基于Zigbee的定位技術(shù)的研究

蘇有朋

【摘要】 隨著近年來無線傳感器網(wǎng)絡逐漸成為熱點，Zigbee低功耗、低成本、高效率等優(yōu)點逐漸被大家發(fā)現(xiàn)并廣泛應用于各種定位技術(shù)中。本文首先討論了無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀，之后就Zigbee的拓撲結(jié)構(gòu)、Zigbee的設(shè)備節(jié)點類型、Zigbee網(wǎng)絡硬件平臺、Zigbee網(wǎng)絡軟件平臺、Zigbee無線網(wǎng)絡具體實現(xiàn)等方面進行了分析和討論，最后做出本項目的研究總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】 Zigbee 定位技術(shù)

無線定位的主要工作原理是通過與多個已知位置的節(jié)點進行多次通信來慢慢猜測并最終確定待知曉的節(jié)點位置。Zigbee無線傳感器是無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的良好結(jié)合，在各種控制和應用中有著很好的前景。

一、無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)在20世紀90年代就在國外引起了廣泛地關(guān)注，尤其是很多著名的大學，然而國內(nèi)的無線定位技術(shù)起步要比國外晚的多，但一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)就立刻引起了一股熱潮，不僅僅是很多高校，很多企業(yè)，不論大小，也都開始對無線傳感定位技術(shù)開始進行研究，也有很多公司和企業(yè)以及高校提出了很多定位的解決措施。

二、Zigbee的拓撲結(jié)構(gòu)

Zigbee的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)包括星形、樹形和網(wǎng)狀，星形拓撲結(jié)構(gòu)的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是靈活性差、可靠性低，限制了無線通信網(wǎng)絡的覆蓋范圍和通信質(zhì)量；樹形拓撲結(jié)構(gòu)相比起星形拓撲，范圍有所擴張，它通過在節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間增加路由器來擴大覆蓋范圍；網(wǎng)狀拓撲比較耗費電能，它設(shè)計安排比較自由，以廣播的形式發(fā)送查詢和維護指令，它的路由拓撲原理和作用與樹形拓撲結(jié)構(gòu)相同。

三、Zigbee的設(shè)備節(jié)點類型

1、協(xié)調(diào)器（Coordinator）。Zigbee協(xié)調(diào)器主要有以下作用：a.開始組建家居系統(tǒng)整個Zigbee網(wǎng)絡。b.在剛組建中網(wǎng)絡中，其他節(jié)點如果想要進入網(wǎng)絡中就要發(fā)出請求信息，Zigbee協(xié)調(diào)器控制是否允許其他節(jié)點加入到網(wǎng)絡中，本系統(tǒng)中Zigbee協(xié)調(diào)器與ARM網(wǎng)關(guān)直接相連，Zigbee網(wǎng)絡所有的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器傳遞給ARM網(wǎng)關(guān)，ARM網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進行處理并通過Zigbee協(xié)調(diào)器將控制信息反饋給整個Zigbee網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)所有家電節(jié)點的控制。

2、路由器（Router）。本文中介紹的這個Zigbee定位技術(shù)的整個網(wǎng)絡采用了星形拓撲結(jié)構(gòu)，星形拓撲結(jié)構(gòu)中需要用到Router類型的節(jié)點，這類節(jié)點在網(wǎng)絡中占得比重與其他節(jié)點相比是很高的。并且通常情況下，這類節(jié)點不允許休眠，它主要有以下兩個任務：a.在同一個網(wǎng)絡內(nèi)的不同節(jié)點間轉(zhuǎn)發(fā)信息，起到信息的傳達作用，以達到通信的目的，實現(xiàn)了協(xié)調(diào)器信息與終端節(jié)點的信息傳遞。b.容許網(wǎng)絡中的一些子節(jié)點借由它加入到Router類型的節(jié)點所在的網(wǎng)絡中。

3、終端節(jié)點（EndDeviee）。EndDevice一般處于網(wǎng)絡的邊緣，主要是進行接收和發(fā)送信息的工作，但是它有一些弊端，就是它不能轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)信息，也不能將其他節(jié)點加入到網(wǎng)絡中，通常情況下，EndDevice在不收發(fā)數(shù)據(jù)的時候，都在休眠狀態(tài)。這是因為 EndDevice的節(jié)點是用電池來供電的，而只有在收發(fā)數(shù)據(jù)的時候EndDevice才在執(zhí)行最主要的工作，其他時間EndDevice基本不進行工作，只在EndDevice收發(fā)數(shù)據(jù)時，不僅可以節(jié)約電能，還節(jié)省了硬件工作的損失。

四、zigbee網(wǎng)絡硬件平臺

硬件設(shè)計應該重點放在不同節(jié)點的不同設(shè)計，考慮各節(jié)點的工作內(nèi)容、能源消耗和供電需求，分別采取電源供電、電池供電，或是采用休眠模式或全速工作。本系統(tǒng)利用了天運科技公司的CC2530模塊開發(fā)這一系列產(chǎn)品，CC2530模塊具有很好的兼容性，封裝與管腳也大致相同，所以很容易進行平臺移植。

五、Zigbee網(wǎng)絡軟件平臺

本文中所介紹的Zigbee定位技術(shù)是以Z-Stack協(xié)議為基礎(chǔ)，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與Zigbee規(guī)范十分吻合，在應用層完成應用程序的設(shè)計，在外部調(diào)用下層函數(shù)完成操作。Z-Stack采用的機制為事件輪循機制，事件發(fā)生時，系統(tǒng)會開啟工作模式，處理事件，同時有多個事件發(fā)生時，會先對這些事件的優(yōu)先級進行判斷，之后按照順序逐次處理，處理完成后，會保持各層的初始化狀態(tài)，隨后進入低功耗模式，節(jié)省功耗。OSAL的運行機制在Z-Stack協(xié)議中占有很重要的作用。

六、Zigbee無線網(wǎng)絡具體實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用TI公司推出的Z-Stack協(xié)議棧進行二次開發(fā)，Z-Stack 2007是面向家庭無線組網(wǎng)而開發(fā)。ZigBee協(xié)調(diào)器收集各個連接傳感器的ZigBee節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，傳送給ARM網(wǎng)關(guān)，并將ARM網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的控制信息發(fā)送給連接各個家用電器的ZigBee節(jié)點。家用電器的各個節(jié)點受到相應的控制信息之后就會對信息作出反應，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡控制。

總結(jié)：本文首先對定位技術(shù)的發(fā)展背景和情況做了簡單的概述，然后以一種基于Zigbee的無線家庭網(wǎng)絡為例，來例證研究Zigbee定位技術(shù)。以后，我們應繼續(xù)改良算法及拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計，致力于將多種無線技術(shù)相融合，來解決當下單種無線技術(shù)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活技術(shù)需要的問題。

參 考 文 獻

[1]韓曉東 李勇江 《Protel 99 SE電路設(shè)計使用教程》（第二版） 中國鐵道出版社

[2]高守瑋 吳燦陽 《zigbee技術(shù)實踐教程》 北京航空航天大學出版社

[3]李文仲 段朝玉 《zigbee無線網(wǎng)絡技術(shù)入門與實戰(zhàn)》 北京航空航天大學出版社