基于ZigBee技术的无线传感器网络定位系统的设计与研究

论文摘要

随着人类社会的发展,基于位置的服务越来越频繁的被应用到生活中,例如车辆导航、人员定位、网络社交签到等。这也使得定位技术的重要性日益凸显。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）作为近几年新兴的一种无线通信技术,具有低成本、低功耗、易组网等优点,在工业、国防、农业、智能家居等领域得到了广泛的应用,市场前景广阔。WSN的技术特点令其适于进行无线定位,对其进行研究有着显著的实际意义。本文对基于ZigBee技术的无线传感器网络定位系统进行了深入地研究和设计,阐述了无线传感器网络及ZigBee技术的基本原理,研究并设计了实现系统功能的软硬件部分,并提出了一种基于奇异值分解算法的多边定位算法。首先,文章通过介绍分析无线传感器网络协议和ZigBee技术的特点,总结了ZigBee技术在无线定位方面相较于其他无线定位技术的优势,在此基础上设计了一种无线定位系统。系统的硬件主处理器选用TI公司出品的CC2430芯片,并设计了系统的电源电路、节点接口、复位电路、JTAG接口、液晶显示电路、串口电路、USB转串口电路。系统的软件设计主要包括定位系统协调器、参考节点和定位节点的实现,并组建一个ZigBee网络。其次,本文还对当今常用的几种定位算法进行了介绍和比较,选用基于测距的RSSI方法进行定位,建立了系统的多边定位模型,研究了无线信号传播能量模型中的路径传播损耗系数n,提出了一种基于奇异值分解法的无线定位算法并同经典的最小二乘法法进行了比较。最后,对系统进行了实验测试,测试结果表明系统硬件能够顺利完成组网,节点间的无线通讯顺畅,采用的基于奇异值分解法的定位算法定位精度在30-40米范围内可达到1m左右,验证了系统的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 ZIGBEE技术分析及实现
• 2.1 常用无线数据通信技术
• 2.2 ZIGBEE无线通信技术
• 2.2.1 Zigbee技术简介
• 2.2.2 ZigBee协议
• 2.2.3 802.15.4 通信层
• 2.2.4 网络层
• 2.2.5 应用层
• 2.2.6 安全服务规范
• 2.3 ZIGBEE网络拓扑结构
• 2.3.1 星形网络拓扑
• 2.3.2 树形网络拓扑
• 2.3.3 网状网络拓扑
• 第三章 无线定位系统的硬件实现
• 3.1 系统硬件构架
• 3.2 硬件选择
• 3.3 硬件节点设计
• 3.3.1 无线收发模块
• 3.3.2 电源电路
• 3.3.3 节点接口设计
• 3.3.4 复位电路设计
• 3.3.5 JTAG接口
• 3.3.6 液晶显示电路
• 3.3.7 串口电路
• 3.3.8 USB转串口电路
• 第四章 无线定位系统的软件设计
• 4.1 IAR开发环境
• 4.2 ZIGBEE节点应用软件设计
• 4.2.1 网关节点程序设计
• 4.2.2 参考节点程序设计
• 4.2.3 定位节点程序设计
• 第五章 无线定位算法研究
• 5.1 定位算法介绍
• 5.2 多边定位模型的建立
• 5.3 RSSI测距模型分析
• 5.4 定位算法研究
• 5.4.1 最小二乘法原理
• 5.4.2 奇异值分解法
• 第六章 定位实验
• 6.1 定位实验准备工作介绍
• 6.2 路径损耗指数N的选取
• 6.3 多点定位实验
• 6.3.1 最优参考点数的确定
• 6.3.2 基于最小二乘法的多边定位算法
• 6.3.3 基于奇异值分解法的多边定位算法
• 6.3.4 最小二乘法与奇异值分解法的效果比较
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学校期间发表的学术论文与研究成果