武漢理工大學碩士學位論文摘要本文目標為實現一個基于ZIGBEE無線定位跟蹤系統的設計，以ZIGBEE技術和無線定位技術為基礎，進行系統硬件和軟件的設計與開發。重點實現三個功能，一為節點間數據的傳輸，二為無線網絡的自組織，三為網絡覆蓋范圍內節點的定位。文章在介紹了課題的內容和背景后，提出了系統的架構，即實現方式，包括芯片的對比與選擇，硬件以及軟件的實現方式。信息的采集方式上，引入了USB接口，除了PC機外，也可方便連接到具有USBOTG功能的手持設備上，極大地擴展了系統的應用范圍。在軟件方面，采用分層、模塊化的實現方式，提高了軟件的可移植性和軟件管理的方便性。在硬件的詳細實現上，對比了當前市場上支持IEEE802154協議的主流解決方案，從集成度、成本、軟硬件資源以及兼容性上進行了全方面對比，最終選擇CC2430和CC2431作為本系統的節點主控芯片。設計天線時，在分析了無線傳感器網絡所需天線特點的基礎上，系統最終采用單極天線，并研究了單極天線的性能及優缺點。網關引入USB接口時采用USB從芯片CY7C68013，并通過通用編程接口與節點主芯片通信。給出了PCB設計所要遵循的規則，最后說明了硬件系統的調試流程及方法。在軟件的詳細實現上，從物理層、MAC層、網絡層、應該層四個層面分析了ZIGBEE無線傳感器網絡協議棧，以及TI的ZIGBEE2006編程框架的使用方法。分析了串口與USB通信的實現流程和編程方法，特別是USB接口，給出了應該程序給無線節點發送命令和數據的方法。最后進行了無線定位算法的分析與實現，介紹了無線定位的基本原理和當前世界上常用的定位算法，并詳細說明了在CC2431的基礎上實現基于RSSI的無線定位流程。最后是總結與展望，任何技術都是不斷向前發展的，本文所設計的系統在性能也有很多可以提高的地方，在硬件設備的功耗上、信道帶寬上，定位的方法、精度和速度上，網絡的架構形式上，接口的豐富程度上等。關鍵詞ZIGBEE，無線定位，USB，CC2431武漢理工大學碩士學位論文ABSTRACTTHEPAPERISTODESIGNANDIMPLEMENTAWIRELESSLOCATIONANDTRACKINGSYSTEM，INWHICHHARDWAREANDSOFTWAREAREALLRESEARCHEDANDDESIGNED，BASEDONTHETECHNOLOGYOFZIGBEEANDWIRELESSLOCATIONTHREEPOINTSTHESYSTEMSHOULDBEGET，ONEISDATATRANSFERAMONGNODE，SECONDPOINTISSELFESTABLISHMENTOFNETWORK,ANDTHEWIRELESS10CATIONFUNCTIONOVERALLTHENETWORKAFTERINTRODUCETHECONTENTANDBACKGROUNDOFTHEPAPER,THEARCHITECTUREISBROUGHTFORWARD，INCLUDINGCOMPARINGANDSELECTIONOFIC，IMPLEMENTMETHODOFHARDWAREANDSOFTWAREINCOLLECTINGINFORMATION，USBPORTISINTRODUCED，BESIDEPC，ANYPORTABLEDEVICETHATHAVEUSBOTGFUNCTIONCANBECONNECTEDTOTHEGATENODE，WHICHGREATLYEXTENDTHESCOPEOFAPPLICATIONFORSOFTWAREDESIGN，LAYEREDANDMODULEMETHODISUSED，THATMAKESTHESOFTWAREEASIERTOMIGRATEANDMANAGEWHENCOMETODETAILIMPLEMENTATIONOFHARDWARE，AFTERCOMPARINGMOSTSOLUTIONSINTHEMARKETTHATSUPPORTIEEE802154，FROMINTEGRATION，COST，SOURCEOFHARDWAREANDSOFTWARE，ASWELL鶴COMPATIBILITYFINALLYCC2430ANDCC2431ARECHOSENASMAINNODEICMONOPOLEANTENNAISUSEDAFTERANALYZINGTHEFEATURESOFANTENNANEEDEDBYWIRELESSSENSORNETWORKS，ANDTHENANALYZEDTHEPERFORMANCE，ADVANTAGESANDDISADVANTAGESUSECY7C68013TOSUPPORTUSBPON，WHICHCOMMUNICATES謝TLLNODEICTHROUGHGPIETHERULESAREGIVENWHENGETPCBPROCESS，ANDFINALLYINTRODUCETHEFLOWANDMETHODOFDEBUGGINGHARDWARESYSTEMWHENCOMETODETAILIMPLEMENTATIONOFSOFTWARE，ZIGBEEPROTOCOLSTACKANDUSAGEOFI“ISZIGBEE2006PROGRAMMODELAREANALYZEDUARTANDUSBCOMMUNICATIONMETHODANDPROGRAMINTERFACEAREINTRODUCED，ESPECIALLYUSBPORT,METHODOFHOWTOSENDDATAANDCOMMANDTOWIRELESSNODEISGIVENTHENGETTHEPOINTOFHOWTOANALYZEANDIMPLEMENTWIRELESSLOCATIONALGORITHM，INTRODUCETHEFOUNDATIONPRINCIPLEOFLOCATIONANDCOMMONLOCATIONALGORITHM，ANDTHEFLOWOFLOCATIONUSINGCC2431SUMMARYANDPROSPECTISTHELASTITEMOFTHEPAPERANYTECHNOLOGYISALWAYS武漢理工大學碩士學位論文GOINGFORWARD，THEPERFORMANCEOFTHESYSTEMDESIGNINTHEPAPERCANDEFINITELYBEPROMOTED，SUCHASMETHODOFLOCATION，LOCATIONPRECISIONANDSPEED，ASWELLASNETWORKARCHITECTUREANDDIVERSITYOFCOMMUNICATIONPORTKEYWORDSZIGBEE，WIRELESSLOCATION，USB，CC2431III獨創性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名丞壘日期墨絲Z互學位論文使用授權書本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規定，即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的全部內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存或匯編本學位論文。同時授權經武漢理工大學認可的國家有關機構或論文數據庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息服務。研究生簽名求魚導師期沁F夕廠。【莎武漢理工大學碩士學位論文第1章引言11目的、背景和意義通過研究，了解無線傳感器網絡的架構，路由算法，定位算法，和通信協議。熟悉現有市場上無線傳感器網絡開發平臺及開發資源，多重參考并進行優化，開發出符合要求的無線定位跟蹤系統。無線傳感器網絡在數字家庭、無線控制、無線定位、無線通信、無線組網以及移動連接等方面都有著巨大的應用前景。如無線定位，在大型停車場的汽車管理，幼兒園的孩童管理，監獄的犯人管理等，都有方便而潛力巨大的應用【LJ。無線傳感器網絡主要用來監測網絡部署區域中各種環境參數，如溫度，濕度，聲強，壓力，光照，物體的運動速度或加速度，化學物質的濃度等，不同的特性可能需要不同的傳感器，但對這些傳感數據在不知道具體位置信息的情況下，往往是沒有意義的數據。也就是說，傳感器節點的位置信息在無線傳感器網絡的諸多應該領域中扮演著十分重要的角色。無線傳感器網絡的許多應用場合諸如水文，火災，潮汐，生態學研究，飛行器設計等課題中，采用無線傳感器網絡進行信息收集和處理，傳感節點主要發回所處位置的物理信息數據，如溫度，濕度，水位，風速，壓力等，這些數據必須和位置信息相捆綁才有意義甚至有時需要傳感器只是發回位置信劇2】【31。傳感器節點有可能是用飛機等工具隨機地部署到監測區域中的，因此無法事先確定節點都部署后的位置，只能在部署完成后采用一定的定位方法進行定位。目前最廣泛的定位系統當屬全球定位系統GPS，因此獲得節點位置的是直接想法就是利用GPS來實現。但由于其在價格，功耗，適用范圍以及體積等方面的制約使得很難完全應用于大規模無線傳感器網絡。此處在無線傳感器網絡的室內應用中，GPS會由于接收不到衛星信號而失效。特別是在戰爭環境下，GPS衛星系統很可能被損壞，軍方還可以局部區域內增加GPS干擾信號，使敵方利用GPS時定位精度嚴重降低，無法用于軍事行動。此外，在機器人研究領域，也有不少關于定位的研究，但所提出的一些算法一般不用關心計算復雜度問題，同時也有相應的硬件設備支持，所以也不適合于無線傳感器網絡。武漢理工大學碩士學位論文除此以外，節點位置信息還可以為其他協議層的設計提供幫助。在應用層上，節點位置信息對基于位置選擇服務的應用不可或缺。在通過匯聚多個傳感器節點的數據獲得能量保護方面，位置信息也非常重要。在網絡層，位置信息與傳輸距離的結合，使得基于地理位置的路由算法成為可能。研究表明，基于位置信息的路由策略能夠更加有效地能過多跳在無線傳感器網絡中傳播信息，這些典型協議包括NICULESCU提出的TBF路由算法，HE提出的SPEED實時通信協議和XU提出的能量有效路由方法。由此，如何確實無線傳感器網絡中節點的位置信息稱之為“節點定位”成為了必須解決的關鍵問題之一。所謂節點定位，即通過一定的技術，方法和手段獲取無線傳感器網絡節點的絕對或相對的位置信息的過程。由于節點硬件配置低，能量、計算存儲和通信能力有限，因此對節點定位提出了較大的挑戰。12無線傳感器網絡研究現狀傳感器網絡的研究起源于20世紀90年代末期。最早開始啟動傳感器網絡研究的是美國國防部和各軍事部門，美國陸軍在2001年就提出了“靈巧傳感器網絡通信計劃，近期又確立了“無人值守地面傳感器群項目，美國海軍最近也確立了“傳感器組網系統“研究項目。近年來，英特爾公司、微軟公司等信息工業界巨頭也開始了無線傳感器網絡方面的工作，將其列為新型的計算發展規劃中。美國所有著名院校幾乎都設立了研究小組從事傳感器網絡技術方面的研究，德國、加拿大、英國、芬蘭和意大利等國家的研究機構也都逐漸投入到傳感器網絡的研究中。國際上對傳感器網絡的研究雖然己取得一些初步性的成果，但仍然處于起步階段。近年來，我國各研究機構也開始積極開展傳感器網絡方面的研究工作，取得了初步性的進展。無線傳感器網絡以其獲取信息精度高、部署靈活性強、可靠性高、經濟性好等特點，在軍事偵察、環境監測、工農業控制與監視、智能家居、復雜機械監控、交通管理、醫療衛生、機場的監測與管理、以及空間探索等諸多領域具有非常廣闊的應用前景。它被列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一，并被稱為全球未來的三大高科技產業之一。無線傳感器網絡的核心支撐技術包括無線傳感器網絡的拓撲控制，節點定位，時間同步以及網內信息的處理。其中無線傳感器網絡的節點定位對無線傳2武漢理工大學碩士學位論文感器網絡的影響尤為重大。目前對于通過物理測量獲得節點之間距離或角度信息的定位算法，它的定位結果的精度在一定程度上依賴于物理測量本身的精度。幾種常見的測量技術包括到達時間TOA，TIMEOFARRIVAL，表達時間差TDOA,TIMEDIFFERENCEOFARRIVAL，到達角AO氣ANGLEOFARRIVAL，接收信號強度指示RSSI，RECEIVEDSIGNALSTRENGTHINDICATION等。1到達時間TOA，TIMEOFARRIVAL。在已知信號傳播速度的前提下，根據信號在兩個目標之間來回傳播的時間就可以估計出發送者和接收都之間的距離。TOA方法具有較高的測量精度，不過要求能夠比較精度的獲得發送都與接收都的響應和處理延遲，這種要求在距離較短時顯得尤為重要。使用TOA技術最典型的定位系統是GPS。由于節點的硬件尺寸、價格和功耗限制，使用TOA技術的定位方案不多。但隨著超寬帶技術的發展和其在無線傳感器網絡中的應用，使用TOA技術具有一定的前景。2表達時間差TDOA，TIMEDIFFERENCEOFARRIVAL。發送同時發送兩種不同的信號，一般采用射頻信號和超聲波信號，根據接收都接收到此兩種信號的時間差，進而將其轉化為距離。TDOA的測量精度一般要優于TOA，在無線傳感器網的研究中使用的較多。但是它要求節點同時具備接收兩種不同信號的能力，而且超聲波的傳播距離是非常有限的。3到達角AOAANGLEOFARRIVAL。利用陣列天線或多個超聲波接收器，得到信號到達的多個方向。基于ATA的定位，最大的缺點是對硬件的要求較高，而且像陣列天線或多個接收器實現和維護的代價也相當高，外界環境以及非視線路徑對其影響也較大。4接收信號強度指示RSSI，RECEIVEDSIGNALSTRENGTHINDICATION。這種方法是基于電磁波的發射和接收功率。發射功率是已知的，在接收端測量接收功率，計算傳播損耗，使用經驗或理念的信號傳播模型將傳播損耗轉化為實際距離。這項技術主要使用RF信號，使用這種方法的優點是實現比較簡單，成本較低，缺點是受環境溫度，多徑效應，NLOS等因素的影響較大。13本文的研究內容本文主題為基于ZIGBEE無線定位跟蹤系統的設計與實現，包括硬件的設計與實現和軟件的設計與實現。硬件設計包括硬件平臺的架設，無線芯片的選擇，網關芯片的選擇，原理圖設計及驗證，PCB設計等。軟件設計包括無線傳感器武漢理工大學碩士學位論文網絡中常用的定位方法研究，基于ZIGBEE的定位跟蹤系統軟件的架構，ZIGBEE協議的分析等。本文將USB接口集成到系統中，系統節點可方便連接到PC機或者具有USBOTG接口的手持設備上，大大提高了系統了應用范圍。14文章組織結構本文在分析了ZIGBEE無線傳感器理論的基礎上，提出基于ZIGBEE無線定位跟蹤系統的架構，根據架構設計符合要求的硬件和軟件平臺。第一章為引言，介紹了無線傳感器網絡及定位方法的研究現狀。對文章的背景意義及文章結構作了介紹。第二章系統架構。包括硬件架構和軟件架構。硬件架構包括硬件平臺的架設，無線芯片的選擇，網關芯片的選擇，原理圖及PCB設計。軟件架構包括系統所使用的網絡協議，無線定位算法，USB通信等。第三章硬件設計。給出了硬件實現的詳細設計。天線的分析與實現。原理圖設計和PCB設計。硬件系統調試流程和方法。第四章軟件設計。本章對節點的軟件系統進行了詳細設計。包括硬件抽象，ZIGBEE協議棧的分析和實現，串口與USB接口的編程實現，和無線定位算法的分析與實現。第五章為總結與展望。介紹了此系統在性能還可以改進的地方。最后是結論。4武漢理工大學碩士學位論文第2章定位跟蹤系統的架構21系統架構提出本文研究的系統為無線定位跟蹤系統，系統實現的功能有1自組織網絡。2數據的傳輸。3節點的定位。根據系統功能可將系統劃分為三種節點的組合，分別為1參考節點。2移動節點。3網關節點。如圖2一L所示II。7。7國、0圖2I無線定位跟蹤系統架構其中參考節點用于接收移動節點的數據和數據的路由，其羋標屜已經知的。移動節點即待定位的節點，其坐標是未知的。網關節點為無線傳感器網絡所有信息的信宿，可以是手持移動設備，也可咀是PC機。武漢理工大學碩士學位論文參考節點隨機分布在環境中，并有各種傳感器，隨時監測當時的環境參數，當移動節點移動到參考節點的射頻有效范圍內時，可通過多個節點配合實現定位。可參考節點環境在工業現場的生產車間，參考節點監測各種機器設備的實時參數。并通過網絡將參數傳到目的節點。網關節點用于匯總車間里各節點傳來的各種參數，以監控生產狀況。移動節點可安裝在工人身上，也可安裝在機器人身上，當某一參考節點監測到的參數超出正常范圍時，可通知最近的工人或機器人到此參考節點進行相應處理。以機器人為例，機器人安有可定位裝置及視頻采集和傳輸裝置，既可以自身定位，同時可將機器人所在的環境視頻發到目的點，遠程目的點的設備可通過顯示器看到機器人所在環境視頻，并可對機器人進行機械控制。22芯片選擇根據定位跟蹤系統功能，也可將系統劃分為四個主模塊，1傳感器模塊。2MCU模塊。3無線收發模塊。4網關模塊其中，傳感器模塊依賴于不同應用，不同的應用場景可能有不同的傳感器。MCU模塊用于數據的計算和系統的控制。無線收發模塊則用于數據的傳輸。網關模塊用于收集數據并傳送到PC機或手持設備上【4】。221節點主芯片目前市場上無線傳感器網絡解決方案大都支持IEEE802154標準，在此基礎上可實現ZIGBEE網絡的架設。主要的ZIGBEE芯片提供商24GHZ有TICHIPCON、EMBER、JENNIC、FREESCALE、MICROCHIP四家。ZIGBEE技術提供方式有三種RFMCU例如TICC24205。MSP430、FREESCLAEMCL3XXGT60、MICROCHIPMJ2440PICMCU。單芯片集成SOC如TICC2430CC2431805L內核61、FREESCALEMCL321X、EM250。6武漢理工大學碩士學位論文單芯片內置ZIGBEE協議棧外掛芯片厄NNICSOCEEPROM、EMBER260MCU。從MCU方面看，CC2430CC2431采用加強型8051F處理器，其他四家公司都是采用自己的微處理器。從開發難易程序上看，采用8051處理器較方便，因8051微處理器誕生30多年，目前在國內最為普及。參考資料和開發工具都非常豐富。從ZIGBEE協議棧的支持程度看，目前TI提供CC2430CC2431ZIGBEE2006協議棧，全套協議棧原來報價10萬人民幣，目前已經開放免費下載，雖然開放下載的協議棧是庫文件，但是全功能，包括網狀網絡拓撲的全功能協議棧。組成傳感器網絡的節點可能有成千上萬個，所以最終成本是必須要考慮的因素。CC2430CC2431是全部方案中，唯一一個包括FLASH存儲器MCUZIGBEERF全集成，真正的單芯片解決方案。而JENNIC的“單片機”只有ROM只讀存儲器，芯片內部沒有存放用戶程序的地方，系統必須要外加一個EEPROM，全部程序必須存儲在外部的EEPROM中。綜上所述，本系統將選用CC2430CC2431R7】作為節點主控芯片。CC2430芯片射頻部分沿用了CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZIGBEE射頻I心前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU8051，具有高達128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器ADC、幾個定時器TIMER、AESL28協同處理器、看門狗定時器WATCHDOGLLTIMER、32KHZ晶振的休眠模式定時器、上電復位電路POWERONRESET、掉電檢測電路BROWNOUTDETECTION，以及21個可編程IO引腳。CC2430芯片采用018RTRNCMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27N認；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27MA或25MA。CC2430的休眠模式和轉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用。CC2430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IEEE802154標準的24GHZ的RF無線電收發機。優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。在休眠模式時僅09心的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時少于06釁的流耗，外部的中斷能喚醒系統。硬件支持CSMA功能。7武漢理工大學碩士學位論文較寬的電壓范圍20“36V。數字化的RSSILQL支持和強大的DMA功能。具有電池監測和溫度感測功能。集成了14位模數轉換的ADC。集成AES安全協處理器。帶有2個強大的支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE802154規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器。強大和靈活的開發工具。CC2431是在CC2430的基礎上集成了MOTOROLA的基于IEEE802154標準的無線定位算定位算法硬件引擎。采用該芯片，可以實現025烽的定位分辨率和3米左右的定位精度，而這個定位精度已經大大高于GPS定位的精度，定位時間小于40微秒。采用CC2431實現定位網絡，需要至少3個參考節點。222網關主芯片網關的功能是收集網絡里其它節點發過來的數據并傳送到PC機或手持設備上，以控制和監視整個網絡的運行。與PC機和手持設備的數據傳輸方式有多種，如串口，USB，以太網等。串口是開發過程中必不可少的模塊，既可以用于調試程序，又可以向PC機傳回節點信息。USB接口是各種設備廣泛支持的接口，OTG技術的發展使各種手持設備上都集成了USB控制器。網關支持USB傳輸將大大擴展本系統的應用范圍，可以方便移植到各種支持USB接口的設備上，而不需要重新開發整個系統。本系統將支持USB20協議IS】，選擇CYPRESS的EZUSB解決方案CY7C680J9110L。選擇此方案原因如下集成USB20收發器、SIE串行接口引擎和增強性8051微處理器通過USB下載，支持重枚舉。具有通用可編程接口GPIF先進的驅動程序和APL支持，方便上位機開發程序。CYPRESSSEMICONDUCTOR公司的EZUSBFX2是世界上第一款集成USB20的微處理器，它集成了USB20收發器、SIE串行接口引擎、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨創性結構可使數據傳輸率達到8武漢理工大學碩士學位論文56MBYTESS，即USB20允許的最大帶寬。在FX2中，智能SIE可以硬件處理許多USBL1和USB20協議，從而減少了開發時間和確保了USB的兼容性。GPIFGENERALPROGRAMMABLEINTERFACE和主從端點FIFO8位或16位數據總線為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡單和無縫連接接口。CY7C68013有三種封裝形式56SSOP，100TQFP和128TQFP，并集成了以下特性USB20收發器、SIE串行接口引擎和增強性8051微處理器；軟件運行8051程序從內部RAM開始運行，可以借助下列幾種方式進行程序裝載1通過USB下載；2從EEPROM中裝載；3通過外部存儲器設備。四個可編程BUL科INTERRI腰TISOCHRONOUS端點，可選雙、三和四級緩沖。8位或16位通用可編程接口GPIF1可以直接連接到并口，8位和16位；2可編程波形描述符和配置寄存器；3支持多個READY輸入和CONTROL輸出。集成標準8051內核，且具有下列增強特性1可以達到48MHZ時鐘；2每條指令占四個時鐘周期；3兩個USARTS；4三個定時計數器；5擴展的中斷系統；6兩個數據指針。33V電源系統；智能串行引擎SIE；矢量USB中斷；獨立的數據緩沖區供SETUP和DATA包控制傳輸；集成12C控制器，運行速度可達100或400KHZ；四個FIFO，可與ASIC和DSP等無縫連接；9武漢理工大學碩士學位論文專門的FIFO和GPIF自動矢量中斷；23硬件架構231參考節點如圖22所示。I傳感器ICC2430L射頻前端卜CC2431IIL電源I圖22參考節點特點有傳感器和射頻前端，隨機分布在環境中，監測所在環境的各種參數，并可將獲得的環境數據通過無線的方式發送出去。其位置是已知的，其位置的獲得可通過事先的確定，或者節點部署后通過自定位確定其實際位置，這種節點在網絡中位置往往被部署后就固定了，可作為移動節點定位的位置參考，也作為數據的匯聚和中轉節點，即路由節點。電源通常用電池供電。232移動節點如圖23所示。移動主控設備圖23移動節點特點有傳感器和射頻前端，可監測所在環境的各種參數，并可通過無線方式發送出去。可進行自身定位。其位置是可隨時移動的，所以在這類節點的定位也是實時的。10武漢理工大學碩士學位論文233網關節點即網關，如圖24所示。圖24網關節點特點無線傳感器網絡中數據的最終匯聚點，節點通過串口或USB口，或其它接口與PC機或PDA相連，以獲得無線傳感器網絡中的數據和移動節點的位置信息，可監控無線傳感器網絡所在環境的某些參數，也可監控移動節點在無線傳感器網絡中的位置。E卜母卜，1HGP球CC2430CC243L廠1USBHOSTCONUOLL矗“一L一量蠹J剃SBLDID24軟件架構圖24網關節點USB接口241節點軟件架構節點軟件架構如圖25所示圖25ZIGBEE節點軟件架構武漢理工大學碩士學位論文硬件的基礎上，要進行硬件的抽象，將具體的硬件細節屏蔽，不同的芯片功能實現的方式不同，接口以及寄存器的定義也肯定不同。進行硬件抽象的目的是為了程序的可移植性，模塊化以便于軟件工程的管理。硬件抽象層之上是操作系統和驅動程序。操作系統為ZIGBEE協議棧的運行提供了一個比較統一的平臺，進一步增加了程序的可移植性。驅動程序隨著節點功能不同要進行重新定義，如串口驅動，如本文將CC2430與USB從芯片相信，其通信程序在驅動程序的范圍內進行編寫。系統使用CC2430CC2431的另一個好處是，TI公司已為芯片提供了完備了解決方案，從基本的硬件抽象，基本驅動程序，操作系統到ZIGBEE協議棧等。也提供了優秀的應用程序編程框架，可在此框架內進行應用程序的開發，可極大地減少了工程開發周期。242USB通信軟件架構USB接口是當前市場上最為成功的接口，集成USB接口可大范圍擴展系統的應用范圍。本系統支持USB20的通信，以HID設備程現給主機。主機可以是PC，也可以是具有USBOTG功能的手持移動設備，如PDA，可真正實現移動定位，移動監控。本系統所使用USB軟件架構如圖26所示黼嘶IAPPLIEATINETWORKSGATEZ、RKCOMMANDP“DATATNMSFERD婦鯫USBMSLSIIFLD；OM_。S岬CKICLAM；LCI_；PROCESSCBW7CLASSDV酉CYLL曲|USBDII。SBDEZ,USBINITIALIZATIONC矗掣R蕊USBHOSTCUOLLADRIVL_“ACDSOFTWARE介M蜘兒IGPMCC2430CC243L1卜、廣，。同2SFADLHTS。E刎姐IUSBHO靠C州HDI1一LD_刊圖26網關節點的USB通信軟件架構12武漢理工大學碩士學位論文圖26為在WINDOWS下USB通信的架構。WINDOWS應用程序通過驅動程序向CY7C68013的端點發送數據和命令，CY7C68013進行相應的處理，解析命令并轉發數據至CC2430CC2431，CC2430CC2431有數據送回主機時，可通過GPIFTLL】接口直接送入CY7C68013的端點，CY7C68013的串行接口引擎SIE自動將數據發回主機，從而主機獲得節點信息，進而獲得ZIGBEE網絡的信息。武漢理工大學碩士學位論文第3章定位跟蹤系統的硬件設計31天線選擇無線傳感器網絡節點的天線【12】有其自身獨有特點，受限于無線傳感器網絡節點的大小，其天線也應該做得盡可能小。因無線傳感器網絡節點量大，大量分布在環境中才能發揮其獨有的作用，成本是很敏感的問題。無線傳感器網絡節點多是有限能源供電，對電能的消耗也很敏感，所以對天線的效率也提出了嚴格的要求。無線定位是無線傳感器網絡的一個非常吸引人的特點，但是定位功能建立在天線的全向性基礎之上，故對天線的輻射方向也提出了更高的要求。311天線的分類及性能參數天線根據不同的參數可有多種分類方法。按波長分類，有微波天線、分米波天線、短波天線、中波天線和長波天線。本系統所使用的天線為微波天線。按輻射方向分類，有定向天線和全向天線。本系統所使用的天線為全向天線。按天線極化方式不同，可分為單極天線和偶極天線。單極天線和偶極天線的輻射方式很相似，而基于成本體積的考慮，單極天線為較佳的選擇。天線的性能是由一組參數來衡量的。由互易性原理，同一個天線在發送和接收電磁波時性能是相同的，所以天線的性能參數大都建立在發射天線的基礎上。其主要參數有方向圖，方向系數，輸入阻抗，輻射電阻，輻射效率，頻帶寬度，品質因子，增益，駐波比與行波系數，前后輻射比等。312單極天線單極天線是從中心饋電點處切去一半并相對于地面饋電的偶極天線。在單極天線前將先簡單討論下偶極天線，偶極天線的一些結論對單極天線的設計也有較大幫助。單極天線有如下特點，使其非常適合作為無線傳感器網絡的天線。14武漢理工大學碩士學位論文體積小相同條件下，單極天線只有偶極子天線大小的一半。制作簡單一根直導線即可作成一個單極天線。成本低因其制作簡單，成本自然降低，這對無線傳感器網絡節點成本的降低有很大的影響。單極天線當與水平面垂直時，其輻射圖是全向，符合無線傳感器網絡對天線全向性的要求。3121偶極天線分析電荷在直導體里做往復加速或減速運動從而形成電磁輻射，偶極天線可抽象為兩個異性、等量且按瞬時間距上下簡諧振蕩的電荷，其變化的電場即形成電磁輻射，這就是偶極子天線的輻射原理。半波振子天線即是一種被廣泛采用的偶極天線，如圖31所示。量圖31半波振子天線半波振子天線的優點是可以做到諧振，使其輸入阻抗的特性為純電阻的，這樣就可避免調節共軛匹配。諧振時天線長度略小于半波長，此時天線自身的損耗很小，輻射電阻也約等于輸入阻抗73F2，天線效率也接近100。偶極天線的結構簡單，天線直徑對輸入電阻受的影響較小，而對輸入電抗影響較大，所以縮短天線長度可調節電抗。3122單極天線分析偶極天線的其中一臂變成一個平面時就形成單極天線，當這個平面無限大到為理想導電平面時，利用鏡像法可以等效于相應的偶極子天線，如圖32所示。實際上只要這個平面的徑向距離大于波長的四分之一，其作用就近似于無限大的平面了。2；，；，；。；，；，。，LIVI武漢理工大學碩士學位論文Z，J鏡像電流說琢乜嘏77，圖32單極天線單極天線的輻射方向圖與本單極天線所對應的偶極天線的上半部分是相同的，天線垂直于水平面放置時，它的輻射方向即是全向的，這可以很好地滿足無線傳感器網絡中對天線的全向性要求。此外，單極天線的電流、電荷和與其對應的偶極天線的上半部分也是等效的，只是其端電壓只有偶極天線的一半，這是由于其輸入端的縫隙寬度只有偶極子天線的二分之一，相同的電場在一半的距離上產生一半的電壓。因此單極天線的輸入阻抗只有對應偶極天線輸入阻抗的二分之一，即乙一筆手警扭礎另一方面，單極天線的鏡像部分并不輻射功率，因此它的輻射電阻也只有相應偶極天線輻射電阻的一半。單極天線的長度一般為四分之一波長。313單極天線的阻抗匹配3131為什么要進行阻抗匹配阻抗匹配是微波電子學里的一部分，主要用于傳輸線上，來達至所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，不會有信號反射回到源點，從而提升電能效益。阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態稱為匹配，否則稱為失配。當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內阻必須滿足共扼關系，即電阻成份相等，電抗成份16武漢理工大學碩士學位論文只數值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。3132阻抗匹配一般方法1利用計算機進行仿真。這類軟件是的功能設計是通用的，而不只是用于阻抗匹配，故而用起來較難。設計者須熟悉并正確輸入眾多不同格式的數據。設計者也需有從大量的輸出結果中尋找有用數據的能力。2利用手工計算。此方法極為繁瑣，并且處理的數據多半為復數。3靠經驗。只在本領域工作過多年的專家才能自由使用此法，需要非常豐富的射頻電路設計知識和經驗。4史密斯圓圖。史密斯圓圖由很多圓周交織在一起。正確地使用它，可在不做任何計算的情況下得到一個表面上看非常復雜的系統匹配阻抗，而唯一要做的就是沿著圓周線讀取并跟蹤數值。史密斯圓圖是阻抗測量和匹配的重要工具，該圖同時包括阻抗圓和導納圓，若己知反射系數，就可以找到兩個圓周的交點從而讀取相應的丫和X的值。圖33史密斯圓圖3133無線芯片CC24301CC2431與單極天線的阻抗匹配CC2430射頻信號的收發是采用差分方式進行傳輸的，其最佳的差分負載為武漢理工大學碩士學位論文115J180F2。其阻抗匹配電路應根據此數值進行調整。使用單極天線，需用不平衡阻抗轉換電路進行轉換，如巴倫電路，以達到最佳收發效果。巴倫電路可由低成本的電感和電容構成，最佳的匹配參數分布在圖33史密斯圓圖中所標識區域，電路圖設計時各電感電容的參數可參考該區域數據適當調整。但是，由低成本電容電感組成的巴侖匹配電路在性能容易受電路板分布參數的影響，受電路板過孔，厚度及材料的影響都比較明顯，可控性不高。可使用集成的不平衡到平衡的轉換器，如BD2425N50200A00，使用此模塊可保證性能上優化而并不會提高太多的成本。32硬件總體結構本系統使用模塊化設計，根據功能，采用核心板加底板的模式，由CC2430CC2431組成核心板，設計三種不同的底板，分別為網關底板，固定節點底板和移動節點底板。采用模塊化設計有下優點維護簡單，不同的模塊專注于專門的功能。擴展方便，加上不同的底板可組成更高級不同功能的模塊。降低開發成本，某一模塊設計失敗不會影響其它模塊的使用。圖34子模塊ACC2430CC2431核心板圖35子模塊B網關模塊底板18武漢理工大學碩士學位論文圖36子模塊C只有USB接口的圖37子模塊D可作為固定網關模塊底板，可用于手持備上節點和移動節點模塊底板基于此四種子模塊，可實現無線定位跟蹤系統所有所需節點的組合。1移動節點。方案一子模塊A十子模塊C。此移動節點可接于具有USB主控制器的移動設備上，可實現自身的定位，前同時可作為網關節點，監控整個無線傳感器網絡。如某人位于無線傳感器網絡中，手持PDA，PDA接連此節點，可獲得自身當前位置，并實時查看當前網絡的狀態及參數。此方案即可以作為移動節點，也可以作為網關節點，當然也可作為兩種節點的功能結合。方案二子模塊A子模塊D。此移動節點可植于移動的物體，可收集移動物體的參數和位置信息，并可將信息發布到無線傳感器網絡上去。2網關節點。方案一與移動節點方案一相同。方案二子模塊A子模塊B。此種方案可用于連接PC機，在無線傳感器網絡中的某處網絡中的某個位置所有信息。這個位置可以固定，也可以移動，只要選擇的子模塊A具有自身定位的功能，即可實現與方案一相同的功能。3固定點節。子模塊A與任意底板的結合都可作為固定節點使用。具體地，在電源的獲取方式上可以彈性地選擇模塊的結合。如只能由電池供電，由可以選擇與子模塊D的結合，盡可能的減少電路可獲得功耗上的減小。33無線核心板設計19武漢理工大學碩士學位論文331電源處理按模塊來說，無線核心板子模塊A所需的電壓有兩種芯片IO電壓和射頻核心電壓。射頻核心電壓為18V，由芯片內部的穩壓器生成。芯片IO電壓范圍為20V到36V。子模塊A的電壓全部由底板提供，故電源電路全部放于底板之上。332晶振由于CC2430CC2431射頻工作于24GHZ，其頻率源為CC2430CC2431外接的32MHZ晶振經PLL獲得。這就要求CC2430CC2431所使用的晶振應有一定的頻率精度和穩定度。其參數具體如下參數最小典型最大單位備注晶振頻率32MMHZ晶振頻率精4040PPM此精度已把老化和溫度考慮在內。度等效串連電61660Q阻CO1197PFCC2430CC243負載電容通過軟件可CL101316PF調。建立時間212US333天線電路CC2430CC2431的天線設計是比較難的一部分。因使用單極天線，需要匹配電路實現天線到CC2430CC2431射頻前端的阻抗匹配，以求達到輻射效率的最大化，從這個意義上也可以減小節點的功耗。傳統上使用小型貼片電容，電壓以及微帶線組成，但這種方式實現的匹配電路受電路板材質，過孔影響都比較大，微帶線的走線及布局在缺少儀器測試的情況下，實現起來很難。故本系統選用集成的阻抗匹配模塊BD2425N50200AOO模塊。BD2425N50200A00模塊是一種低成本，微型不平衡到平衡的轉換器，可很方便地應用于現代射頻芯片。相比傳統的分立元件組成的不平衡轉換器轉換器，武漢理工大學碩士學位論文其性能較高且適合于大批量生產。此轉換器可將單端信號連接到雙端接口上去。在2400MHZ至2500MHZ時，其性能如下，可方便用于無線傳感器網絡的節點設計中。RFPSWLLICHRFN蛐DSCQ2IOSC_Q134節點設計1141341節點電源圖38單極天線匹配電路本系統中，有三種獲取電源的形式，分別為電池。USB總線。外接直流電源。固定節點的電源一般取于電池，因其位置固定，通常部署后不再對其進行維護。移動節點和網關節點可能由三種形式的任意一種或幾種同時供電。當多種電源同時對節點供電時，要對其進行處理，防止電流倒灌入電池或低電壓電路。常用的方法為串入肖特基二極管，肖特基二極管的特點為單向導通性，導通壓降只有03V。子模塊B和C，為網關底板，因其只與上位機相連，故只從USB總線取電。圖39穩壓電路子模塊D，由電池和外接直流電源供電。電源正極接入點串入肖特基二極管，21熊裟嬲武漢理工大學碩士學位論文以防止電流倒灌，當使用外接電源供電時，使用低成本AMSLLL7作為穩壓器，獲得33V電壓。電路如下圖所示。342串口電路圖310電池與外接電源供電電路實現無線傳感器網絡中數據，主要通過串121和USB口收集。串口是傳統的PC接口，電路及程序實現簡單。CC2430CC2431已經集成了高性能的串口通信邏輯，但其輸出是CMOS電平，與PC機的串行口電平不匹配，需要有一個電平轉換電路對這兩種電平進行匹配。常用的芯片為MAX3232。其電路圖如下J5113圖311串口電平轉換電路343USB接口電路USB接口廣泛應用，故系統支持USB接口是非常重要且實用的。武漢理工大學碩士學位論文344網關節點電路圖圖312USB接口電路圖313無線核心板原理圖武漢理工大學碩士學位論文35PCB設計圖314網關底板原理圖系統大多電路工作于60MHZ以下，為降低成本，采用兩層板設計。對于工作于高頻部分的電路，則通過限制電路板的厚度和傳輸線的寬度以及線與線之間的距離，以達到控制傳輸線的阻抗的目的，通過大面積敷銅來達到控制電磁泄露的效果【15J。元件布局時，遵循以下原則電源處理電源引腳上的去耦電容要盡可能地靠近電源引腳。電源走線的寬度要盡量寬，一般寬度要達到信號走線寬度的兩倍以上。低頻信號走線處理走線間距盡量符合3W原則。3W原則是走線邊沿之間的距離應該大于或者等于兩倍的走線寬度，也就是說，兩條走線中心之間的距離應該大于或者等于3倍的走線寬度。武漢理工大學碩士學位論文所有走線應避免90度的拐角，而盡量走45度拐角。高頻信號走線的處理【161本系統中，有兩個高頻信號要處理USB信號走線。應該滿足以下原則由于USB信號線是模擬差分信號，兩信號線的長度應該盡量相等，相關長度不大于3毫米。USB信號線反層作敷銅到地處理作為信號線的參考面，參考面不能有斷裂，以達到信號完整性要求以及阻抗控制的要求。USB信號線不應該有過孔。USB信號線與其它信號線的距離應大于10毫米，可能的話用地線包裹。USB接頭外殼要接地處理。CC2430天線信號線由于CC2430天線工作于24GHZ，工作頻率非常高。其天線相關的信號走線應該考慮以下幾點天線離CC2430芯片的射頻引腳要盡可能近。天線信號走線區域用地平面包裹，反面敷銅。天線信號走線與其它信號走線之間的距離盡可能遠。走線過孔盡可能少，使用小型貼片元件，以減少電磁干擾。36硬件系統調試好的硬件平臺為系統的實現提供了良好的基礎，可為軟件人員提供良好的編程接口，能夠在軟件的移植，擴展上提供靈活的支持。本系統調試的目的為驗證硬件平臺的完整性。驗證硬件平臺的功能完整性。調試的項目有子模塊A的電路完整性。子模塊A的外設工作情況。無線收發功能。天線的全向性。USB接口通信。武漢理工大學碩士學位論文串口通信子模塊A和底板模塊的通信。37調試流程及方法電路焊接的過程中，應該先焊接電源。電源系統焊接好后用萬用表測試電源系統是否符合要求。1子模塊A的電路完整性。電源系統通過后焊接CC2430最小系統，晶振，仿真接口，通用IO端口控制的LED等。然后通電，在編譯上通過仿真器抓取芯片。若抓取芯片不成功，則檢查最小系統連接是否正確，焊接是否牢靠，芯片電源引腳電壓是否正確。抓取芯片成功后下載固件程序，通過仿真器監視程序運行，也可通過編寫程序控制LED。若通過說明模塊A的最小系統是完整的。2子模塊A的外設工作情況。子模塊A的外設有串口，ADC，通用IO口等。首先調試串口，因串口簡單又有豐富的例程，調試容易出現的問題都易于排除。同時，串口調通后可打印信息到超級終端上，幫助其它模塊的調試。如ADC外設的調試，用一可調電阻器分壓送入ADC輸入口，程序不斷讀取ADC值并打印值到串口，可通過對比電壓值與ADC采樣值。若不正確，可能由以下原因引起參考電壓不正確。ADC模塊設置不正確。3無線收發功能。為方便調試，并定位可能出現的錯誤。事先準備兩個可通信CC2431或CC2430模塊。其中一個收數據，其中一個發數據，確保其鏈路的暢通。首先調試接收功能，因空間已經有信號存在，并可通過好的模塊監測信號。接收調試通后再調試發送功能。4天線的全向性。此項測量基于前面測試通過。在空曠地帶，設置一節點A以某一功率發射電磁波，設置節點B接收A發出的電磁波并測量接收功率。以節點A中心，在某個半徑上移動B接點，B接點發送數據到網關節點并通過串口向PC打印特定點的接收功率。在不同半徑上重復測量。連接具有相同值的點，即可得到天線的全向性圖。武漢理丁大學碩士學位論文第4章定位跟蹤系統的軟件設計41硬件抽象411硬件抽象的目的如圖41硬件抽象在軟件設計架構中的位置所示。嫌F。糸氅一；齷RFR圈圈奠_“”圖41硬件抽象在軟件設計架構中的位置通過硬件抽象，將