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1、-基于ZigBee技术的定位技术研究与应用硕士学位论文-第 56 页单位代码： 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。研究生签名：日期
2、： 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： 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方
3、外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本
4、人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学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。涉密论文按学校
5、规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符
6、合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3
7、、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
8、优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（
9、在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2
10、、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日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
11、 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
12、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 sensor network technology can bring convenience to peoples production and life, so
13、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. Location information of the nodes in the network plays an important role in wireless sen
14、sor 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 localization, TDOA-based localization, etc. But there are some flaws in these localizatio
15、n 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, ZigBee technology and already existing position solutions in wireless sensor networks
16、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 the clock frequency offset between different chips was used and the TDOA algorithm was
17、 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 signal to the distance difference. By using the localization algorithm, the positioning p
18、roblems 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 positioning experiments were designed. It was confirmed that the distance difference between
19、 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 the positioning problems in wireless sensor networks in the future.Key words: Wirele
20、ss 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62.1.3 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
21、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 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151
22、6.183.3.1 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
23、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 .435.4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
24、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
25、、 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
26、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，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
27、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
28、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 技术是一种先进的短距离无线通信技术。该技术具有低成本，低功耗，高可靠性 等特点。利用 ZigBee 技术可以方便地组建无线传感器网路。由于 ZigBee 技术具有规范的协 议
29、及功耗低等优点，从而受到了研究员和企业的青睐。在 IEEE 802.15.4 组织和 ZigBee 联盟 的推动下，该技术的应用领域非常广泛。通过 ZigBee 技术与其他技术相结合，目前已经实现 了许多具有应用价值的无线传感器网络解决方案。随着基于 ZigBee 技术的应用出现，无线传 感器网络技术开始更加广泛地服务于人们的生活。对于 ZigBee 技术的研究一直都是无线传感 器网络领域中的热门研究，随着研究的深入，无线传感器网络技术将会日趋完善12。1.2 研究的目的和意义不论在理论研究还是在实际应用中，定位问题一直都是人们研究的热点所在。由于运用 无线传感器网络技术的大多数应用中都需要知
30、道节点的位置，所以人们不断地寻找合理的定 位问题解决方案，不断提高定位精度以便于无线传感器网络技术更好地服务于人类社会。到 目前为止，对于无线传感器网络中定位问题已经有了一些比较令人满意的解决方案。但是对 于定位问题的研究还需要不断深入。目前，GPS(全球定位系统)可以算是人们所熟悉的定位问题解决方案，这种定位是利用卫 星对地面上的物体进行位置的确定，该定位技术不但昂贵而且功耗大。无线传感器网络中由 于网络的成本问题、耗电问题及网络中节点之间的距离有限，不能采用 GPS 技术实现定位。 目前，研究人员通过研究设计了一些方案来解决无线传感器网络中的定位问题，这些解决方案有：基于信号接收强度值(R
31、SSI)的定位技术、基于到达时间(TOA)的定位技术、基于到达时 间差(TDOA)的定位技术和基于到达角度(AOA)的定位技术等。无线传感器网络中已有的针对定位问题的解决方案或多或少都存在着一些缺点。基于 RSSI 定位中，接收信号强度值会随着距离的增长而变得非常不准确，利用该技术的定位只能 解决近距离的定位问题；基于 TOA 定位中，到达时间的测量要求网络具备很好的时间同步3， 这大大增加了网络的开销，从而限制了基于达到时间定位技术的应用；基于 TDOA 定位中， 到达时间差的测量要么需要网络同步，要么需要利用到超声波。如果要求网络同步就会增大 网络的开销，而如果利用了超声波，超声波的传播距
32、离有限，这些问题都限制了基于到达时 间差定位技术的应用；基于 AOA 定位中，到达角度的测量要依赖昂贵的天线，这就制约了 基于到达角度定位技术的应用。综上所述，研究出更好的无线传感器网络定位问题解决方案 仍然是无线传感器网络领域具有挑战性的一项工作，这项研究将直接关系到无线传感器网络 技术的应用领域是否能够更加广泛。1.3 本文的研究内容及结构安排ZigBee 技术是无线传感器网络中已经被广泛使用的技术，它已解决了很多实际问题。本 文是在 ZigBee 技术的基础上研究无线传感器网络中的定位问题。首先介绍了 ZigBee 技术以 及目前无线传感器网络中常用的基于测距的定位技术。接着利用基于 T
33、DOA(到达时间差)定位 技术的原理提出了一种适用于无线传感器网络的定位技术：基于 TDOA 的无线传感网定位技 术。并从仿真的角度验证了该定位技术的可行性，分析了采用该定位技术进行定位所取得结 果的准确性。最后设计实验验证了基于 TDOA 的无线传感网定位技术能够实现，并取得了比较 满意的定位效果。本文的结构安排如下： 第一章为本文的绪论，主要介绍了本文研究的背景、目的以及意义。第二章为 ZigBee 技术的研究，在介绍了 ZigBee 技术之后对 ZigBee 芯片及开源的 ZigBee 协议栈 msstatePAN 作了介绍。第三章为无线传感器网络中定位技术的研究，本章节主要介绍了无线传
34、感器网络中定位 技术及其分类，并着重介绍了基于测距的定位技术。第四章为基于 TDOA 的无线传感器网络定位算法，本章节首先介绍了 ZigBee 芯片 CC2430 之间具有稳定的时钟频率偏移，接着依据已有的研究提出一种基于 TDOA 的无线传感器网络定 位算法，并通过 MATLAB 仿真验证了这种算法的可行性，最后在仿真中得到利用该算法进行定位的效果图。第五章为定位算法在硬件平台上的验证，本章节首先介绍了基于 TDOA 的无线传感器网络 定位算法在实验平台的实现过程，接着介绍了对 ZigBee 协议栈 msstatePAN 的修改，然后介 绍了怎样对实验所得数据进行分析，最后通过实际的实验验证
35、了基于 TDOA 的无线传感器网络 定位算法是可行的，并分析了该算法的定位效果。第六章为全文总结与展望，本章节对本文所做的工作做了总结，接着对接下去要做的工 作进行了介绍。第二章 ZigBee 技术的研究随着科学技术的快速发展，无线网络技术已经越来越为人们所熟悉。不论是在日常生活 中还是在社会生产中，无线网络技术都能为人们提供方便的服务。为此，无线网络技术成为 当前研究员和学者的热点研究领域，许多生产厂家也关注到无线网络技术的巨大应用前景。 有的无线网络例如移动互联网、无线局域网等需要向用户提供传输速率高，传播距离远的服 务，这些无线网络需要很高的成本和很大的功耗。但是，在诸如工业控制、汽车电
36、子和环境 监测等应用方面，只需提供低成本、低功耗及传输距离较近的无线网络即可，针对这些无线 网络的特点和要求，具有重大应用价值的 ZigBee 技术诞生了。2.1 ZigBee 技术及其特点1245ZigBee 技 术 是 一 种 低 速 无 线 个 域 网 技 术 (Low Rate Wireless Personal Network, LR_WPAN)。该技术具有低能量消耗、低成本和低传输速率等特点，广泛的运用于数据通信量 不大、传输速率低及传输距离短的场合。2.1.1 ZigBee 技术的发展ZigBee 技术的命名来自于人们对于蜜蜂生活方式的观察，当蜜蜂发现有新的食物需要 通知自己的同
37、伴时，就会翩翩起舞，用类似 ZigZag 样子的舞蹈与同伴进行信息的交流。 蜜蜂自身体积小，而且通过 ZigZag 舞蹈能够有效地传递信息，所以人们用 ZigBee 技术代表 能量消耗小、成本低的无线短距离通信技术。2000 年 12 月，电器和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)成立了 IEEE 802.15.4 工作组，该工作组的任务是制定一种低成本、低功 耗且方便使用的无线网络技术。2002 年，ZigBee 联盟成立，该事件标志着对 ZigBee 技术的 研究进入了一个全新的阶段，由于 ZigBee 技术应用前景广泛，ZigBee 联盟不断地得到发展 和壮大。2003 年 11 月，电器和电子工程师协会发布了 IEEE 802.15.4 协议标准，该标准制 定了 ZigBee 技术的物理层和媒体介入控制层协议规范。2004 年 12 月，ZigBee 技术联盟发布 了 ZigBee 协议标准，该标准使 ZigBee 技术具备了统一的协议，方便了人们对于该技术的开