基于ZigBee技术的定位技术研究与应用硕士学位论文 .doc
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1、单位代码: 10293密级: 硕士学位论文论文题目: 基于 ZigBee 技术的定位技术研究与应用学号姓名导师学科专业研究方向申 请 学 位 类 别 论 文 提 交 日 期 南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。研究生签
2、名:日期: 南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档;允许论文被查阅和借阅;可以将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、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生院(筹)办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名:导师签名:日期: 摘要无线传感器网络技术能够给人们的生产生活带来方便,从而得到了快速的发展。其中 ZigBee 技术具备规范的协议标准,被广泛地用于无线传感器网络中。利用 ZigBee 技术可以
3、构 建廉价的无线传感器网络。确定网络中节点的位置信息对无线传感器网络技术具有重大意义。 如何方便的获取节点的准确位置成为当今研究的热点。目前已经有了一些定位问题的解决方 案,例如:基于 RSSI 定位、基于 TOA 或 TDOA 定位等。这些定位技术都存在一些瑕疵,解 决无线传感器网络的定位问题仍然需要进一步的研究。本文对无线传感器网络中的定位技术进行了研究。首先,介绍了 ZigBee 技术及无线传感 器网络中已有的针对定位问题的解决方案,重点介绍了基于测距的定位算法。其次,利用不 同芯片的晶振之间时钟频率偏移具有稳定性这一特性,再结合 TDOA 定位算法,本文提出了 一种适用于无线传感器网络
4、的 TDOA 定位算法。该定位算法考虑了不同芯片晶振之间的时钟 频率偏移,通过将测量得到的信号到达时间差转换成节点之间的距离差,从而进行定位。使 用该定位算法避免了无线传感器网络中的时间同步难题,有效地解决了较远距离未知节点的 定位问题。最后,通过修改 ZigBee 节点的程序,设计定位实验,证实采用本文所提出的基于 TDOA 定位算法得到的节点之间距离差随着采样组数的增加而趋于稳定,并且能够取得满意的定位 效果,该定位算法是稳定的,可行的。该算法为以后更好地解决无线传感器网络中的定位问 题奠定了基础。关键字:无线传感器网络,ZigBee 技术,到达时间差,定位AbstractWireless
5、 sensor network technology can bring convenience to peoples production and life, so it has been rapidly 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. Loca
6、tion information 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 study. There have been some solutions for positioning problems, such as RSSI-based localization, TOA-based local
7、ization, TDOA-based localization, etc. But there are some flaws in these localization technologies, so further studies are still required to better solving the positioning problems in wireless sensor networks.Localization technologies in wireless sensor networks were studied in this paper. First, Zi
8、gBee technology and already existing position solutions in wireless sensor networks were introduced, and range-based localization algorithms were focused. Second, a kind of TDOA algorithm which is suitable for wireless sensor networks was proposed. For the localization algorithm, the stability of th
9、e clock frequency offset between different chips was used and the TDOA algorithm was combined. In this localization algorithm, the clock frequency offset of crystal oscillator in different chips was taken into account, and the location was calculated after converting time difference of arrived signa
10、l to the distance difference. By using the localization algorithm, the positioning problems in the more remote location could be effectively solved, and the time synchronization problem in wireless sensor networks could be avoided.At last, the programs of the ZigBee nodes were modified; the position
11、ing experiments were designed. It was confirmed that the distance difference between the nodes 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
12、the positioning problems in wireless sensor networks in the future.Key words: Wireless sensor networks, ZigBee technology, Time difference of arrive, Localization目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论11.1研究背景11.2研究的目的和意义21.3本文的研究内容及结构安排3第二章ZigBee 技术的研究52.1ZigBee 技术及其特点124552.1.1 ZigBee 技术的发展52.1.2 ZigBee 协议的结构62
13、.1.3 ZigBee 网络的结构72.1.4 ZigBee 技术的特点82.2ZigBee 芯片 CC2430 简介6782.2.1 CC2430 概述82.2.2 增强型的 8051 内核92.2.3 电源管理介绍 .102.2.4 定时器 1 简介 .112.2.5 射频收发机简介 .122.3ZigBee 精简协议栈89 .132.4本章小结.14第三章无线传感器网络中节点定位技术的研究 .153.1无线传感网定位技术概述10.153.1.1 无线传感网定位相关的基本概念11 .153.1.2 无线传感网定位的性能评价指标12 .163.2无线传感网定位技术的分类12.173.2.1
14、基于测距与非基于测距的定位算法1314 .173.2.2 集中式与分布式定位算法 .173.2.3 绝对与相对定位算法 .183.3无线传感网中基于测距的定位算法1516.183.3.1 包围盒定位法17 .183.3.2 基于 RSSI 的定位法1819202122.193.3.3 基于 TOA 的定位法23.213.3.4 基于 TDOA 的定位法24252627 .223.3.5 基于 AOA 的定位法1028 .243.4本章小结.25第四章基于 TDOA 的无线传感器网络定位算法 .274.1Zigbee 芯片 CC2430 的晶振频率偏移稳定29 .274.2基于 TDOA 的无线
15、传感网定位算法.284.2.1 算法原理 .285.2.2 算法的仿真 .314.3本章小结.34第五章定位算法在硬件平台上的实现及验证 .355.1定位算法在硬件平台上的设计.355.2对 ZigBee 协议栈 msstatePAN 的主要修改.385.2.1 提取时间信息的程序设计 .385.2.2 协调器程序的设计 .395.2.3 锚节点程序的设计 .405.2.4 未知节点程序的设计 .415.3实验数据的分析方法 .415.3.1 根据提示提取数据 .425.3.2 判断数据的完整性 .435.3.3 删除十六进制标志 .435.3.4 利用 MATLAB 对数据进行处理 .435
16、.4实验及结论.445.5本章小结.48第六章全文总结与展望 .496.1全文的总结.496.2以后研究工作的展望.49致 谢51参考文献53攻读硕士期间发表的学术论文56第一章 绪论1.1 研究背景无线传感器网络(Wireless Sensor Networks) 有时也简称为无线传感网,它是由大量的 具有无线通信功能的传感器节点组成,这些传感器节点分布在所要监测的区域内,彼此之间 可以通过无线通信的方式传递信息。通过分析传感器节点传送来的数据,无线传感器网络中 的总控制台可以实现对目标区域的实时监控。无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、 现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术,具备非
17、常广泛的应用前景,它的应用和发展 将会给人们生活的各个方面和社会生产的各个领域带来深远的影响。无线传感器网络从传感器网络发展而来。众所周知,传感器技术是信息获取的最重要、 最基本的技术。随着传感器技术的发展,传感器的信息获取也发生了很大变化,从单一的数 据采集向集成化、微型化、智能化和网络化发展,逐渐地出现了传感器网络及其应用。无线 通信技术和嵌入式技术的发展,使得设备之间的通信越来越方便,设备之间传递的数据量也 越来越大。处理器技术的快速发展让芯片的运算速度飞快提升,芯片处理大量数据所用的时 间越来越小。由于各方面技术的快速发展及实际应用的强烈需要,便出现了无线传感器网络 技术。无线传感器网
18、络是新兴的下一代传感器网络,它被认为是当今世界继互联网之后的第 二大网络1。无线传感器网络技术从诞生开始,一直都受到研究人员的关注。大量的理论研究和实际 应用使得该技术得到飞速地发展。目前,无线传感器网络技术已经融入了人们的日常生活并 给人们带来了好处。下面将介绍两种利用无线传感器网络技术解决实际问题的典型应用: 1、智能灌溉技术智能灌溉技术是无线传感器网络技术在环境检测方面的典型应用。地球上的水资源是有 限的,节约用水是全世界的目标。然而在农业上,每年都会由于过度灌溉而浪费大量的水资 源。将无线传感器网络技术与农业灌溉相结合的智能灌溉技术能够很有效地节约农业用水。 将传感器节点放置于土壤中,
19、让它们实时地监测土壤中的水份等环境指标并把信息发送到总 控制台。如果某个区域的土壤水份不足就启动该区域的灌溉系统,直到土壤中的水份含量达 到要求。智能灌溉技术不但能够节约大量的水资源,而且还能减少农业上的人工劳作,节省 人力资源。2、矿井人员定位技术矿井人员定位技术是无线传感器网络在安全监测方面的典型应用。让每个下井采矿的人 和车辆携带一个传感器节点,这样地面的控制部门就可以通过监测传感器节点的位置得到井 下人员和车辆的情况。假如有事故在井下发生,传感器节点可以发出求救信号,地面部门可 以在最短的时间里获得事故现场的人员状况,为后续的救援工作提供帮助。矿井人员定位技 术不但可以减少矿难中人员的
20、伤亡,而且也可以减少财产损失。通过以上两个无线传感器网络技术的典型应用,可以看出,无线传感器网络技术是非常 具有实用价值的技术。该技术还有许多其他方面的应用,在人们对无线传感器网络研究的不 断深入过程中,碰到了许多具有挑战性的问题。定位问题就是诸多问题中的一种,无线传感 器网络通过传感器节点采集数据,那么这些节点的位置信息对于采集的数据是非常重要的。 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体位置,总控制台就不知道 对哪里进行灌溉。井下人员定位技术更是依赖于传感器节点的位置信息。总之,解决好无线 传感器网络中的定位问题能够使无线传感器网络技术运用地更加广泛。ZigBee 技术是
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