基于ZigBee技术的无线定位系统的研究与实现

论文摘要

随着无线通信技术的不断成熟和快速发展，人们对无线定位服务的需求与日俱增。全球定位系统GPS良好的定位精度解决了许多军事和民用的实际问题，已经成为室外环境非常成功的定位技术。但是当需要进行定位的物体位于建筑内部时，由于信号受到建筑的干扰而大大衰减，导致定位精度明显下降，不适合在室内环境中使用。因此，有必要研究新的定位技术来弥补GPS的不足。本文首先对无线传感器网络定位技术的研究背景、国内外研究现状进行了介绍，综述了无线传感器网络定位技术的相关理论知识，并把基于RSSI的无线传感器网络定位算法作为研究的重点。在此基础之上，深入研究了ZigBee无线通信技术和IEEE802.15.4通信协议，然后根据低功耗、低成本和高灵活度的要求，采用CC2430／CC2431芯片并结合计算机技术、嵌入式技术搭建硬件和软件平台，组成一个基于ZigBee无线通信技术的室内无线定位系统，能够对移动目标进行准确的定位，定位精度能达到0.5米，误差小于4米。通过测试与分析得出了实验结论：基于RSSI的ZigBee无线定位系统的定位精确度不仅与系统信号强度参数（A-RSSI距离发送器1米测量值，N-信号传播系数）有关，并且与参考节点的数量和位置有关。同时本文在ZigBee二维无线定位系统基础上对三维定位算法进行了探索研究。最后分析了目前存在的问题以及下一步的工作方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题学术背景与研究意义
• 1.2 短距离无线通信技术简介
• 1.3 无线定位系统国内外研究现状
• 1.4 论文内容与安排
• 2 ZigBee 技术概述
• 2.1 ZigBee 技术简介
• 2.1.1 ZigBee的起源
• 2.1.2 ZigBee的特点
• 2.1.3 ZigBee技术应用
• 2.2 ZigBee 网络设备与拓扑结构
• 2.2.1 星状网络拓扑
• 2.2.2 对等网络拓扑
• 2.2.3 神经网络
• 2.3 ZigBee 基本协议栈研究
• 2.3.1 协议的架构
• 2.3.2 物理层
• 2.3.3 MAC 层
• 2.3.4 网络层
• 2.3.5 应用层
• 2.4 本章小结
• 3 无线定位技术的研究与分析
• 3.1 定位技术的基本概念
• 3.2 基于距离的定位算法
• 3.2.1 基于 TOA 的算法
• 3.2.2 基于 TDOA 的算法
• 3.2.3 基于 AOA 的算法
• 3.2.4 基于 RSSI 的算法
• 3.3 距离无关的定位算法
• 3.3.1 质心算法
• 3.3.2 基于 DV-Hop 的算法
• 3.3.3 基于 Amorphous 的定位算法
• 3.4 节点定位基本计算方法
• 3.4.1 三边测量法
• 3.4.2 三角测量法
• 3.4.3 极大似然估计法
• 3.5 定位性能评价的标准
• 3.6 本章小结
• 4 基于 ZigBee 技术的无线定位系统设计
• 4.1 无线定位系统总体设计方案
• 4.2 无线定位系统的组成
• 4.2.1 CC2430/2431 射频芯片
• 4.2.2 主机
• 4.2.3 网关
• 4.2.4 参考节点
• 4.2.5 定位节点
• 4.3 CC2431 无线定位原理
• 4.4 本章小结
• 5 无线定位系统测试与分析
• 5.1 定位系统开发环境和调试工具
• 5.2 实验参数的设定和分析
• 5.2.1 距离对误差影响的因素
• 5.2.2 参考节点的放置
• 5.2.3 A-RSSI 距离发送器 1 米测量值
• 5.2.4 N-信号传播系数
• 5.3 无线定位系统实验测试
• 5.4 三维定位算法探索研究
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集