位精度达到标准。定位精度达到0.250.25米，米，误差在误差在3 3米内。米内。 无线定位系统的国内外发展现状无线定位系统的国内外发展现状1.1.19921992年，年，Active BadgeActive Badge系统产生于英国剑桥，是最早系统产生于英国剑桥，是最早的室内定位系统之一。的室内定位系统之一。2.2.19981998年，年，MicrosoftMicrosoft公司开发出公司开发出RADARRADAR定位系统，它是定位系统，它是基于基于RSSIRSSI技术的室内无线射频定位系统。技术的室内无线射

3、频定位系统。3.3.20002000年，年，MITMIT研制的研制的CricketCricket系统是现在仍在使用的室系统是现在仍在使用的室内定位系统之一。内定位系统之一。4.4.20012001年，年，AHLOSAHLOS系统出现，它是一种混合定位系统。系统出现，它是一种混合定位系统。5.5.20022002年，加利福尼亚大学的年，加利福尼亚大学的CalamariCalamari系统也是一种混系统也是一种混合定位系统。合定位系统。 这几年兴起的定位技术还有基于超宽带这几年兴起的定位技术还有基于超宽带(Ultra Wide (Ultra Wide Band,UWB)Band,UWB)的定位技术

4、、基于的定位技术、基于Wi-FiWi-Fi的定位技术以及基于的定位技术以及基于ZigBeeZigBee的定位技术等等。的定位技术等等。ZigBee技术简介技术简介 ZigBee发展发展20002000年，年，IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准出台。标准出台。ZigBeeZigBee联盟成立联盟成立于于20012001年年8 8月，月，20022002年下半年，英国年下半年，英国InvensysInvensys公司、日本公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦公司等三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦公司等四大公司加盟四大公司加盟 ZigBee Zig

5、Bee联盟，这一事件成为联盟，这一事件成为ZigBeeZigBee技术发技术发展的里程碑，到目前为止，加盟展的里程碑，到目前为止，加盟ZigBeeZigBee联盟的不仅仅只有联盟的不仅仅只有当初的四家公司，而是涵盖了当初的四家公司，而是涵盖了ITIT领域以及其他行业的领域以及其他行业的150150多家企业。多家企业。 ZigBee技术的主要特点1.1.低功耗：在低耗电待机模式下低功耗：在低耗电待机模式下,2,2节节5 5号干电池可支持号干电池可支持1 1个节个节点工作点工作6 62424个月。个月。2.2.低成本：协议代码少，免专利费。低成本：协议代码少，免专利费。3.3.低速率：数据传输速率

6、在低速率：数据传输速率在2020250 kbps250 kbps。4.4.近距离：传输范围一般介于近距离：传输范围一般介于1010100 m 100 m 之间之间, ,在增加在增加RFRF发发射功率后，亦可增加到射功率后，亦可增加到1 13 km3 km。5.5.高容量：最多一个主节点可管理高容量：最多一个主节点可管理254254个子节点，同时主节个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成点还可由上一层网络节点管理，最多可组成6500065000个节点个节点的大网。的大网。6.6.免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)(IS

7、M)频频段，段，2.4 GHz (2.4 GHz (全球全球) )、915 MHz(915 MHz(美国美国) )和和868MHz(868MHz(欧洲欧洲) ) 。 ZigBee与其他技术的比较与其他技术的比较 IrDA蓝牙Wi-FiZigBee工作频率红外线2.4G2.4G2.4G，868/915MHz有效物理范围20cm1.2m10m左右25100m10m100m最大传输速率16Mbps1Mbps11Mbps250kbps，20/40kbps网络节点273265000最大功耗数mw100mw100mw30mw语音/数据支持数据语音、数据语音、数据数据ZigBee协议栈协议栈 协议栈概述协议

8、栈概述ZigBeeZigBee协议栈的是由物理层协议栈的是由物理层(PHY)(PHY)、媒体访问、媒体访问控制层控制层(MAC)(MAC)、网络层、网络层(NWK)(NWK)和应用层和应用层(APL)(APL)组成的。组成的。其中，其中，PHYPHY层和层和MACMAC层协议由层协议由IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4定义，定义，网络层和应用层的协议由网络层和应用层的协议由ZigBeeZigBee联盟定义。而应联盟定义。而应用层又包含应用支持子层用层又包含应用支持子层(APS)(APS)、应用框架、应用框架(AF)(AF)、ZigBeeZigBee设备对象设备对象(ZDO)(

9、ZDO)和由制造商制定的应用对象。和由制造商制定的应用对象。ZigBee协议栈体系图 ZigBee网络设备类型ZigBee网络系统共有三种逻辑设备类型：网络系统共有三种逻辑设备类型：1.协调器：该设备初始化一个协调器：该设备初始化一个ZigBee无线网络。无线网络。2.路由器：允许其他设备加入网络、多跳路由和辅路由器：允许其他设备加入网络、多跳路由和辅助它的电助它的电 池供电的子终端设备通信。池供电的子终端设备通信。3.终端设备：可以有选择的进行休眠和唤醒。终端设备：可以有选择的进行休眠和唤醒。 ZigBeeZigBee网络拓扑网络拓扑定位算法简介定位算法简介 基于距离的定位算法1.1.基于基

10、于TOATOA的测距技术的测距技术2.2.基于基于TDOATDOA的测距技术的测距技术3.3.基于基于AOAAOA的测距技术的测距技术4.4.基于基于RSSIRSSI的测距技术的测距技术 其他定位算法介绍1.1.质心定位算法质心定位算法2.2.APITAPIT定位算法定位算法3.3.DV-HopDV-Hop定位算法定位算法无线定位系统的实现 硬件平台：硬件平台：1.1.CC2430/CC2431CC2430/CC2431芯片介绍芯片介绍2.2.CC2431CC2431硬件引擎介绍硬件引擎介绍 软件平台：采用软件平台：采用IAR SystemsIAR Systems公司的公司的IAR Embed

11、ded IAR Embedded Workbench(Workbench(简称简称EW)EW) 基于基于RSSIRSSI的定位算法：的定位算法：Pr(dBm)=A-10nlgrPr(dBm)=A-10nlgr，A A可可 以看作信号传输以看作信号传输lmlm远时接收远时接收 信号的功率，信号的功率，n n是传播因子是传播因子 定位系统框架定位系统框架无线传感器网络实现定位功能的设备由协调器无线传感器网络实现定位功能的设备由协调器(Location_dongle)(Location_dongle)、参考节点、参考节点(Loeation_refnode)(Loeation_refnode)、定、定

12、位节点位节点 (Loeation_blindnode) (Loeation_blindnode)三部分组成。三部分组成。1.1.协调器：协调器：1 1个，在实验中协调器个，在实验中协调器( (网关网关) )选取选取1 1块网络块网络 扩展板与扩展板与1 1块块CC2431CC2431模块组成。模块组成。2.2.参考节点：参考节点：4 4个，选择个，选择CC2430CC2430模块。模块。3.3.定位节点：定位节点：1 1个，选择个，选择CC2431CC2431模块。模块。 实验系统搭建及演示实验系统搭建及演示实验节点分布图 不同环境下的A和N值的比较RSSI522.685log10(d)节点置

13、于地面RSSI42.82.377log10(d)节点置于地上1米处 定位系统的实际测量实际坐标实际坐标（A A3939）N=25N=25N=20N=20测量坐标测量坐标误差误差测量坐标测量坐标误差误差0 0，5 50.50.5，6.06.022.422.40.750.75，6.756.7538.138.10 0，0 01 1，1 128.328.31.251.25，0.50.526.926.95 5，0 05.255.25，0 0. .252511.211.25.55.5，0.250.2511.211.25 5，5 56.256.25，4.54.526.926.96.256.25，5.05.0

14、25.025.05 5，2.52.55.05.0，2.02.010.010.06.256.25，2.752.7525.525.52.52.5，0 02.752.75，1.251.2525.525.52.752.75，0.50.511.211.20 0，2.52.51.01.0，2.52.520.020.00.250.25，2.752.757.17.12.52.5，5 53 3，4.754.7511.211.22.52.5，5.255.255.05.02.52.5，2.52.53 3，3.53.522.422.42.752.75，2.252.257.17.1 增加参考节点采集次数后定位效果实际坐

15、标实际坐标测量坐标测量坐标误差误差2.52.5，0 02.52.5，0.250.255.0%5.0%0 0，2.52.50.250.25，2.252.257.1%7.1%2.52.5，5 52.252.25，4.54.511.211.25 5，2.52.55.255.25，2.02.011.211.22.52.5，2.52.52.252.25，2.52.55.05.0 增加温度采集功能（片内温度传感器）结论 实验结论实验结论：1.1.通过实地测量验证了基于通过实地测量验证了基于RSSIRSSI定位系统的可行性。定位系统的可行性。2.2.通过增加参考节点测量次数，修正通过增加参考节点测量次数，修

16、正RSSIRSSI值可以提值可以提高接收高接收RSSIRSSI值的稳定性，从而提高定位系统的精值的稳定性，从而提高定位系统的精确度，尤其是在定位节点密度不是很高的时候。确度，尤其是在定位节点密度不是很高的时候。3.3.从从RSSIRSSI值拟合曲线可以看出，定位系统所处的环值拟合曲线可以看出，定位系统所处的环境对定位效果造成相应的影响，因此在实际应用境对定位效果造成相应的影响，因此在实际应用中应尽量选择远离地面、墙壁和其它有可能对信中应尽量选择远离地面、墙壁和其它有可能对信号产生干扰的因素。号产生干扰的因素。 不足之处及未来改进1.1.测试环境还不够理想，在实际的安保系统中，测试环境还不够理想，在实际的安保系统中，环境的复杂程度较高，因而在环境的复杂程度较高，因而在RSSIRSSI接收处理算接收处理算法上需要进一步完善，以适应更复杂的环境；法上需要进一步完善，以适应更复杂的环境；2.2.为了检验定位精度与网络中参考节点的数目之为了检验定位精度与网络中参考节点的数目之间的关系，可以在以后的测试中增加更多的参间的关系，可以在以后的测试中增加更多的参考节点。考节点。3.3.温度采集模块可以采用外接温度传感器，得到温度采集模块可以采用外接温度传感器，得到的温度值会更准确。的温度值会更准确。谢谢各位老师！