基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日

注意事項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂

指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日

評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學(xué)系意見：系主任：（簽名）年月日

摘要我國的礦山數(shù)量多，分布廣，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有非常重要的位置。但由于自身的特點，礦山企業(yè)發(fā)生各種災(zāi)害和人身傷亡事故的幾率較高，一直是我國安全生產(chǎn)工作的重點。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，井下人員的分布不能快速真實地反映在地面管理系統(tǒng)中。在正常生產(chǎn)期間，不能方便地統(tǒng)計井下工作人員的數(shù)量和分布；一旦發(fā)生事故，不能很快了解井下人員的數(shù)量、分布和位置，給救災(zāi)工作帶來困難。本課題旨在以礦井重大災(zāi)害的應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)為重點，研究應(yīng)急救援過程中人員定位、通訊保障、決策指揮等內(nèi)容，自主開發(fā)關(guān)鍵裝備，初步建立礦井重大災(zāi)害應(yīng)急救援的決策指揮體系，防止繼發(fā)性災(zāi)害發(fā)生，保障搶險救援安全，提高應(yīng)急救援水平，為礦井重大事故災(zāi)難應(yīng)急救援提供技術(shù)、裝備支撐。本文主要講述了ZigBee技術(shù)在礦井井下人員與設(shè)備定位中的應(yīng)用以及系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)利用2.4GHZ頻段自建無線網(wǎng)絡(luò)，移動節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中移動，可以在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)對移動節(jié)點的無線定位，該系統(tǒng)定位精度高，速度快，相對GPS，其更加適合于室內(nèi)或者井下非空曠空間實現(xiàn)定位。將該系統(tǒng)應(yīng)用在煤礦業(yè)中，在平時可以提高生產(chǎn)效率，災(zāi)害發(fā)生時，可最大限度減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，因而具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前本設(shè)計已經(jīng)通過了初步的方案論證，核心定位技術(shù)已經(jīng)基本實現(xiàn)，具體的方案實施和詳細(xì)設(shè)計正在加緊進(jìn)行。本階段的研究設(shè)計為今后工作的開展打下了堅實的基礎(chǔ)，為今后的設(shè)計開發(fā)提供了有利條件。關(guān)鍵詞：ZigBee；WinCE；定位；無線個人區(qū)域網(wǎng)；礦井安全AbstractChina'sminesthenumberofmorewidelydistributed,innationaleconomicdevelopmentplaysaveryimportantposition.However,duetoitsowncharacteristics,miningenterprisesvariousdisastersandthehigherprobabilityofpersonalinjuryanddeath,hasbeentheproductionofournationalsecuritythefocusofthework.Coalproductionenvironmentasaresultofthespecialnatureofthedistributionofundergroundpersonnelcannotbeatruereflectionoftherapidmanagementsystemontheground.Inthenormalproductionperiod,thestatisticscannotbeeasilydownthenumberanddistributionofstaff;theeventofanaccidentandcannotquicklyknowthenumberofundergroundpersonnel,distributionandlocation,tothereliefworkdifficult.Designedtominethesubjectofamajordisasteremergencyrescuefocusonkeytechnologiestostudytheprocessofemergencyrescuepersonnelpositioning,communications,security,commandanddecision-making,etc.,self-developmentofkeyequipment,theinitialestablishmentofamajordisasterthemineemergencyrescuecommandsystemofdecision-makingtopreventsecondarydisasterstoprotectthesafetyofrescue,emergencyrescuetoenhancethelevelofmajorincidentsfortheminedisastertoprovideemergencyrescuetechniquesandequipmentsupport.ThispaperontheZigBeetechnologyanditspersonnelandequipmentpositioningsystemandtheapplicationofthemethod.Thesystemofself-built2.4GHZbandwirelessnetwork,mobilenetworknodesinthemobile,canberealizedinthenetworkofmobilewirelesslocationofthenode,thesystempositioningaccuracy,speed,relativeGPS,itsmoresuitableforindoororunderground-Openspacetoachievetargeted.Applicationofthesystemintheminingindustry,inpeacetimecanincreaseproductionefficiency,thedisasteroccurred,theycanminimizecasualtiesandpropertylosses,whichhavesignificanteconomicandsocialbenefits.Atpresent,thedesignhaspassedapreliminarydemonstrationprogram,thecorepositioningtechnologyhasbeenbasicallyachieved,thespecificdetaileddesignandimplementationoftheprogramisbeingsteppedup.Thisstageofresearchanddesignforthefutureworkoflayingasolidfoundationforfuturedesignanddevelopmenthaveprovidedfavorableconditions.Keywords:ZigBee;WinCE;location;wirelesspersonalareanetwork;minesafety湖南科技大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）用紙--目錄第一章概述 1第二章ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與定位系統(tǒng)簡介 22.1 ZigBee介紹 22.1.1 ZigBee定義 22.1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 22.1.3 ZigBee2006協(xié)議棧簡介 22.1.4 ZigBee的優(yōu)缺點 42.1.5 ZigBee的適用范圍 52.2 ZigBee與各種無線技術(shù)比較 52.2.1 ZigBee和現(xiàn)有移動網(wǎng)（GPRS，CDMA-1X）的比較 52.2.2 ZigBee與現(xiàn)有數(shù)傳電臺的比較 62.2.3 ZigBee與藍(lán)牙的比較 72.2.4 ZigBee與RFID的比較 8第三章系統(tǒng)方案設(shè)計 103.1 系統(tǒng)組成 103.2 系統(tǒng)工作原理 113.3 系統(tǒng)定位過程 113.3.1 被動定位過程 113.3.2 主動定位過程 12第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計 134.1 相關(guān)器件介紹 134.1.1 ZigBee無線定位單片機(jī)CC2430/CC2431 134.1.2 其它芯片簡要說明 154.2 參考節(jié)點設(shè)計 154.3 定位節(jié)點設(shè)計 164.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計 164.4.1 節(jié)點電源 164.4.2 網(wǎng)關(guān)及上位機(jī)電源 17第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計 185.1 通信協(xié)議 185.2 下位機(jī)軟件設(shè)計 195.2.1 定位節(jié)點 195.2.2 參考節(jié)點 205.2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點 215.3 上位機(jī)軟件設(shè)計 225.3.1 總流程圖 245.3.2 定時事件流程圖 245.3.3 ZB通信事件流程圖 265.3.4 按鍵事件處理流程圖 27第六章系統(tǒng)調(diào)試 296.1 使用的軟件 296.2 調(diào)試開發(fā)過程及截圖 296.2.1 PC調(diào)試過程 296.2.2 嵌入式上位機(jī)調(diào)試過程 31第七章技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù) 367.1 具體實施的技術(shù)路線 367.1.1 ZigBee2006協(xié)議棧驗證 367.1.2 建立單個ZigBee網(wǎng)絡(luò) 367.1.3 多ZigBee網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信實現(xiàn) 367.1.4 多ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位實現(xiàn) 367.1.5 上位機(jī)軟件設(shè)計與系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 367.1.6 現(xiàn)場測試與系統(tǒng)完善 377.2 系統(tǒng)設(shè)計中的難點 377.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)調(diào)試比較困難 377.2.2 定位節(jié)點的跨網(wǎng)絡(luò)管理 377.3 系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù) 377.3.1 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSS 377.3.2 動態(tài)組網(wǎng) 377.3.3 低功耗設(shè)計 37第八章總結(jié) 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41附錄部分程序 42湖南科技大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）用紙概述隨著社會對煤炭需求量的不斷增大，近年來我國煤礦事故又有攀升趨勢，煤礦安全狀況令人擔(dān)憂。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局曾要求05年年底以前，高瓦斯、煤與瓦斯突出煤礦要全部建立并完善安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦礦井井下環(huán)境十分惡劣，它在空間上非常有限，空氣質(zhì)量較差，瓦斯氣體隨時可能引發(fā)爆炸危險，特別是在發(fā)生事故時，人員的疏散逃離和救援工作十分有限，迫切需要改善。對井下人員實現(xiàn)定位跟蹤，就是一種十分有效的解決辦法。然而井下人員的跟蹤定位技術(shù)，國內(nèi)外目前仍然是一個空白領(lǐng)域，國內(nèi)目前所使用的井下人員跟蹤技術(shù)，實際上僅僅是一種考勤記錄系統(tǒng)，而非真正的人員定位跟蹤系統(tǒng)，無法實時地報告井下人員的具體位置，而煤礦安全事故是頻有發(fā)生，在人員和財產(chǎn)上造成了很大的損失。本課題研究正是針對這一問題而展開的。課題研究的主要目標(biāo)是實現(xiàn)礦井井下人員及設(shè)備的定位，從而為煤礦業(yè)平常的監(jiān)控管理和人員救援提供有效的相關(guān)定位信息。本設(shè)計基于ZigBee技術(shù)，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，借助ZigBee設(shè)備的定位功能，實現(xiàn)可靠的，精確的定位。系統(tǒng)分為井下和地面兩個部分。井下主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)匯集向地面?zhèn)魉?。在地面有由工控機(jī)構(gòu)成的監(jiān)管系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對整個地下工作人員及設(shè)備的實時定位跟蹤。本文依次介紹了ZigBee的技術(shù)特點，ZigBee相對其它相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢，系統(tǒng)硬件設(shè)計，軟件設(shè)計，系統(tǒng)的調(diào)試，設(shè)計中的難點和涉及的關(guān)鍵技術(shù)等，最后總結(jié)了設(shè)計的進(jìn)展情況和所取得的成果。說明，本論文中所涉及到的網(wǎng)關(guān)即協(xié)調(diào)器，盲節(jié)點即定位節(jié)點或者目標(biāo)節(jié)點，短地址即網(wǎng)絡(luò)地址，長地址即擴(kuò)展地址，論文中涉及到這些名詞就不再做說明。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與定位系統(tǒng)簡介ZigBee介紹什么是ZigBeeZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[5]。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即，星型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如下圖示：圖2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]ZigBee2006協(xié)議棧介紹ZigBee聯(lián)盟在2006年年底推出了新一代技術(shù)規(guī)范——ZigBee2006，基于此技術(shù)規(guī)范的ZigBee2006協(xié)議棧從軟件層次實現(xiàn)了技術(shù)規(guī)范中所描述的功能。此協(xié)議棧功能非常強(qiáng)大，能夠滿足基于ZigBee技術(shù)的大部分設(shè)計需要[6]。目前ZigBee2006協(xié)議棧定義了如下的特征：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)由三種類型設(shè)備組成：協(xié)調(diào)器（Coordinator），路由器（Router），和終端設(shè)備（End-device）。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以最多有65536個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢允切切?，網(wǎng)狀，樹形等。靈活的數(shù)據(jù)路由保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕W(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)能力使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性大大提高。這使得它特別適合于高可靠要求的無線網(wǎng)絡(luò)。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器設(shè)備，但是可以有多個路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)等，而路由器主要負(fù)責(zé)為數(shù)據(jù)選擇最佳路由。標(biāo)準(zhǔn)的profile定義保證了各個應(yīng)用中數(shù)據(jù)交互的接口的一致性，使得ZigBee更加適合于多方面的應(yīng)用。完整的協(xié)議棧整合了安全管理，數(shù)據(jù)路由，網(wǎng)絡(luò)建立與自恢復(fù)，應(yīng)用服務(wù)等各方面功能，大大降低了其應(yīng)用的復(fù)雜性，提高了開發(fā)效率。ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)，一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個管理實體提供全部其他服務(wù)。每個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的7層開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.42003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層，物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（API）框架的設(shè)計。其中，應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）及由制造商制定的應(yīng)用對象[3]。如下圖所示：ZigBeeApplicationFrameworkZigBeeApplicationFrameworkNetworkingAppLayer(NWK)DataLinkController(DLC)IEEE802.15.4LLCIEEE02.15.4LLC,TypeIIEEE802.15.4MACIEEE802.15.4868/915MHzPHYIEEE802.15.42400MHzPHY圖2.2ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)ZigBee的特點數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10kb／s～250kb／s，專注于低速傳輸應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的數(shù)據(jù)，所以WSN對傳輸速率的需要不是那么高。功耗低在休眠狀態(tài)下耗電量僅僅只有1μW，通信距離短的情況下工作狀態(tài)的耗電為30mW，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。WSN的節(jié)點對功耗的需求極其苛刻，傳感器節(jié)點需要在危險（比如戰(zhàn)場、核輻射）的區(qū)域持續(xù)工作數(shù)年而不更換供電單元。ZigBee的耗電符合這一需求。成本低因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本，這正是藍(lán)牙這類系統(tǒng)所不具備的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬的節(jié)點時，如果不能嚴(yán)格地控制節(jié)點的成本，那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模必將受到嚴(yán)重的制約，從而將嚴(yán)重地制約WSN的強(qiáng)大功能。網(wǎng)絡(luò)容量大每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000多個節(jié)點，也就是說每個ZigBee節(jié)點可以與數(shù)萬節(jié)點相連接。由于WSN的能力很大程度上取決于節(jié)點的多少，也就是說可容納的傳感器節(jié)點越多，WSN的功能越強(qiáng)大。所以ZigBee的網(wǎng)絡(luò)容量大的特點非常符合WSN的需要。有效范圍小有效覆蓋范圍在10～75m之間，但是可以擴(kuò)展到數(shù)百米，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。降低WSN節(jié)點的能量消耗和平衡所有節(jié)點的能量，有必要縮小節(jié)點RF模塊的覆蓋范圍。工作頻段靈活使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段，共有27個擴(kuò)頻通信信道。相應(yīng)的，WSN采取2.4GHZ工作頻段的特性將會更有利于WSN的發(fā)展。安全ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，硬件本身支持CRC和AES－128。這一安全特性能很好地適應(yīng)軍事需要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由WSN網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被敵人俘獲，都能使節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)的使用者也希望能在需要的時候向已有的網(wǎng)絡(luò)中加入新的傳感器節(jié)點。這就希望WSN能具有動態(tài)組網(wǎng)、自主路由的功能，而ZigBee技術(shù)就正好能解決了WSN的這一需要。ZigBee的應(yīng)用范圍ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護(hù)理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)進(jìn)行定位[8]。通常，符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)做無線傳輸：需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多；要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低；要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高；設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；電池供電；地形復(fù)雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)；使用現(xiàn)存移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)；使用GPS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動目標(biāo)的定位應(yīng)用。ZigBee和現(xiàn)有無線技術(shù)的比較ZigBee和現(xiàn)有移動網(wǎng)（GPRS，CDMA-1X）的比較無網(wǎng)絡(luò)使用費使用移動網(wǎng)需要長期支付網(wǎng)絡(luò)使用費，而且是按節(jié)點終端的數(shù)量計算的，而ZigBee沒有這筆費用。設(shè)備投入低使用移動網(wǎng)需要購買移動終端設(shè)備，每個終端的價格在人民幣1000元上下，而使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，不僅ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊（相當(dāng)于基站）費用每只人民幣不到1000元，而且，主要使用的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點（相當(dāng)于手機(jī)）的價格還要低得多。通信更可靠由于現(xiàn)有移動網(wǎng)主要是為手機(jī)通信而設(shè)計的，盡管CDMA-1X和GPRS可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但實踐發(fā)現(xiàn)，不僅通信數(shù)率比設(shè)計速率低很多，而且數(shù)據(jù)通信的可靠信也存在一定的問題。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)則是專門為控制數(shù)據(jù)的傳輸而設(shè)計的，因而控制數(shù)據(jù)的傳輸具有相當(dāng)?shù)谋ＷC。高度的靈活性和低成本首先，通過使用覆蓋距離不同，功能不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以及其它非ZigBee系統(tǒng)的低成本的無線收發(fā)模塊，建立起一個ZigBee局部自動化控制網(wǎng)（這個網(wǎng)絡(luò)可以是星型，樹狀，網(wǎng)狀及其共同組成的復(fù)合網(wǎng)結(jié)構(gòu)），再通過互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)與遠(yuǎn)端的計算機(jī)相連，從而實現(xiàn)低成本，高效率的工業(yè)自動化遙測遙控。兼容性好比起現(xiàn)有的移動網(wǎng)來，盡管ZigBee僅僅只是一個局域網(wǎng)，覆蓋區(qū)域有限，但它卻可以與現(xiàn)有的移動網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)和其它通信網(wǎng)絡(luò)相連接，將許多ZigBee局域網(wǎng)相互連成為一個整體。有效的解決移動網(wǎng)的盲區(qū)覆蓋問題：我們知道，現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)在許多地方存在盲區(qū)，特別是鐵路，公路，油田，礦山等野外，更是如此。而增加一個移動基站或直放站的費用是相當(dāng)可觀的，此時使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行盲區(qū)覆蓋不僅經(jīng)濟(jì)有效，而且往往是現(xiàn)在唯一可行手段。內(nèi)部空間定位ZigBee容易實現(xiàn)，可靠性更好。移動網(wǎng)雖然提供定位功能，但是它不僅要支付高昂的費用，而且在內(nèi)部空間定位不具有優(yōu)勢，而ZigBee卻可以輕松實現(xiàn)內(nèi)部空間定位，通過增加節(jié)點數(shù)，還可以提高定位精度，而且可靠性也很好。ZigBee與現(xiàn)有數(shù)傳電臺的比較可靠性高由于ZigBee模塊的集成度遠(yuǎn)比一般數(shù)傳電臺高，分離元器件少，因而可靠性更高。使用方便安全因為集成度高，比起一般數(shù)傳電臺來，ZigBee收發(fā)模塊體積可以做得很小，而且功耗低，因而很容易集成或直接安放在到設(shè)備之中，不僅使用方便，而且在戶外使用時，不容易受到破壞?？垢蓴_力強(qiáng)，保密性好，誤碼率低ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G直序擴(kuò)頻技術(shù)，比起一般FSK，ASK和跳頻的數(shù)傳電臺來，具有更好的抗干擾能力，和更遠(yuǎn)的傳輸距離。免費頻段ZigBee使用的是免費頻段，而許多數(shù)傳電臺所使用的頻段不僅需要申請，而且每年都需要交納相當(dāng)?shù)念l率使用費。價格低ZigBee數(shù)傳模塊的價格只有具有類似功能的數(shù)傳電臺的幾分之一，(2.4G，250kps，3-5公里距離DSSS（DirectSequenceSpreadSprectrumf直接序列擴(kuò)頻）數(shù)傳模塊每只不到1000元人民幣)。定位功能更易實現(xiàn)對于具有定位功能的ZigBee設(shè)備，ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠提供有力的支持，并且定位性能突出。而數(shù)傳電臺本身沒有定位功能，要增加定位功能也非常之難。ZigBee與藍(lán)牙的比較系統(tǒng)復(fù)雜性ZigBee的系統(tǒng)復(fù)雜性要遠(yuǎn)小于藍(lán)牙的系統(tǒng)復(fù)雜性。這可以從它們的協(xié)議棧的參考模型（如下圖）中看出。圖2.3藍(lán)牙協(xié)議棧參考模型圖ZigBee協(xié)議棧簡單，實現(xiàn)相對容易，需要的系統(tǒng)資源也較少，據(jù)估計運行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb；藍(lán)牙協(xié)議棧相對復(fù)雜，它需要系統(tǒng)資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備FFD（FullFunctionalDevice）和簡化功能設(shè)備RFD(ReducedFunctionDevice)。網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者(Coordinator)和最多可達(dá)65535個從屬設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD，它負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，包括路由、安全性、節(jié)點的附著與離開等。一個網(wǎng)絡(luò)只需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統(tǒng)資源僅約為4Kb，因此網(wǎng)絡(luò)的整體成本比較低。從這一點來說，ZigBee非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，如傳感網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動化等。安全性ZigBee和藍(lán)牙在一定程度上都能夠保證安全性。但ZigBee比藍(lán)牙更為靈活，這更有利于控制系統(tǒng)成本。定位功能通過從技術(shù)和應(yīng)用兩方面的分析與比較，可以看出：ZigBee非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙則適合于較高數(shù)據(jù)數(shù)率的應(yīng)用，如語音和數(shù)據(jù)傳輸。兩者之間同時又存在著競爭，比如，在計算機(jī)外設(shè)、互動玩具、家庭自動化和工業(yè)自動化等應(yīng)用領(lǐng)域及在未來的穿戴網(wǎng)絡(luò)(WearableNetwork)中藍(lán)牙面臨著ZigBee技術(shù)的競爭。但是任何一種技術(shù)的成功，并不只由其技術(shù)本身的因素決定，客觀市場對技術(shù)成敗也有很大作用。ZigBee技術(shù)要想獲得成功，ZigBee聯(lián)盟應(yīng)盡早公開發(fā)布規(guī)范，盡早開發(fā)出ZigBee芯片。在藍(lán)牙方面，SIG除致力于制定更多的應(yīng)用模式和完善規(guī)范之外，還應(yīng)促進(jìn)不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備的互通性；針對目前市場特點，藍(lán)牙應(yīng)優(yōu)先發(fā)展音頻應(yīng)用，因為在低速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，藍(lán)牙面臨ZigBee的競爭，而在高速數(shù)據(jù)傳輸（如多媒體）領(lǐng)域，藍(lán)牙又面臨UWB的競爭。ZigBee與RFID的比較靈活性更高專門用于長距離識別的的有源RFID系統(tǒng)，不僅讀寫器往往需要固定位置安裝，對RFID卡的方向位置和讀寫器天線的方向的匹配還有一定的要求，因而系統(tǒng)的靈活性大受限制，而且整個系統(tǒng)(包括有源卡)的成本已經(jīng)不再便宜。功耗更低，更安全無源RFID需要由讀寫器的射頻信號提供電源，因此要求讀寫器能夠提供足夠的能量，這樣就增加了系統(tǒng)的功耗。這種通信方式要想增加通信距離也非常困難。因而，它們不得不在讀寫器上下工夫——提高接收靈敏度，在發(fā)射天線上下工夫——增大發(fā)射功率，這樣就會使功耗增加。除其此外，當(dāng)高頻微薄的發(fā)射功率過大時，它不僅超出國家無規(guī)定的功率限制，還有可能對人體帶來傷害。而ZigBee技術(shù)則在這方面專門做了優(yōu)化，不僅功耗極低，而且由于發(fā)射功率嚴(yán)格限制，對人體基本沒有危害。價格更便宜RFID的優(yōu)點是標(biāo)簽便宜，使用壽命長。當(dāng)RFID變成有源時，價格優(yōu)勢也就喪失了。微功率收發(fā)機(jī)通過在降低成本，降低功耗，在用電管理上，在通過睡眠喚醒功能上的改進(jìn)，已經(jīng)大大縮小了這個差距；當(dāng)微功率收發(fā)機(jī)特別是采用直序擴(kuò)頻通信方式，低功耗的ZigBee微功率收發(fā)機(jī)問世以后，在遠(yuǎn)距離身份識別和無線網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域，就顯示了無與倫比的優(yōu)越性。抗干擾能力強(qiáng)，保密性好，工作可靠目前市場上微功率單芯片收發(fā)機(jī)有許多種，它們的的通信方式也各有不同，因而工作的可靠性和抗干擾能力也有很大的差別，特別是在一般干擾很強(qiáng)的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，無線通信設(shè)備的抗干擾特性非常重要，它是一個無線收發(fā)設(shè)備能否在現(xiàn)場工作，和它是否能在現(xiàn)場可靠地工作的決定因素。現(xiàn)在市場上有一種SuperRFID，它們就是由一種微功率收發(fā)機(jī)單芯片做成的，但它并沒有使用抗干擾能力強(qiáng)的直序擴(kuò)頻(DSSS)方式，因而，在使用時特別要注意避免環(huán)境干擾。不僅如此，由于SuperRFID通信方式要求較高的信噪比，因而，在接收靈敏度相同的條件下，它的通信距離要短得多，現(xiàn)有的SuperRFID的接收靈敏度一般只有-90dBm，因而，為了增加讀寫距離，SuperRFID也只能在讀寫器上下功夫，加強(qiáng)天線的方向性以提高天線增益，同時提高發(fā)射功率和讀寫器的接收靈敏度。定位功能RFID不能算是真正意義上的定位，而只能說是身份識別。雖然有源RFID在煤礦業(yè)中有應(yīng)用，但只能算是考勤記錄而已，不具備定位能力，而ZigBee則可以實現(xiàn)真正意義上的定位。通過以上的對比可以明顯地看出，在煤礦的礦井環(huán)境中，ZigBee非常符合礦井下的定位，它具有功耗極低，可靠性高，定位精度高，靈活方便，網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)能力強(qiáng)，成本低，擴(kuò)展性好，高度兼容性等諸多優(yōu)點，正好滿足煤礦礦井環(huán)境對電子設(shè)備的苛刻要求，而這些突出優(yōu)點是其它無線網(wǎng)絡(luò)與定位技術(shù)很難達(dá)到的。因而，在煤礦礦井中采用ZigBee定位技術(shù)是必要的，也是十分可行的。系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成分為四個部分，即，上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點和定位節(jié)點。整個系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示。圖中ref表示參考節(jié)點，bld表示定位節(jié)點，crd表示協(xié)調(diào)器。其中，crd與上位機(jī)安裝在一起，他們之間通過串口進(jìn)行通信，用雙向?qū)嵕€表示可進(jìn)行雙向通信；其他雙向虛線表示可通過無線進(jìn)行雙向通信。refrefrefrefbld上位機(jī)crdref圖3.1基于ZigBee的礦井井下人員及設(shè)備定位系統(tǒng)原理框圖下面對各個部分進(jìn)行逐一分析。上位機(jī)上位機(jī)是移動的嵌入式設(shè)備，他可以看到整個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)采用CC2430設(shè)計，能夠組建一個ZigBee子網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色，而且把定位節(jié)點坐標(biāo)及外部環(huán)境參數(shù)傳給嵌入式上位機(jī)。參考節(jié)點參考節(jié)點也是采用CC2430設(shè)計，在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器的角色。而且在定位系統(tǒng)中，它由用戶指定固定坐標(biāo)，并為定位節(jié)點提供該坐標(biāo)和RSSI（ReceivedSignalStrengthIndex接收信號強(qiáng)度）平均值。定位節(jié)點定位節(jié)點采用CC2431設(shè)計，其內(nèi)部具有定位引擎，能夠根據(jù)參考節(jié)點提供的固定坐標(biāo)和RSSI平均值計算出自身的精確位置（坐標(biāo)），并把該坐標(biāo)協(xié)同定位節(jié)點標(biāo)志號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。定位節(jié)點是移動的，被安裝在人員和設(shè)備上。系統(tǒng)工作原理在下井之前，把事先調(diào)整好參數(shù)的定位節(jié)點配備給每個礦工。系統(tǒng)定位過程被動定位過程所謂被動即定位節(jié)點的位置是被動發(fā)現(xiàn)的，也就是別人請求后才把自己的位置信息反饋給請求者，具體過程如下圖所示。先通過上位發(fā)送一條目標(biāo)發(fā)現(xiàn)請求命令給網(wǎng)關(guān)（通過串口），當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到命令后就根據(jù)地址的形式以廣播或者單播的方式通過電磁波發(fā)送出去，盲節(jié)點收到命令后，馬上開始向周圍的參考節(jié)點發(fā)送信號強(qiáng)度收集命令，參考節(jié)點收到命令后就開始收集盲節(jié)點發(fā)過來的信號，并多次累加，盲節(jié)點發(fā)送完一定次數(shù)的信號強(qiáng)度懼命令后就向參考節(jié)點發(fā)送信號強(qiáng)度請求命令，參考節(jié)點收到該命令后就把累加的信號強(qiáng)度總和求平均，然后再和自身的參考坐標(biāo)一起發(fā)送給盲節(jié)點，盲節(jié)點只要收集到三個或者三個以上的包含信號強(qiáng)度和參考坐標(biāo)的信息包就可以通過CC2431自帶的定位引擎計算出自身所處的位置，位置計算完畢后，盲節(jié)點就把這一自己的位置信息發(fā)送給存儲在Flash里的目的設(shè)備（本系統(tǒng)中保存的是網(wǎng)關(guān)的地址，所以目的設(shè)備就是網(wǎng)關(guān)），目的設(shè)備再傳給上位機(jī)，最后通過上位機(jī)顯示出坐標(biāo)，這樣就完成了一次被動定位過程。圖3.2一次被動定位過程的流程圖主動定位過程所謂主動即定位節(jié)點的位置是主動報告給上位機(jī)的，也就是不需要別人來請求就自動的把自己的位置信息告訴別人，具體過程如下圖所示。盲節(jié)點按照一定的時間周期向來發(fā)送信號強(qiáng)度收集命令，參考節(jié)點收到命令后就開始收集盲節(jié)點發(fā)過來的信號，并多次累加，盲節(jié)點發(fā)送完一定次數(shù)的信號強(qiáng)度懼命令后就向參考節(jié)點發(fā)送信號強(qiáng)度請求命令，參考節(jié)點收到該命令后就把累加的信號強(qiáng)度總和求平均，然后再和自身的參考坐標(biāo)一起發(fā)送給盲節(jié)點，盲節(jié)點只要收集到三個或者三個以上的包含信號強(qiáng)度和參考坐標(biāo)的信息包就可以通過CC2431自帶的定位引擎計算出自身所處的位置，位置計算完畢后，盲節(jié)點就把這一自己的位置信息發(fā)送給存儲在Flash里的目的設(shè)備（本系統(tǒng)中保存的是網(wǎng)關(guān)的地址，所以目的設(shè)備就是網(wǎng)關(guān)），目的設(shè)備再傳給上位機(jī)，最后通過上位機(jī)顯示出坐標(biāo)，這樣就完成了一次主動定位過程。圖3.2一次主動定位過程的流程圖系統(tǒng)硬件設(shè)計相關(guān)器件介紹ZigBee無線定位單片機(jī)CC2430/CC2431圖4.1無線定位單片機(jī)CC2430/CC2431內(nèi)部框圖圖4.2無線定位單片機(jī)CC2430/CC2431典型應(yīng)用電路CC2430/CC2431是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心硬件，在此有必要對其進(jìn)行相關(guān)的介紹。CC2430/CC2431是真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案[2]。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。它結(jié)合了一個高性能2.4GHzDSSS射頻收發(fā)核心和一顆工業(yè)級小巧、高效的8051控制器[9]。CC2430與CC2431的主要區(qū)別在于只有CC2431有定位跟蹤引擎，CC2430沒有定位跟蹤引擎。除此之外，其它功能完全一樣。CC2430/CC2431芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430/CC2431的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。CC2430/CC2431芯片的主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；在休眠模式下僅0.9μA的電流損耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)，在待機(jī)模式下低于0.6μA的電流損耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CSMA/CA功能；較寬的電壓范圍（2.0到3.6V）；強(qiáng)大的DMA功能；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；集成了14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；集成AES安全協(xié)處理器；帶有兩個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計時器、1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；ZigBee/802.15.4全兼容的硬件層、物理層；集成1個高精度定位跟蹤引擎；較少外圍電路；強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。CC2431無線定位引擎介紹：CC2431的定位引擎用于計算無線網(wǎng)絡(luò)中定位節(jié)點的位置。定位節(jié)點為移動節(jié)點，其位置是隨時變化的，具體位置由CC2431的定位引擎通過接收參考節(jié)點的RSSI值經(jīng)過定位算法計算而得到。在CC2431無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中定位精度與參考節(jié)點數(shù)量有關(guān)。一般而言，參考節(jié)點越多，定位精度越高。CC2431無線定位引擎有如下主要特點：1）3～8個參考節(jié)點參與定位計算；2）最高定位精度可達(dá)0.5m；3)定位節(jié)點響應(yīng)時間少于40μs；4）定位區(qū)域為64m×64m；5）定位誤差小于3m；6）硬件定位計算，消耗非常少的CPU資源。無線定位引擎的工作過程見下圖。圖4.3無線定位引擎的原理框圖其它芯片簡要說明S3C2440A三星ARM9微處理器，速度快，功耗低，適合做手持設(shè)備；LMS1587為低壓差3.3V輸出穩(wěn)壓IC；參考節(jié)點設(shè)計由于CC2430/CC2431幾乎將所有功能集成于一身，只要很少的外部元件便可以正常工作，因此大大簡化了硬件設(shè)計。參考節(jié)點的原理圖如下圖所示?？梢娬麄€電路設(shè)計非常簡潔明了。圖4.4定位節(jié)點原理圖定位節(jié)點設(shè)計參考節(jié)點的硬件電路和定位節(jié)點的硬件電路基本上是一樣的，唯一不同的就是其中使用的芯片是CC2431而不是CC2430。另外，由于運行的軟件不同，參考節(jié)點與定位節(jié)點執(zhí)行的功能是不同的。定位節(jié)點的電路可以參考一下參考節(jié)點的電路設(shè)計。網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件和參考節(jié)點以及定位節(jié)點的設(shè)計一樣，只是多了個串口與上位機(jī)通信。節(jié)點電源參考節(jié)點和定位節(jié)點均采用電池供電，但是電池會隨著使用時間的推遲而電壓下降，所以會對定位的精度產(chǎn)生影響，為了保證發(fā)射機(jī)的接收機(jī)的發(fā)射功率和接收功率基本保持穩(wěn)定，節(jié)點采用多節(jié)電池串聯(lián)后經(jīng)LM1587穩(wěn)壓到3.3V，電路如下圖所示。圖4.5參考及定位節(jié)點電源電路原理圖網(wǎng)關(guān)及上位機(jī)電源本系統(tǒng)將網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)安裝在一起，電源由專門設(shè)計的電源板供給，主芯片采用LT1511，部分電路如下圖所示。圖4.6上位機(jī)及網(wǎng)關(guān)電源電路原理圖系統(tǒng)軟件設(shè)計通信協(xié)議為了對ZigBee協(xié)議棧的運行情況進(jìn)行監(jiān)視和一般的通信，協(xié)議棧中特別加入了MT模塊，可以通過條件編譯選擇是否加入該功能模塊，模塊與上位機(jī)之間的通信采用串口通信，為了保證數(shù)據(jù)的正確性，協(xié)議棧在通信中加入了一個簡單的協(xié)議，只有按照這種協(xié)議進(jìn)行通信才能被協(xié)議棧識別，下面就通過兩幀數(shù)據(jù)來簡單的介紹一下通信協(xié)議的幀格式，這兩幀數(shù)據(jù)分別為上位發(fā)送的接收，如下所示。發(fā)送(12byte)：0x02,0x00,0x18,0x07,0xCB,0xFF,0xFF,0xCA,0x17,0x00,0x00,0x09。表5.1上位機(jī)發(fā)送（即下位機(jī)接收）數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)說明0x02幀頭（1Byte）0x0018命令（2Bytes）0x07數(shù)據(jù)長度（1Byte，該字節(jié)至校驗碼之間的字節(jié)數(shù)，其中不包括他們本身）0xcb目的終端號（1Byte）0xffff發(fā)送形式（2Bytes，如目的地址）0xca源終端號（1Byte）0x0017簇號（2Bytes）0x00數(shù)據(jù)長度（1Byte，該字節(jié)至校驗碼之間的字節(jié)數(shù)，其中不包括他們本身）0x09校驗碼（1Byte，幀頭至校驗碼之間的所有字節(jié)的異或和，其中不包括幀頭和校驗碼本身）接收(48byte)：0x02,0x10,0x18,0x0B,0xCB,0xF5,0x50,0xD2,0x15,0x00,0x04,0x50,0x00,0x54,0x00,0xAA。表5.2上位機(jī)接收（即下位機(jī)發(fā)送）數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)說明0x02幀頭（1Byte）0x1018命令（2Bytes）0x0b數(shù)據(jù)長度（1Byte，該字節(jié)至驗碼之間的字節(jié)數(shù)，其中不包括他們本身）0xcb目的終端號（1Byte）0x20f5發(fā)送形式（2Bytes，如目的地址）0xd2源終端號（1Byte）0x0015簇號（2Bytes）0x04數(shù)據(jù)長度（1Byte，該字節(jié)至校驗碼之間的字節(jié)數(shù)，其中不包括他們本身）0x0050,0x0054數(shù)據(jù)域(nBytes字節(jié)數(shù)由數(shù)據(jù)長度域決定)0xaa校驗碼（1Byte，幀頭至校驗碼之間的所有字節(jié)的異或和，其中不包括幀頭和校驗碼本身）軟件大體上可以分為下位機(jī)軟件設(shè)計和上位機(jī)軟件設(shè)計兩個主要部分：下位機(jī)軟件借助于ZigBee2006協(xié)議棧，在強(qiáng)大的IAR集成開發(fā)環(huán)境支持下，可以很輕松實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，然后我們編寫基于ZigBee2006協(xié)議棧的應(yīng)用層程序，就可以實現(xiàn)節(jié)點定位，數(shù)據(jù)傳輸，而且還可以擴(kuò)展更多的功能。上位機(jī)軟件上位機(jī)軟件也是本系統(tǒng)的一個重點，本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件屬于嵌入式上位機(jī)，程序運行在WindosCE環(huán)境下，它包括用戶、數(shù)據(jù)通信、管理等等。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。下位機(jī)軟件設(shè)計定位節(jié)點定位節(jié)點要實現(xiàn)如下一些主要的功能：自動入網(wǎng)離網(wǎng)，無線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能；控制參考節(jié)點多次收集與定位節(jié)點通信時的信號強(qiáng)度值的功能；控制參考節(jié)點計算多次收集定位節(jié)點信號強(qiáng)度值的平均值并發(fā)送給定位節(jié)點的功能；被協(xié)調(diào)器空中動態(tài)配置標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的功能；掉電后標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)信息不丟失的功能；計算和發(fā)送X，Y坐標(biāo)的功能；發(fā)送定位節(jié)點編號的功能；一般還具由路由的功能；還可加入擴(kuò)展功能如：現(xiàn)場溫度，溫度采集等。定位節(jié)點的程序原理框圖如下圖所示。圖5.1定位節(jié)點程序流程圖參考節(jié)點參考節(jié)點要實現(xiàn)如下一些主要的功能：自動入網(wǎng)離網(wǎng)，無線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能；多次收集和定位節(jié)點通信時的信號強(qiáng)度值的功能；計算多次收集定位節(jié)點的信號強(qiáng)度平均值的功能；被協(xié)調(diào)器空中配置X，Y坐標(biāo)的功能；掉電后X，Y坐標(biāo)信息不丟失的功能；發(fā)送X，Y坐標(biāo)和信號強(qiáng)度平均值的功能；還應(yīng)該具備路由的功能。除此之外，我們還可以在參考節(jié)點上增加一些傳感器，來監(jiān)測礦井中復(fù)雜多變的環(huán)境狀況，從而擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。參考節(jié)點的程序原理框圖如下圖所示。圖5.2參考節(jié)點程序流程圖網(wǎng)關(guān)節(jié)點網(wǎng)關(guān)節(jié)點應(yīng)實現(xiàn)如下一些主要的功能：建立網(wǎng)絡(luò)、無線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能；上位機(jī)通信的功能；計算效驗的功能；轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)數(shù)據(jù)配置參考節(jié)點、定位節(jié)點的功能；轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)數(shù)據(jù)請求參考節(jié)點、定位節(jié)點配置的功能；轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)數(shù)據(jù)請求定位節(jié)點坐標(biāo)的功能。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的程序流程圖如圖5.3所示。圖5.3網(wǎng)關(guān)節(jié)點程序流程圖上位機(jī)軟件設(shè)計本嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺采用嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE5.0，利用PlatformBuilder進(jìn)行WindowsCE.net內(nèi)核定制、利用EVC進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，WindowsCE在快速建立智能移動和小內(nèi)存占用的設(shè)備方面提供了一個健壯的實時操作系統(tǒng)，具備完整的操作系統(tǒng)特性集包和端對端開發(fā)環(huán)境，非常適合本系統(tǒng)的軟件平臺。上位機(jī)是整個系統(tǒng)與人進(jìn)行交互的接口，所有的實用功能都通過上位機(jī)來實現(xiàn)，上位機(jī)的資源配置比較豐富，性能較高，軟件設(shè)計相對復(fù)雜，功能也比較多。軟件設(shè)計應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：登陸系統(tǒng)的權(quán)限控制并不是任何人都可以登錄系統(tǒng)，而是有不同級別的權(quán)限的。登陸權(quán)限針對管理階層的人員設(shè)計。當(dāng)要進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行查詢時，各人根據(jù)自己的射頻卡號、用戶名、設(shè)定的查詢密碼可以進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行查詢。最高級的管理人員可以適時更改系統(tǒng)的某些設(shè)置，如：更改員工資料等。其它如礦長的權(quán)限僅限于瀏覽本礦入井人員的下井記錄情況等，但是無權(quán)更改員工的信息。在登陸界面中將顯示詳細(xì)的登陸時間、日期，跟蹤定位系統(tǒng)總運行時間，其次登陸人員可以點擊界面的進(jìn)入按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)權(quán)限范圍內(nèi)的查詢、當(dāng)然也可以點擊界面的退出按鈕退出。此外，軟件還可以提供系統(tǒng)設(shè)置、信息錄入、信息查詢等菜單。考勤系統(tǒng)對井下人員的出入井時間進(jìn)行記錄及顯示，以用于考勤。在軟件中設(shè)計考勤表，便于礦領(lǐng)導(dǎo)隨時方便、快捷的了解入井人員的考勤情況。可以在界面欄內(nèi)輸入任意存在的日期查詢?nèi)我馊刖藛T的信息，如入井人員的入井日期，其編號、姓名、射頻卡號、工種、單位、班次、入井類別，入井的具體時間、出井時間等詳細(xì)的信息。這樣的考勤表單能有效的解決傳統(tǒng)的靠人工記錄人員入井情況帶來的假公濟(jì)私、公報私仇等一系列的不便，可以公正、客觀、方便、快捷、高效率、科學(xué)的記錄入井人員的考勤情況。定位適時查詢時，計算機(jī)屏幕顯示當(dāng)前時刻井下總?cè)藬?shù)及井下人員分布（按網(wǎng)關(guān)所在區(qū)域）情況，系統(tǒng)只限有權(quán)限的相關(guān)管理人員可以適時查詢，了解井下人員的分布情況。查詢對某一持卡人自入井始在井下活動至升井全過程進(jìn)行跟蹤查詢，以考核該人工作；也可以在特定情況下查詢此人在系統(tǒng)中最晚出現(xiàn)時間及地區(qū)，以便查找。在發(fā)生緊急情況時，可迅速檢索井下人員所在位置，以便減少傷亡損失。為充分發(fā)揮系統(tǒng)在人員救援中的作用，可以專門設(shè)計一個搜索功能，可以進(jìn)行組合搜索。進(jìn)行全方位的查詢。聯(lián)網(wǎng)查詢在權(quán)限范圍之內(nèi)的用戶可以通過本地局域網(wǎng)或因特網(wǎng)，在該網(wǎng)上任何一臺有相應(yīng)權(quán)限的計算機(jī)上自由查詢?nèi)我馊刖藛T的詳細(xì)資料，如查詢這些信：入井人員編號、姓名、性別、出生日期、射頻卡號、血型、工種、單位、入井類別、圖片等。綜合報表打印系統(tǒng)可按統(tǒng)日期（日、月）對礦井人員按礦領(lǐng)導(dǎo)、管理人員、區(qū)隊長（分單位）、工人（分單位）綜合打印下井次數(shù)，每次入、升井時間，井下工作時間等內(nèi)容報表。系統(tǒng)復(fù)用，保護(hù)原有投資，功能擴(kuò)展人員跟蹤定位系統(tǒng)可以和原有的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)共網(wǎng)復(fù)用，減少投資也可以在人員跟蹤定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中加設(shè)瓦斯、環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測功能，構(gòu)成多功能的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。甚至還可以加入壓縮語音或短信傳輸來獲得更多功能?？偭鞒虉D開始開始系統(tǒng)初始化創(chuàng)建ZB通信線程創(chuàng)建按鍵線程ZB通信事件事件處理按鍵事件按鍵處理定時事件定時事件處理消息循環(huán)消息循環(huán)圖5.4嵌入式上位機(jī)流程圖定時事件流程圖開始開始發(fā)送參考節(jié)點配置請求命令連接是否正常參考節(jié)點列表為空目標(biāo)節(jié)點列表為空發(fā)送目標(biāo)節(jié)點配置請求命令更改參考節(jié)點請求超時時間更改目標(biāo)節(jié)點請求超時時間PingZigBee網(wǎng)關(guān)通信線程不在運行參考節(jié)點列表非空是否有參考節(jié)點配置請求命令發(fā)送顯示當(dāng)前節(jié)點響應(yīng)為“成功”收到應(yīng)答查詢下一節(jié)點顯示當(dāng)前節(jié)點響應(yīng)為“超時”是否超時重新發(fā)送命令123NNNNYYYY顯示當(dāng)前節(jié)點響應(yīng)為“顯示當(dāng)前節(jié)點響應(yīng)為“成功”查詢完畢目標(biāo)節(jié)點列表為空123是否有目標(biāo)節(jié)點配置請求命令發(fā)送收到應(yīng)答查詢下一節(jié)點顯示當(dāng)前節(jié)點響應(yīng)為“超時”是否超時重新發(fā)送命令查詢完畢返回NNNNNYYYY圖5.5嵌入式上位機(jī)定時事件處理流程圖ZB通信事件流程圖由于通信事件處理事件分支較多，比較復(fù)雜，在這里只是簡單畫出主要步驟。開始開始校驗是否通過返回命令解析復(fù)位響應(yīng)提取消息系統(tǒng)命令用戶命令系統(tǒng)ping響應(yīng)盲節(jié)點發(fā)現(xiàn)應(yīng)答盲節(jié)點配置參考節(jié)點配置相應(yīng)處理相應(yīng)處理相應(yīng)處理相應(yīng)處理相應(yīng)處理無新消息接收置消息處理中標(biāo)志位清零消息處理中標(biāo)志位YNYN圖5.4嵌入式上位機(jī)通信事件處理簡要流程圖按鍵事件處理流程圖鍵盤是通過一個Mega8的AVR單片機(jī)掃描后直接把鍵值通過串口發(fā)送給上位機(jī)的串口1，按鍵事件處理比較多，這里只簡單的畫一下開始開始校驗是否通過返回狀態(tài)判斷主界面狀態(tài)設(shè)置狀態(tài)根據(jù)鍵值相應(yīng)處理根據(jù)鍵值相應(yīng)處理YN圖5.6嵌入式上位機(jī)按鍵事件處理簡要流程圖系統(tǒng)調(diào)試使用的軟件協(xié)議棧開發(fā)與調(diào)試軟件：IAR7.2H（不能開發(fā)V1.4.3以后的版本）或IAR7.3B協(xié)議棧監(jiān)視工具：Z-Tool2.0（還需Framework.NET2.0及更高版本的支持）程序下載軟件：SmartRFFlashProgrammerIEEE地址修改軟件：IEEEAddressProgrammer定位PC上位機(jī)軟件：Z-LocationEngine[1]定位數(shù)據(jù)監(jiān)視軟件：LEMonitor串口調(diào)試助手：sscom32串口監(jiān)視軟件：PCommMonitor32上位機(jī)開發(fā)軟件：EVC4.2或者VS2005或者VS2008WinCE內(nèi)核定制軟件：PlatformBuilder5.0以上是主要用到的幾個軟件，要想把整個開發(fā)過程弄完，還有很多相關(guān)軟件，在這里就不再一一介紹，總之，這是一個相對比較繁瑣和復(fù)雜的過程。調(diào)試開發(fā)過程及截圖PC調(diào)試過程所有實質(zhì)性的工作就是從ZigBee協(xié)議棧代碼調(diào)試開始的，下面就是其中的個畫面截圖，圖中箭頭所指的綠色代碼即為ZigBee協(xié)議棧執(zhí)行的第一行代碼，也即整個協(xié)議棧入口[4]。圖6.1IAR編譯環(huán)境下ZigBee簡易定位系統(tǒng)軟件仿真調(diào)試截圖下圖所示是LEMonitor+IAR的調(diào)試過程，圖中央的對話框為定位節(jié)點的參數(shù)配置：DestAddr為要進(jìn)行配置的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址；A為1米內(nèi)信號強(qiáng)度值；N為一米以外的信號衰減值；OperatingMode為操作模式，1為自動模式，0為手動模式；CollectTime為每次信號強(qiáng)度收集的時間；CycleTime在操作模式為1時才起作用，即為自動定位的周期；ShortAddress為定位節(jié)點計算好坐標(biāo)后所要發(fā)給的對象；ResponseEndPoint為定位應(yīng)用的終端號；MinRefNodes為定位所需要的最少參考節(jié)點個數(shù)，值越大，所得到的位置越精確，但要視實際情況而定。圖6.2LEMonitor+IAR編譯環(huán)境下ZigBee簡易定位系統(tǒng)軟件仿真調(diào)試截圖下圖為Z-LocationEngine，的運行截圖，圖中四個黃色的園點為參考節(jié)點，藍(lán)色為定位節(jié)點，參考節(jié)點的位置是與實際的擺放位置是相對應(yīng)的，需要設(shè)置坐標(biāo)，定位節(jié)點的位置就可以通過這些參數(shù)節(jié)點的坐標(biāo)及所收集到的信號強(qiáng)度來確定。圖6.3定位系統(tǒng)PC上位機(jī)(Z-LocationEngine)截圖1下圖與上圖不一樣的是，上圖的選項卡顯示的是參考節(jié)點的列表及配置參數(shù)，下圖的選項卡中顯示的是定位節(jié)點列表及配置參數(shù)，具體參數(shù)在圖6.2中已經(jīng)做過介紹。圖6.4定位系統(tǒng)PC上位機(jī)(Z-LocationEngine)截圖2嵌入式上位機(jī)調(diào)試過程圖6.5、6.6、6.7為嵌入式上位機(jī)演示中所拍的照，從圖中可以看到左邊有一個黑色背景窗口，窗口中有四個黃色的圓點，在他們的旁邊還有兩行數(shù)字，其中第一行為該點的網(wǎng)絡(luò)地址，第二行為該點所在的參考坐標(biāo)，所謂參考坐標(biāo)，即在人為所建的坐標(biāo)系中的相對位置，跟GPS定位中的絕對坐標(biāo)是有區(qū)別的，從另一種角度上說，GPS的坐標(biāo)也只是一個相對地球的絕對坐標(biāo)，相對宇宙的參考坐標(biāo)。圖中綠色圓點為定位節(jié)點，同樣也有兩行數(shù)字，第一行為該節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地點，第二行為坐標(biāo)位置，所不同的是，參考節(jié)點的坐標(biāo)是根據(jù)參考節(jié)點的擺放位置所設(shè)定的坐標(biāo)，而定位節(jié)點的坐標(biāo)是定位節(jié)點根據(jù)所收集到的參考節(jié)點參考坐標(biāo)及平均信號強(qiáng)度（定位節(jié)點吹向參考節(jié)點的信號強(qiáng)度的平均值）計算而得到的坐標(biāo)。從下面三幅圖中就可以看出，四個黃色的參考節(jié)點的位置沒有發(fā)生變化，只有其中綠色的節(jié)點發(fā)生了變化，也即定位節(jié)點發(fā)生了移動。圖中右邊為定位節(jié)點（即盲節(jié)點）信息和參考節(jié)點信息列表。圖6.5定位系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)定位演示截圖1圖6.6定位系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)定位演示截圖2圖6.7定位系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)定位演示截圖3下圖所示為定位節(jié)點參數(shù)設(shè)置，在右邊的目標(biāo)節(jié)點信息列表中選中要進(jìn)行設(shè)置的節(jié)點然后按確定即會彈出如下圖所示的對話框，設(shè)置好后按確定就會把設(shè)置好的參數(shù)按照5.1節(jié)的通信協(xié)議發(fā)送給協(xié)調(diào)器，與圖6.2相似，圖中節(jié)點ID號為要進(jìn)行配置的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址；A為1米內(nèi)信號強(qiáng)度值；N為一米以外的信號衰減值；模式為操作模式，1為自動模式，0為手動模式；收集時間為每次信號強(qiáng)度收集的時間；循環(huán)周期在操作模式為1時才起作用，即為自動定位的周期；回傳地址為定位節(jié)點計算好坐標(biāo)后所要發(fā)給的對象；應(yīng)答終端號為定位應(yīng)用的終端號；最小節(jié)點數(shù)為定位所需要的最少參考節(jié)點個數(shù)，值越大，所得到的位置越精確，但要視實際情況而定。圖6.8定位系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)定位演示截圖4：定位節(jié)點參數(shù)設(shè)置下圖所示為參考節(jié)點參數(shù)設(shè)置，圖中參考節(jié)點ID號為要進(jìn)行設(shè)置的參考節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址；節(jié)點X坐標(biāo)為參考節(jié)點的X軸參考坐標(biāo)；節(jié)點Y坐標(biāo)為參考節(jié)點的Y軸參考坐標(biāo)。圖6.9定位系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)定位演示截圖5：參考節(jié)點設(shè)置下圖a為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，分別為串口設(shè)置，定位設(shè)置和系統(tǒng)設(shè)置。b為串口設(shè)置，其中COM1用于與網(wǎng)關(guān)通信，COM2用于鍵盤通信。a)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置b)通信商品設(shè)置圖6.10定位系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)定位演示截圖6下圖a為定位參數(shù)設(shè)置，分別為參考節(jié)點配置請求時間周期、參考節(jié)點配置請求超時時間和目標(biāo)節(jié)點配置請求超時時間。圖b為節(jié)點顯示列表，當(dāng)有節(jié)點加入時就會在相應(yīng)的列表中顯示出來，目標(biāo)節(jié)點信息欄中所列出的為當(dāng)前入網(wǎng)的目標(biāo)節(jié)點，并可以對節(jié)點進(jìn)行“查看”或“編輯”。目標(biāo)ID為定位節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，狀態(tài)“正?！北硎竟?jié)點還在網(wǎng)絡(luò)中，并可以進(jìn)行正常通信，信號為當(dāng)前的信號強(qiáng)度值。X為當(dāng)前的X坐標(biāo)，Y為當(dāng)前的Y坐標(biāo)；參考節(jié)點信息欄中列出的為當(dāng)前入網(wǎng)的參考節(jié)點，同樣可以進(jìn)行“查看”或者“編輯”。狀態(tài)“丟失”表示在設(shè)定的“參考節(jié)點配置請求超時時間”內(nèi)沒有收到該節(jié)點的配置信息，從而認(rèn)為該節(jié)點脫離了網(wǎng)絡(luò)。a)定位參數(shù)設(shè)置b)節(jié)點顯示列表圖6.11定位系統(tǒng)嵌入式上位機(jī)定位演示截圖7技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)具體實施的技術(shù)路線ZigBee2006協(xié)議棧驗證在開發(fā)套件的支持下，熟悉ZigBee2006協(xié)議棧，了解其各層層次結(jié)構(gòu)與運行原理，了解其應(yīng)用層結(jié)構(gòu)與原理，熟悉運用應(yīng)用層API函數(shù)，了解ZigBeeProtile原理。對ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用例子進(jìn)行學(xué)習(xí)，并嘗試編寫自己的應(yīng)用程序，以期實現(xiàn)對ZigBee2006協(xié)議棧的全面掌握。建立單個ZigBee網(wǎng)絡(luò)ZigBee定位節(jié)點必須在網(wǎng)絡(luò)中才能實現(xiàn)定位功能，因此，首先應(yīng)能夠建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)掌握ZigBee網(wǎng)絡(luò)的性能特點，掌握ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基本功能和應(yīng)用，如數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備發(fā)現(xiàn)，綁定等。在此基礎(chǔ)上重點實現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的定位。及時發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，做到對ZigBee定位性能心中有數(shù)，熟悉其在定位方面的特征參數(shù)。多ZigBee網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信實現(xiàn)在單ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，逐步實現(xiàn)多ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位。設(shè)計通信電路，編寫通信協(xié)議從而實現(xiàn)軟件支持。在此過程中，要對通信方案的可靠性進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)問題，要及時修改方案。這里存在的主要難點就是通信協(xié)議和軟件支持，基于協(xié)議棧實現(xiàn)此功能將是一個不小的挑戰(zhàn)。在這里要了解實際要求和設(shè)計上存在的不足之處，從而為今后的改進(jìn)提供依據(jù)。多ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位實現(xiàn)在多機(jī)實現(xiàn)可靠通信的基礎(chǔ)上，重點研究多ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位的實現(xiàn)。這里需要考慮的問題有：網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間的協(xié)調(diào)配合如何實現(xiàn)；所有的節(jié)點地址如何分配；如何在多網(wǎng)絡(luò)中查找目的定位節(jié)點；定位節(jié)點從一個網(wǎng)絡(luò)跨入另一個網(wǎng)絡(luò)，這之間的狀態(tài)變化如何有效處理；網(wǎng)絡(luò)的管理能力和反應(yīng)能力究竟在什么樣的程度，是否能夠滿足要求及如何改進(jìn)等。上位機(jī)軟件設(shè)計與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)在基本工作完成之后，對系統(tǒng)功能實現(xiàn)和擴(kuò)展上就落在上軟件設(shè)計上，特別是上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件包含的項目和功能比較多，要采取分層設(shè)計，模塊化設(shè)計的思想，從易到難，逐步實現(xiàn)各功能模塊。在整個設(shè)計過程中要特別注意的就是可靠性設(shè)計和軟件實用性，要反復(fù)測試，盡可能全面地檢測軟件的功能以及隱含的問題。現(xiàn)場測試與系統(tǒng)完善在設(shè)計的最后階段，要將系統(tǒng)置于實際環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場測試。以發(fā)現(xiàn)實驗室條件無法預(yù)測的問題。通過反復(fù)測試和改進(jìn)，從而對系統(tǒng)進(jìn)行完善。系統(tǒng)設(shè)計中的難點ZigBee網(wǎng)絡(luò)調(diào)試比較困難由于沒有專門的ZigBee網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備，在軟件設(shè)計過程中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)不好掌握，運行結(jié)果的檢查和新功能的驗證都比較困難，這樣就對設(shè)計進(jìn)程產(chǎn)生一定程度的影響。目前的方法是除了采用協(xié)議棧自身提供的監(jiān)控功能外，還可以借助仿真調(diào)試，編寫特定的代碼產(chǎn)生輸出，這在一定程序上可以滿足設(shè)計開發(fā)的需要。定位節(jié)點的跨網(wǎng)絡(luò)管理定位節(jié)點的基本功能是實現(xiàn)定位，然而在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，定位節(jié)點會在不同的網(wǎng)絡(luò)之間游動，那么節(jié)點就要脫離原網(wǎng)絡(luò)，加入新網(wǎng)絡(luò)，這就會引起兩個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)都發(fā)生變化，如何捕捉這之間的變化并加以處理和進(jìn)行相關(guān)記錄，都是需要研究的問題。另外上位機(jī)軟件要能夠隨時查詢定位節(jié)點當(dāng)前的位置和狀態(tài)，這就要求上位機(jī)軟件能夠及時與ZigBee網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSS直接序列擴(kuò)頻（DSSS，Directseqcuencespreadspectrum）是直接利用具有高碼率的擴(kuò)頻碼系列采用各種調(diào)制方式在發(fā)端與擴(kuò)展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序去進(jìn)行解碼，把擴(kuò)展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息[7]。這種技術(shù)顯著的優(yōu)點是整機(jī)倍噪比很高，抗干擾能力和抗多徑干擾能力強(qiáng)[11]。動態(tài)組網(wǎng)由于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)多變，網(wǎng)絡(luò)的可靠性值得考慮，由于電池消耗和故障等原因，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可能隨時離開網(wǎng)絡(luò)，同時可能有新的結(jié)點加入，因而要求網(wǎng)絡(luò)能夠動態(tài)處理這些問題。而ZigBee具有自動組網(wǎng)能力，可以有效保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)的健壯性。低功耗設(shè)計由于系統(tǒng)應(yīng)用條件苛刻，連續(xù)工作時間長，因此系統(tǒng)的低功耗設(shè)計顯得非常重要。主要就體現(xiàn)在移動節(jié)點上。采用高集成度SOC芯片CC2430/CC2431，大大簡化了外圍設(shè)備，同時芯片的低功耗設(shè)計也能夠滿足設(shè)計要求。除在電路設(shè)計上降低功耗外，在軟件設(shè)計上，可以通過在空閑狀態(tài)進(jìn)入睡眠模式來延長節(jié)點續(xù)航時間?？偨Y(jié)我的畢業(yè)設(shè)計是在國家科技支撐計劃專題《便攜式井下人員精確定位裝置》項目的一部分，從一開始接到這個項目起，我就從零開始研究ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其定位部分，在周老師的大力支持和幫助下，取得了很多進(jìn)步，得到了硬件和軟件方面的支持。在研究學(xué)習(xí)的過程，對ZigBee2006協(xié)議棧有了一個比較深刻的認(rèn)識，并且能夠在些基礎(chǔ)上進(jìn)行刪改及增加自己的應(yīng)用，對ZigBee開發(fā)過程中的各種大小軟件有了一個很好的了解，面對來自國外的全英文軟件，全英文資料我并沒有被嚇到，而是勇往直前，這一個學(xué)習(xí)和研究的過程讓我學(xué)到了不少東西，見識了很多新東西，新的思想，更重要的是學(xué)到了一種適合自己的學(xué)習(xí)方法。實驗中發(fā)現(xiàn)，ZigBee簡易定位系統(tǒng)的定位精度在1米左右（由于實際情況，節(jié)點數(shù)不是非常多），基本滿足要求，但是穩(wěn)定性和響應(yīng)速度還不是非常理想，是以后需要改進(jìn)和完善的地方。在技術(shù)路線的實施上，已經(jīng)完成前兩步的工作，當(dāng)前主要的工作是解決通信問題，實現(xiàn)聯(lián)機(jī)通信和多ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位。以后要完成的工作包括上位機(jī)軟件設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)這幾個主要的環(huán)節(jié)。無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位是當(dāng)前嵌入式設(shè)備的一個全新發(fā)展方向。本設(shè)計以CC2430/CC2431為基礎(chǔ)，建立無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)定位。實驗表明定位精度在1米以內(nèi)，室內(nèi)定位效果比較理想，基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，證實了ZigBee應(yīng)用的有效性，也說明了ZigBee的廣泛應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。當(dāng)前煤礦產(chǎn)業(yè)安全形勢嚴(yán)峻，安全監(jiān)測技術(shù)迫切需要技術(shù)更新。本設(shè)計從礦井人員及設(shè)備定位入手，可以提高管理效率，減少災(zāi)害發(fā)生時的人員傷亡和財產(chǎn)損失。在技術(shù)上具有先進(jìn)性，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。另外通過對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展升級，本系統(tǒng)可以在較少投入的條件下，實現(xiàn)更多功能，發(fā)揮系統(tǒng)的更多優(yōu)越性能。致謝大學(xué)四年來，身邊一直有同學(xué)照顧，老師幫助，家人鼓勵。在這里，我向每一位照顧、幫助和鼓勵我的人表示感謝。自從大一開始自學(xué)單片機(jī)以來，我的大學(xué)生活就發(fā)生了巨大的變化，自從大二那年進(jìn)入到實驗室以來，我的大學(xué)生活更是天翻地覆。周圍都是些高手，他們的高水平讓我感到望塵莫及，給了我很大的壓力，正是這股壓力也成了我前進(jìn)的動力。前輩們一直幫助著我，盡管他們走了，不管他們能否聽見，但我仍然要說聲：“謝謝?！备拜厒冋f謝謝，可能他們聽不到，但是現(xiàn)在謝謝的這位是肯定聽得見的，那就是我的偶相――周明輝老師。一位年輕有為的老師，一直是我學(xué)習(xí)的榜樣。我沒有什么華麗的辭藻來形容，我也沒有什么東西拿來表示感謝，我只有一顆真誠的心，只能把這種感謝之情藏在我的心里，努力做我該做的事，做我能做的事情，然后輕輕的說一聲：“謝謝?！边€有很多老師也一直幫助著我，關(guān)心著我，包括任課老師，學(xué)工辦的輔導(dǎo)員老師們以及領(lǐng)導(dǎo)們，我也只能跟您們輕輕的說聲：“謝謝。”整個實驗室就是一個大家庭，兄弟姐妹們這么久以來，大家都相互幫助，相互關(guān)心，大家努力的學(xué)習(xí)，認(rèn)真的工作。平時接觸最多，說話最多的人也是你們，咱們朝夕相處，大家一起吃飯，一起討論問題，我想對這里面的每一個人輕輕的說一聲：“謝謝?！睂嬍业男值軅?，不知道你們有沒有因為每天半夜里有人還在那里悉悉索索而感到討厭呢？要是真有，你們還是埋在心里不要說吧，呵呵。三年多來，寢室就像我的一間客棧，雖然每天都回去，但有時候會有好幾天都見不到你們，這也許是我的錯，這里我向你們說聲對不起。我感謝寢室的每一個人，感謝你們幫我看著東西卻沒有向收取保護(hù)費，特別要感謝睡在我上鋪的兄弟，謝謝你幫我疊被子，以后有機(jī)我也幫你疊。在這里，我也向你們輕輕的說一聲：“謝謝。”電子二班的所有兄弟姐妹們，這么多年以來一直幫助著我，是你們讓我感覺從一個家里出去來又來到了別外一個家，也要對大家輕輕的說一聲：“謝謝?！蔽业男值芙忝脗?，我的好朋友們，及各界關(guān)心我的人，當(dāng)然我的生活離不了你們，沒了你們我的生活就不完整，在家靠父母，出門靠朋友，靠了你們這么多年，你們沒