基于Zigbee技术的无线实时定位系统研究与设计

论文摘要

全球卫星定位服务已经成为人们日常生活中一种必不可少的通讯服务,但由于卫星距离地面遥远,信号微弱,要穿透墙壁等障碍物非常困难,导致目前的定位服务基本无法覆盖到室内。而随着生活水平的提高,人们对精确个人定位的需求越来越高,如救护人员需要确切知道伤员在哪层楼哪个房间;顾客希望在大型商场内准确找到商家甚至货品的位置;矿工在井下通过定位系统进行逃生和营救等等。本文的重点就是要实现一种实用的室内定位系统,具备成本低、功耗小、定位精度高的特点,同时要解决系统实现时可能遇到的定位范围扩展、信号优选、数据平滑等问题,为广域定位系统提供补充,实现无盲区定位。本文的主要工作有三个部分:一、根据无线实时定位系统的实现原理,结合Zigbee无线通信技术的特点,分析定位算法的原理及工程设计;二、基于Zigbee技术的定位网络的系统设计;三、设计并实现一套小型Zigbee无线实时定位系统,并通过实际测试结果证明系统的可行性。要实现无线定位,首先要找到一个与距离相关的系统参数,在Zigbee系统中,就是接收信号强度,即RSSI。本文研究了基于RSSI的距离估算方法,并结合实践,设计了RSSI的过滤算法,分析了算法常量的取值方法。而要构建一套可实用的无线定位系统,除了基本的定位算法的实现外,还需要对定位的系统进行优化,因此,本文还研究设计了在实际应用中需要用到的一些优化算法,包括为了提高计算精度而使用的信号优选算法,为了扩充定位范围的定位扩展算法,以及为了减少数据毛刺、增加定位准确性的数据平滑算法等。在系统设计部分,主要研究了基于Zigbee技术的网络拓扑结构的分类,并从这些拓扑结构中选择了最适于定位网络的拓扑结构。同时,还对定位网络的整个系统进行了架构设计,包括架构中的各组成部分的定义。为了进行最后的验证,本文使用TI的集成电路芯片CC2430/CC2431设计实现了一套小型的无线定位系统,可对测试节点的位置进行计算,并结合终端工具实时显示测试节点的位置。在应用验证阶段,正是使用这套系统进行的验证测试,通过测试结果说明本文所设计的基于Zigbee技术的无线实时定位系统是可行的。本文的研究只是初步的试验性研究,所设计的定位系统无法进行最终商用,文章最后对本文的研究意义及工作进行了总结,并期待能够为将来的真正商用提供借鉴。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.2 无线定位系统的研究现状
• 1.3 无线定位原理的研究现状
• 1.3.1 定位系统的分类
• 1.3.2 定位方法的分类和原理
• 1.4 本文的主要研究内容和组织结构
• 1.5 研究意义
• 2 基于RSSI 的距离估算算法及定位系统优化算法研究
• 2.1 基于 RSSI 的距离估算算法
• 2.1.1 RSSI 数据的获取
• 2.1.2 基于 RSSI 的距离估算算法分析
• 2.1.3 RSSI 距离估算的实践
• 2.1.4 参考节点数目的选择和对布网的建议
• 2.2 定位系统的优化算法
• 2.2.1 信号质量优选算法
• 2.2.2 定位范围的扩展算法
• 2.2.3 数据平滑算法
• 2.3 本章小结
• 3 系统架构设计
• 3.1 无线实时定位系统架构设计
• 3.1.1 系统角色定义
• 3.1.2 定位引擎的接口定义
• 3.1.3 系统网络拓扑结构的讨论
• 3.2 Zigbee 最小系统架构设计
• 3.3 本章小结
• 4 系统详细设计
• 4.1 硬件环境
• 4.1.1 主芯片选型
• 4.1.2 硬件系统布局
• 4.2 软件实现
• 4.2.1.Zigbee 协议栈
• 4.2.2 定位软件实现
• 4.3 本章小结
• 5 应用分析
• 5.1 系统硬件连接
• 5.2 监控软件设置
• 5.3 测试
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 附件