ZigBee无线定位跟踪系统的研究与设计

论文摘要

本文目标为实现一个基于ZigBee无线定位跟踪系统的设计,以ZigBee技术和无线定位技术为基础,进行系统硬件和软件的设计与开发。重点实现三个功能,一为节点间数据的传输,二为无线网络的自组织,三为网络覆盖范围内节点的定位。文章在介绍了课题的内容和背景后,提出了系统的架构,即实现方式,包括芯片的对比与选择,硬件以及软件的实现方式。信息的采集方式上,引入了USB接口,除了PC机外,也可方便连接到具有USB OTG功能的手持设备上,极大地扩展了系统的应用范围。在软件方面,采用分层、模块化的实现方式,提高了软件的可移植性和软件管理的方便性。在硬件的详细实现上,对比了当前市场上支持IEEE802.15.4协议的主流解决方案,从集成度、成本、软硬件资源以及兼容性上进行了全方面对比,最终选择CC2430和CC2431作为本系统的节点主控芯片。设计天线时,在分析了无线传感器网络所需天线特点的基础上,系统最终采用单极天线,并研究了单极天线的性能及优缺点。网关引入USB接口时采用USB从芯片CY7C68013,并通过通用编程接口与节点主芯片通信。给出了PCB设计所要遵循的规则,最后说明了硬件系统的调试流程及方法。在软件的详细实现上,从物理层、MAC层、网络层、应该层四个层面分析了ZigBee无线传感器网络协议栈,以及TI的ZigBee2006编程框架的使用方法。分析了串口与USB通信的实现流程和编程方法,特别是USB接口,给出了应该程序给无线节点发送命令和数据的方法。最后进行了无线定位算法的分析与实现,介绍了无线定位的基本原理和当前世界上常用的定位算法,并详细说明了在CC2431的基础上实现基于RSSI的无线定位流程。最后是总结与展望,任何技术都是不断向前发展的,本文所设计的系统在性能也有很多可以提高的地方,在硬件设备的功耗上、信道带宽上,定位的方法、精度和速度上,网络的架构形式上,接口的丰富程度上等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 目的、背景和意义
• 1.2 无线传感器网络研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 文章组织结构
• 第2章 定位跟踪系统的架构
• 2.1 系统架构提出
• 2.2 芯片选择
• 2.2.1 节点主芯片
• 2.2.2 网关主芯片
• 2.3 硬件架构
• 2.3.1 参考节点
• 2.3.2 移动节点
• 2.3.3 网关节点
• 2.4 软件架构
• 2.4.1 节点软件架构
• 2.4.2 USB通信软件架构
• 第3章 定位跟踪系统的硬件设计
• 3.1 天线选择
• 3.1.1 天线的分类及性能参数
• 3.1.2 单极天线
• 3.1.3 单极天线的阻抗匹配
• 3.2 硬件总体结构
• 3.3 无线核心板设计
• 3.3.1 电源处理
• 3.3.2 晶振
• 3.3.3 天线电路
• 3.4 节点设计
• 3.4.1 节点电源
• 3.4.2 串口电路
• 3.4.3 USB接口电路
• 3.4.4 网关节点电路图
• 3.5 PCB设计
• 3.6 硬件系统调试
• 3.7 调试流程及方法
• 第4章 定位跟踪系统的软件设计
• 4.1 硬件抽象
• 4.1.1 硬件抽象的目的
• 4.1.2 硬件抽象的方法
• 4.2 ZigBee协议的分析与实现
• 4.2.1 IEEE802.15.4协议
• 4.2.2 Zigbee协议
• 4.3 USB接口的通信实现
• 4.3.1 CY7C68013固件编程
• 4.3.2 上位机编程接口
• 4.4 无线定位算法的分析与实现
• 4.4.1 无线定位的基本原理
• 4.4.2 定位算法
• 4.4.3 基于CC2431的定位
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和参与的项目