基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計綜合文檔</b></p><p>　　設(shè)計題目 基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng) </p><p>　　學(xué)生姓名 xxx </p><p>　　指導(dǎo)教師 xxx </p><p>　　班 級

2、13級物聯(lián)網(wǎng)班 </p><p>　　學(xué) 號 xxxxxx </p><p>　　完成日期：2017 年 04 月</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p>&l

3、t;p><b>　　1引言1</b></p><p><b>　　1.1編寫目的1</b></p><p><b>　　1.2背景1</b></p><p><b>　　1.3定義2</b></p><p>　　2 Zigbee系統(tǒng)簡介2&

4、lt;/p><p>　　2.1 Zigbee系統(tǒng)基本組成2</p><p>　　2.2 Zigbee系統(tǒng)基本原理4</p><p>　　2.3 Zigbee系統(tǒng)工作頻率與相關(guān)協(xié)議5</p><p>　　3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀6</p><p>　　3.1 Zigbee的研究發(fā)展現(xiàn)狀6</p><p&

5、gt;　　3.2 室內(nèi)定位的研究發(fā)展現(xiàn)狀7</p><p>　　3.3研究概況以及趨勢-----------------------------------------------------------------------------8</p><p>　　4論文的選題意義和主要研究內(nèi)容------------------------------------------------

6、-------------------8</p><p>　　5其他系統(tǒng)的比較----------------------------------------------------------------------------------------9</p><p>　　第二章 室內(nèi)定位無線技術(shù)5</p><p>　　1室內(nèi)無線傳播的特點5</p&

7、gt;<p>　　2無線定位的原理6</p><p>　　3定位信息的獲取7</p><p>　　3.1基站和終端間距離的獲取7</p><p>　　3.2由信號傳播計算距離7</p><p>　　第三章 無線定位基本算法13</p><p>　　1三邊定位算法13</p>&

8、lt;p>　　2基于接受信號的定位--------------------------------------------------------------------------------15</p><p>　　第四章 項目測試分析報告15</p><p>　　1定位數(shù)據(jù)匯總-------------------------------------------------

9、----------------------------------------16</p><p>　　2抓包數(shù)據(jù)分析-----------------------------------------------------------------------------------------16</p><p>　　第五章 總結(jié)17</p><p>　　1

10、本文工作總結(jié)18</p><p>　　2研究中遇到的問題以及解決方法18</p><p>　　第一章 項目需求分析說明書</p><p><b>　　1引言</b></p><p><b>　　1.1編寫目的</b></p><p>　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的成功

11、使人們對定位服務(wù)的需求日益增多，然而在室內(nèi)環(huán)境下，由于衛(wèi)星信號接收受到嚴(yán)重干擾，GPS無法滿足定位精度的要求?；谖锫?lián)網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)由于使用范圍廣,能夠以純軟件的方式實現(xiàn),定位系統(tǒng)成本低等優(yōu)點,成為近年物聯(lián)網(wǎng)位置感知領(lǐng)域的一個研究熱點。本文對這一技術(shù)進(jìn)行了較深入、系統(tǒng)的研究,并針對定位準(zhǔn)確度、定位算法等方面存在的問題,提出了相應(yīng)的解決方案。通過算法比較和實驗分析,證明了方案的有效性和可行性。</p><p>&

12、lt;b>　　1.2背景</b></p><p>　　1.基于物聯(lián)網(wǎng)的定位系統(tǒng)開發(fā)；</p><p>　　2.該項目是基于前人的一些半成熟的定位算法做的實驗；</p><p>　　3.該定位系統(tǒng)采用的硬件系統(tǒng)是CC2530，軟件層面是采用VB語言，架構(gòu)層面采用的 國際標(biāo)準(zhǔn)是：IEEE802.15.4。 </p><p&

13、gt;<b>　　1.3定義</b></p><p>　　Zigbee:是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）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)。<

14、/p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)：顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。</p><p><b>　　1.4參考資料</b></p><p>　　1《ZIGBEE入門基礎(chǔ)》，《RFID基

15、礎(chǔ)原理與應(yīng)用》</p><p>　　2《Visual Basic入門基礎(chǔ)》</p><p>　　3《C語言編程基礎(chǔ)》</p><p>　　4《基于RSSI的多維度室內(nèi)定位算法》——石欣，印愛民，陳曦</p><p>　　5《基于ZIGBEE的貝葉斯室內(nèi)定位算法的研究》——楊艷紅</p><p>　　2 Zigbee系統(tǒng)

16、簡介</p><p>　　2.1Zigbee系統(tǒng)基本組成</p><p><b>　　多功能調(diào)試底板</b></p><p>　　USB供電口：為網(wǎng)關(guān)供電</p><p>　　RS-232：中文名:異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口；型式:DB-9(9個引腳)或DB-25(25個引腳)；功能：把網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳到PC</p>&

17、lt;p>　　DEBUG接口：功能，用于程序的燒寫與讀出</p><p>　　外部電源接口：可對其它目標(biāo)板供電</p><p>　　CC2530 IO接口：用于二次開發(fā)</p><p>　　MAX3232E:描述：具有二路接收器和二路驅(qū)動器，提供1uA關(guān)斷模式；功能：具有+/-15kv IES ESD 保護(hù)的3V至5V多通道RS-232線路；產(chǎn)商：德州儀器；型

18、號：:MAX3232ECD,MAX3232ECDB等；報價：6.0RMB</p><p>　　SLC 2104 F2565 1425+:即SLC，英文全稱：single level cell,中文：單層式儲存；</p><p>　　兩個LED燈，一個按鍵：測試CC2530的IO的功能</p><p><b>　　產(chǎn)商：德州儀器 </b><

19、/p><p>　　型號：CC2530F128RHAR，CC2530F128RHAT等</p><p><b>　　報價：18RMB</b></p><p>　　示例圖片： </p><p><b>　　遠(yuǎn)距離射頻模塊：</b></p><p>　　電源接口：為節(jié)點供電&l

20、t;/p><p>　　仿真下載接口：燒寫或讀取程序</p><p>　　IO開發(fā)調(diào)試接口：二次開發(fā)</p><p><b>　　產(chǎn)商：德州儀器</b></p><p><b>　　實例圖片：</b></p><p>　　2.2 Zigbee系統(tǒng)基本原理</p>&l

21、t;p>　　基于 ZigBee 的無線設(shè)備工作在 868MHZ, 915MHZ 和 2.4Z 頻帶。其最大數(shù)據(jù)速 率是 250Kbps. ZigBee 技術(shù)主要針對以電池為電源的應(yīng)用，這些應(yīng)用對低數(shù)據(jù)速 率、低成本、更長時間的電池壽命有較高的需求。在一些 ZigBee 應(yīng)用中，無線 設(shè)備持續(xù)處于活動狀態(tài)的時間是有限的，大部分時間無線設(shè)備是處于省電模式 （也稱休眠模式）的。因此，ZigBee 設(shè)備在電池需要更換以前能夠工作數(shù)年以 上

22、。Zigbee是一種嶄新的,專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。也是嵌入式應(yīng)用的一個大熱點。</p><p>　　1、低功耗 在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6~24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。</p><p>　　2、低成本 通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制

23、器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費。</p><p>　　3、低速率 Zigbee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。</p><p>　　4、近距離 傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果

24、通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。</p><p>　　5、短時延 Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3~10s、WiFi需要3s。</p><p>　　6、高容量 Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點

25、還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。</p><p>　　7、高安全 Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。</p><p>　　8、免執(zhí)照頻段 采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球) (ISM)頻段。</p><

26、p>　　ZigBee 應(yīng)用于室內(nèi)病人監(jiān)控</p><p>　　例如，一個病人的血壓，心率 可以通過可穿戴設(shè)備測量出來，病人戴的 ZigBee 設(shè)備來周期性的收集血壓等健 康相關(guān)的信息，然后這些數(shù)據(jù)被無線傳送到當(dāng)?shù)胤?wù)器，例如病人家中的一臺個 人電腦，電腦再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初始分析，最后重要的信息通過互聯(lián)網(wǎng)被發(fā)送到 病人的護(hù)士或者內(nèi)科醫(yī)生那里做進(jìn)一步的分析。</p><p>　　ZigB

27、ee 應(yīng)用大型樓宇結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控</p><p>　　在此應(yīng)用中，一 ，所有的這些傳感器形 個建筑內(nèi)可以安裝數(shù)個 ZigBee 無線傳感器（如加速度計） 成一個網(wǎng)絡(luò)來收集信息， 這些收集來的信息可以用于評估建筑的結(jié)構(gòu)安全和潛在 的損壞標(biāo)志，例如，地震后一個建筑在重新開放前可能需要進(jìn)行檢測。而傳感器 收集到的數(shù)據(jù)有助于加速和減少檢測的花費</p><p>　　ZigBee 聯(lián)盟是 2002 年

28、創(chuàng)立的 一個非盈利性組織，對每一個想加入的成員都開放。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是由 ZigBee 聯(lián)盟所開發(fā)的，該聯(lián)盟有數(shù)百個成員公司，從半導(dǎo) 體產(chǎn)業(yè)和軟件開發(fā)者到原始設(shè)備生產(chǎn)商、安裝商。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)采用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)作為其 PHY 層和 MAC 層協(xié)議。因此，遵循 ZigBee 的設(shè)備也同樣 遵循 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。 在家庭和工廠內(nèi)使用無線通信來收集信息或執(zhí)行既定控制任務(wù)的概念對人 們來說并不陌生。

29、縱觀幾種短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)，包括 IEEE 802.11 無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network WLAN）和藍(lán)牙（Bluetooth）. 每個標(biāo)準(zhǔn)都有其在特定領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢，而 ZigBee 則主要是為低成本、低數(shù)據(jù) 速率、超低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的。 通過簡化通信協(xié)議和降低數(shù)據(jù)速率，ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)有助于降低應(yīng)用成本。和 其他的標(biāo)準(zhǔn)例如 IEEE 802.11 相比，滿足 ZigBee

30、 和 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的最低需 求相對輕松，這同時也降低了 ZigBee 收發(fā)器</p><p>　　2.3Zigbee系統(tǒng)工作頻率與相關(guān)協(xié)議</p><p><b>　　相關(guān)協(xié)議：</b></p><p>　　架構(gòu)：IEEE802.15.4（物理層，媒體介入控制層）；Zigbee堆棧層（網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層，安全服務(wù)提供層）<

31、/p><p><b>　　每層結(jié)構(gòu)的功能：</b></p><p>　　物理層：通過物理層管理實體接口對PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)；PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)可以通過無線物理信道發(fā)送和接受物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元來實現(xiàn)。</p><p>　　MAC層：負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信。它負(fù)責(zé)建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全，他能提供兩個設(shè)備之

32、間的連接。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)層：提供設(shè)備與設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動，消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。</p><p>　　應(yīng)用支持子層：通過網(wǎng)絡(luò)層與安全服務(wù)提供層與端點鏈接，并為數(shù)據(jù)傳送，安全和綁定提供服務(wù)，因此，能夠適配不同但兼容的設(shè)備，比如帶燈的開關(guān)。</p><p>　　在應(yīng)用層中，一共有250個端點。應(yīng)用程序可以通過端點0與zigbee堆棧

33、的其他層通信，從而實現(xiàn)對這些層的初始化和配置。附屬在端點0的對象被稱為zigbee設(shè)備對象（ZO0）。端點255用于向所有端點的廣播。端點241到254是保留端點。</p><p><b>　　實例圖片：</b></p><p><b>　　3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　3.1Zigbee的研究發(fā)展現(xiàn)狀&l

34、t;/p><p>　　ZigBee從2002年ZigBee Alliance成立到2006年聯(lián)盟推出比較成熟的ZigBee 2006標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，至今已走過了多個春秋，當(dāng)Zigbee幾年前剛出現(xiàn)時，它的支持者曾設(shè)想這種基于IEEE 802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)擁有潛在的巨大市場。在低吞吐量、短距離通信應(yīng)用中，成本是第一王牌，而類似藍(lán)牙、802.11x和802.15.3等規(guī)范的性能過于強大。但對于一些Zigbee支持者來

35、說，當(dāng)初的設(shè)想并沒有成為現(xiàn)實。</p><p>　　隨著ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善和物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境的帶動，整個ZigBee產(chǎn)業(yè)可以說是朝著越來越繁盛的趨勢發(fā)展，在5大上游芯片廠商和ZigBee聯(lián)盟的不斷努力推動下，基于ZigBee應(yīng)用層出不窮，并和我們的實際生活接軌，讓人們的生活更加智能美好了!ZigBee芯片全球銷售收入逐年遞增，ABI統(tǒng)計和預(yù)測了從2005年至2012年全球芯片的銷售收入。</p>

36、;<p>　　ZigBee技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)階段以商業(yè)大樓自動化，家庭自動化控制(新建安裝)與儀表控制為重點。商業(yè)大樓可以利用ZigBee完成自動控制，管理員可以有效地管理空調(diào)，燈光，火災(zāi)感應(yīng)系統(tǒng)等各項開關(guān)控制系統(tǒng)，可以達(dá)到減少能源費用，降低管理人力等節(jié)約目的。對消費者來說，若家中具有ZigBee系統(tǒng)，可方便的監(jiān)控家中的整體運作，有效掌握電力，自來水，瓦斯的使用狀況之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安裝無線傳感器

37、來監(jiān)控各種不同情況，一旦偵查到異狀即可自動發(fā)出警告。ZigBee在儀表控制市場隨著國際儀表巨頭中國華立儀表集團(tuán);韓國NURI Telecom等紛紛開始引進(jìn)ZigBee技術(shù)之儀表控制系統(tǒng)之后，這個市場開始受到重視。ZigBee儀表控制系統(tǒng)相當(dāng)適合人工高昂，幅員遼闊，或是抄表員素質(zhì)不良，抄表準(zhǔn)確度不高，又或抄表員不易進(jìn)入水，電，瓦斯儀表所在地的地方。具有這樣背景的地方促使ZigBee儀表控制市場具有一定的需求。</p><

38、;p>　　雖然ZigBee應(yīng)用越來越多，芯片出貨量也連年遞增，但總體來說，ZigBee市場仍然處于起步探索階段，還沒有真正上量起飛，主要表現(xiàn)在在于可應(yīng)用的終端商用產(chǎn)品還多處于研發(fā)階段，真正上市的不多，具有典型應(yīng)用的方向和領(lǐng)域便少，點對點的應(yīng)用較多，體現(xiàn)ZigBee優(yōu)勢的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用少，缺乏體現(xiàn)ZigBee大型組網(wǎng)應(yīng)用。</p><p>　　3.2室內(nèi)定位的研究發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>

39、;　　隨著更多新型移動設(shè)備比如手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備等，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能飛速增長和基于位置感知的應(yīng)用的激增，位置感知發(fā)揮了越來越重要的作用。在室內(nèi)和室外的環(huán)境下，連續(xù)地可靠地提供位置信息可以為用戶帶來更好的用戶體驗。室外定位和基于位置的服務(wù)已經(jīng)成熟，基于GPS和地圖的位置服務(wù)被廣泛應(yīng)用，并成為各種移動設(shè)備被使用最多的應(yīng)用之一。近年來，位置服務(wù)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正向室內(nèi)發(fā)展以提供無所不在的基于位置的服務(wù)，其主要推動力是室內(nèi)位置服務(wù)所能帶

40、來的巨大的應(yīng)用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務(wù)提供商，設(shè)備和芯片提供商都在競爭這個市場。</p><p>　　室內(nèi)位置感知可以支持許多應(yīng)用場景，并且正在改變移動設(shè)備的傳統(tǒng)使用模式。舉一些應(yīng)用的例子，用戶可以尋找特定的餐館或在商店里尋找某個商品，從附近商場里的商戶得到優(yōu)惠信息，在辦公室里找到同事，在機場或火車站找登機口/站臺或其它設(shè)施，在博物館里更有效地了解展品信息和觀看展覽，醫(yī)院確定醫(yī)護(hù)人員或醫(yī)療設(shè)備的位

41、置，消防員在起火大廈里的定位等等。想像這樣的場景，當(dāng)我們到會議室開會，手機會自動開啟靜音模式，我們逛商場看到一件感興趣的商品可是還在猶豫時，拍下照片并自動給照片打上位置標(biāo)簽， 等下次決定要買時手機幫我們導(dǎo)航到該商品的位置。這些都會給我們?nèi)粘５纳詈凸ぷ?，以及在緊急情況下帶來方便。</p><p>　　3.3研究概況以及趨勢</p><p>　　隨著更多新型移動設(shè)備比如手機、平板電腦、可穿戴

42、設(shè)備等，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能飛速增長和基于位置感知的應(yīng)用的激增，位置感知發(fā)揮了越來越重要的作用。近年來，位置服務(wù)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正向室內(nèi)發(fā)展以提供無所不在的基于位置的服務(wù)，其主要推動力是室內(nèi)位置服務(wù)所能帶來的巨大的應(yīng)用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務(wù)提供商，設(shè)備和芯片提供商都在競爭這個市場。室內(nèi)位置感知可以支持許多應(yīng)用場景，并且正在改變移動設(shè)備的傳統(tǒng)使用模式。舉一些應(yīng)用的例子，用戶可以尋找特定的餐館或在商店里尋找某個商品，從附近商場

43、里的商戶得到優(yōu)惠信息，在辦公室里找到同事，在機場或火車站找登機口/站臺或其它設(shè)施，在博物館里更有效地了解展品信息和觀看展覽，醫(yī)院確定醫(yī)護(hù)人員或醫(yī)療設(shè)備的位置，消防員在起火大廈里的定位等等。想像這樣的場景，當(dāng)我們到會議室開會，手機會自動開啟靜音模式，我們逛商場看到一件感興趣的商品可是還在猶豫時，拍下照片并自動給照片打上位置標(biāo)簽， 等下次決定要買時手機幫我們導(dǎo)航到該商品的位置。這些都會給我們?nèi)粘５纳詈凸ぷ?，以及在緊急情況下帶來方便。<

44、;/p><p>　　4論文的選題意義和主要研究內(nèi)容</p><p><b>　　選題意義：</b></p><p>　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的成功使人們對定位服務(wù)的需求日益增多，然而在室內(nèi)環(huán)境下，由于衛(wèi)星信號接收受到嚴(yán)重干擾，GPS定位精度不能達(dá)到要求，于是人們開始尋找一種替代技術(shù)以滿足室內(nèi)環(huán)境下無線定位的需求。紅外線、超聲波、無線射頻技術(shù)等

45、是用于室內(nèi)環(huán)境下無線定位的幾種主要技術(shù)。近年來，隨著ZIGBEE的興起，人們對物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)的研究也逐漸增多。使用ZIGBEE技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位具有成本低、技術(shù)成熟、定位精度高等優(yōu)點。</p><p><b>　　基本內(nèi)容：</b></p><p>　　本文在總結(jié)ZIGBEE技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，深入而廣泛地了解國內(nèi)外常用的定位算法和定位方案，充分考慮人員定位的需求，選

46、擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ凰惴跋到y(tǒng)硬件。本文的主要研究內(nèi)容分為兩個方面。</p><p>　　研究無線定位系統(tǒng)整體架構(gòu)</p><p>　　定位系統(tǒng)是將硬件、軟件、通信協(xié)議、定位算法等多種技術(shù)相互結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)，在這一部分我們結(jié)合以往各種無線定位系統(tǒng)整體架構(gòu)的特點，提出通用的無線定位系統(tǒng)的架構(gòu)。該架構(gòu)分為三層，硬件層主要包括移動節(jié)點，參考節(jié)點和網(wǎng)關(guān)和一些用于傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線，主要負(fù)責(zé)無線信號的采集；定

47、位引擎層包括三個模塊，硬件設(shè)備驅(qū)動模塊、定位算法模塊和上層應(yīng)用接口模塊；應(yīng)用程序?qū)永枚ㄎ灰鎸犹峁┑母黝惤涌趯崿F(xiàn)各種定位服務(wù)。這種架構(gòu)將定位系統(tǒng)中最重要的無線技術(shù)、定位算法和應(yīng)用程序分層實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)靈活性。、</p><p><b>　　提出改進(jìn)型定位算法</b></p><p>　　針對未來室內(nèi)定位場景的特點，對信號強弱定位算法進(jìn)行改進(jìn)，提出具有針對性的定位算

48、法。在現(xiàn)實場景中，往往有這樣一些特殊的需求，即在預(yù)定的定位地區(qū)內(nèi)有一些特殊的區(qū)域，當(dāng)目標(biāo)在這些區(qū)域內(nèi)活動時，需要系統(tǒng)提供更加精確的定位服務(wù)?；谶@種特殊的定位需求以及系統(tǒng)成本的考慮，此時需要結(jié)合多種定位方式才能達(dá)到定位效果和系統(tǒng)成本的最優(yōu)結(jié)果，本文基于未來的定位需求，研究了相關(guān)算法的情況，針對算法結(jié)合中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，利用相關(guān)算法定位的結(jié)果對信號強弱算法進(jìn)行修正，提出了改進(jìn)型定位算法，完滿的解決了在不同情況下的定位問題。</

49、p><p><b>　　5與其他系統(tǒng)的比較</b></p><p><b>　　RFID</b></p><p>　　架構(gòu)：讀寫器，電子標(biāo)簽，中間件，應(yīng)用系統(tǒng)軟件</p><p><b>　　每層結(jié)構(gòu)的介紹：</b></p><p><b>　　電

50、子標(biāo)簽：</b></p><p>　　概念：也稱應(yīng)答器或智能標(biāo)簽，是一個微型的無線收發(fā)裝置</p><p>　　功能：是RFID系統(tǒng)中真正的數(shù)據(jù)載體，其芯片中存儲有能夠識別目標(biāo)的信息</p><p><b>　　讀寫器：</b></p><p>　　概念：是一個捕捉和處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的設(shè)備，它可以是單獨的

51、個體，也可以嵌入其他系統(tǒng)中</p><p>　　功能：A,發(fā)送和接受功能B，對接受信息進(jìn)行初始化處理C，連接主機網(wǎng)絡(luò)，將信息傳送給數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)</p><p><b>　　中間件：</b></p><p>　　概念:位于操作系統(tǒng)與用戶的應(yīng)用軟件的中間的一類軟件。RFID中間件是面對消息的中間件，用來加工和處理來自讀寫器的所有信息和時間流的

52、軟件，是連接讀寫器和企業(yè)應(yīng)用的紐帶</p><p>　　功能：A，標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫B(tài)，RFID數(shù)據(jù)的過濾和聚集C，RFID數(shù)據(jù)的分發(fā)D，數(shù)據(jù)安全</p><p>　　協(xié)議：LLRP協(xié)議和ALE協(xié)議</p><p><b>　　RFID軟件系統(tǒng)：</b></p><p>　　前端軟件：前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要供給RFID設(shè)備操

53、作人使用的，比如超市收銀臺使用的結(jié)算系統(tǒng)；功能：讀寫功能；防碰撞功能；安全功能；檢/糾錯功能</p><p>　　后端軟件：實現(xiàn)企業(yè)管理功能的軟件，其的具體數(shù)據(jù)處理功能和結(jié)構(gòu)需要根據(jù)客戶的具體需求和決策的支持度來進(jìn)行設(shè)計；功能:RFID系統(tǒng)管理，電子標(biāo)簽管理，數(shù)據(jù)分析和存儲</p><p>　　其他軟件：包括開發(fā)平臺，測試軟件，評估軟件，演示軟件，或者為模擬性能而開發(fā)的仿真軟件等。<

54、/p><p><b>　　RFID標(biāo)準(zhǔn)：</b></p><p>　　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：定義了應(yīng)該如何設(shè)計不同種類的硬件和軟件，定義了讀寫器和主機系統(tǒng)之間的接口，定義了數(shù)據(jù)的語法，結(jié)構(gòu)和內(nèi)容</p><p>　　ISO18000:定義了詢問者與標(biāo)簽之間在不同頻率上的空中接口</p><p>　　EPC Gen2：定義了頻率在860-

55、960MHZ之間的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)：定義了從電子標(biāo)簽輸出的數(shù)據(jù)流的含義</p><p>　　ISO/IEC 15424:數(shù)據(jù)載波和特征標(biāo)識符</p><p>　　ISO/IEC 15418：EAN/UCC應(yīng)用標(biāo)識符及柔性電路數(shù)據(jù)標(biāo)識符合保護(hù)</p><p>　　ISO/IEC 15459:物品管理的唯一ID&l

56、t;/p><p>　　ISO/IEC 15961：唯一ID規(guī)范</p><p>　　ISO/IEC 15962：數(shù)據(jù)協(xié)議的應(yīng)用接口</p><p>　　ISO/IEC 15963：射頻標(biāo)簽的唯一ID</p><p>　　一致性標(biāo)準(zhǔn)：定義了電子標(biāo)簽和讀寫器是否遵循了某個特定標(biāo)準(zhǔn)的測試標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　ISO/IEC

57、 18046:RFID設(shè)備性能測試方法</p><p>　　ISO/IEC 18047:RFID設(shè)備一致性測試方法</p><p>　　應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：定義了實現(xiàn)某個特定應(yīng)用的技術(shù)方法</p><p>　　ISO 10374：貨運集裝箱標(biāo)準(zhǔn)（自動識別）等。</p><p><b>　　實例圖片：</b></p>

58、<p><b>　　WIFI</b></p><p>　　簡介：采用無線射頻技術(shù)構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，是一種便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)</p><p><b>　　協(xié)議棧：</b></p><p>　　MAC：傳輸數(shù)據(jù)以及分配信道的使用權(quán)</p><p>　　PLPC：物理層收斂程序（physical

59、layer convergence procedure）,用于比特位的無線傳輸</p><p>　　PMD：物理介質(zhì)關(guān)聯(lián)層接口（physical media dependent）,利用天線傳送數(shù)據(jù)至媒體，指示MAC是否檢測到信號</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.11</p><p><b>　　藍(lán)牙</b></p>&

60、lt;p><b>　　協(xié)議棧示例圖片：</b></p><p><b>　　核心協(xié)議介紹：</b></p><p>　　基帶協(xié)議：確保各個藍(lán)牙設(shè)備之間的射頻連接，以形成微微網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　鏈路管理協(xié)議：（LMP），負(fù)責(zé)各設(shè)備間連接的建立和設(shè)置。</p><p>　　邏輯鏈路控制和適配

61、協(xié)議：（L2CAP），是基帶的上層協(xié)議，可以認(rèn)為L2CAP與LMP并行工作。L2CAP與LMP的區(qū)別在于當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不經(jīng)過LMP時，L2CAP為上層同服務(wù)</p><p>　　服務(wù)搜索協(xié)議：（SDP），可以查到設(shè)備和服務(wù)類型，從而在藍(lán)牙設(shè)備間建立相應(yīng)的連接。</p><p>　　第二章 室內(nèi)定位無線技術(shù)</p><p>　　1室內(nèi)無線傳播的特點</p>

62、<p>　　電磁波在各種特性媒介中的傳播機制可能涉及吸收、折射、反射、散射、繞射、導(dǎo)引、多徑干涉和多普勒頻移等一系列物理過程。這些過程取決與傳播的媒介和電磁波的頻率。同一媒介對不同頻段的電磁波，可表現(xiàn)出極不相同的特性。同一頻段的無線電波對于不同的媒介，也表現(xiàn)出極不相同的傳播效應(yīng)。當(dāng)電波在無限大的均勻、線性媒介內(nèi)傳播時，是沿直線傳播的；在不同媒介的分界面會造成電磁波的反射，折射；媒介中的不均勻物體則會造成電磁波的散射；球形地面

63、和障礙物會造成電磁波繞射。當(dāng)收發(fā)雙方在視距范圍內(nèi)時，接收到的信號主要是視距傳播的信號；當(dāng)收發(fā)雙方在視距范圍之外時，電磁波通過反射、繞射、散等方式到達(dá)接收端，造成非視距傳播。非視距傳播的信號在傳播時延，功率估計，傳播方向等方面都不能體現(xiàn)出收發(fā)雙方的準(zhǔn)確位置信息，造成無線定位中的不準(zhǔn)確現(xiàn)象。</p><p>　　在室內(nèi)無線環(huán)境下，無線信號功率小、覆蓋面較小、環(huán)境變化較大，電磁波的傳播環(huán)境遠(yuǎn)比室外空間復(fù)雜。一般情況下，

64、房間的四壁、天花板、地板、放置的家具和隨機走動的人員會使無線信號通過多條路徑到達(dá)接收端，形成多徑現(xiàn)象。由于到達(dá)接收點的各條路徑的時間延遲隨機變化，接收點合成的信號的幅度和相位都發(fā)生隨機起伏，造成信號的快衰落。</p><p><b>　　2無線定位的原理</b></p><p>　　要確定二維平面上的一個點，可以由兩條或兩條以上的直線或曲線相交得到， <

65、/p><p>　　當(dāng)測得一基站到移動終端的距離時，由幾何原理可知：該移動終端位于以基站為圓心，基終端距離為半徑的一個圓上，該圓的解析式為（設(shè)基站 1 的坐標(biāo)為1 1(x, y) ，終端的坐標(biāo)為 (x, y) ）：</p><p>　　當(dāng)基站 1，基站 2、基站 3 到終端的距離均為已知時，移動終端就位于以基站為中心，基站到終端距離為半徑的 3 個圓的交點。</p><p&g

66、t;　　聯(lián)立三個圓方程，就可以解得移動終端的坐標(biāo)(x, y)。</p><p><b>　　3定位信息的獲取</b></p><p>　　3.1基站和終端間距離的獲取</p><p>　　根據(jù)無線電波的傳播特性，在經(jīng)過一段距離的傳播以后，電磁波會有時間上的延遲和幅度上的衰減，測量到達(dá)接收端的信號的時間延遲和幅度的衰減就可以得到電磁波的傳播距離。

67、</p><p>　　3.2由信號傳播計算距離</p><p>　　第三章 無線定位基本算法</p><p><b>　　1三邊定位算法</b></p><p>　　Trilateration（三邊測量）是一種常用的定位算法：</p><p>　　已知三點位置 (x1, y1),&#

68、160;(x2, y2), (x3, y3)</p><p>　　已知未知點 (x0, y0) 到三點距離 d1, d2, d3</p><p>　　以 d1, d2, d3 為半徑作三個圓，根據(jù)畢達(dá)哥拉斯定理，得出交點即未知點的位置計算公式：</p><p>　　( x1 - x0 )2 + ( y1 - y0 )2 = d12( x

69、2 - x0 )2 + ( y2 - y0 )2 = d22( x3 - x0 )2 + ( y3 - y0 )2 = d32</p><p>　　設(shè)未知點位置為 (x, y)， 令其中的第一個球形 P1 的球心坐標(biāo)為 (0, 0)，P2 處于相同縱坐標(biāo)，球心坐標(biāo)為 (d,

70、0)，P3 球心坐標(biāo)為 (i, j)，三個球形半徑分別為 r1, r2, r3，z為三球形相交點與水平面高度。則有：</p><p>　　r12 = x2 + y2 + z2</p><p>　　r22 = (x - d)2 + y2 + z2</p><p>　　r32 = (x - i)2 + (y - j)2 + z2</p><

71、p>　　當(dāng) z = 0 時， 即為三個圓在水平面上相交為一點，首先解出 x:</p><p>　　x = (r12 - r22 + d2) / 2d</p><p>　　將公式二變形，將公式一的 z2 代入公式二，再代入公式三得到 y 的計算公式：</p><p>　　y = (r12 - r32 - x2 + (x - i)2 + j2) / 2j

72、</p><p>　　2基于接收信號特征的定位技術(shù)</p><p>　　基于接收信號特征的定位技術(shù)首先要建立需要定位的空間各點所接收到的信號特征，在定位時，將待定位終端的實際測量數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)庫中的信號特征信息對比來確定終端的實際位置。首先，在數(shù)據(jù)采集階段（學(xué)習(xí)階段），系統(tǒng)采集所需要定位的空間的位息，這些位置信息包括信號強度信息，多徑相角分量功率，多徑延遲分量功率，定位系統(tǒng)用這些信息構(gòu)成各

73、位置對應(yīng)的信號特征數(shù)據(jù)庫，然后，定位系統(tǒng)獲取待定位終端的實時數(shù)據(jù)信息，在采用相應(yīng)的匹配算法確定該終端所處的信號特征信息和數(shù)據(jù)庫中的那條記錄匹配，由于數(shù)據(jù)庫中的記錄是一特定地點的無線電信息，所以和終端的信號特征信息匹配的記錄所代表的位置就是待定位終端的位置。在一特定區(qū)域，無線電信號的非視線傳播，多徑效應(yīng)和噪聲干擾基本相同，因此，可以獲得較高的定位精度。但是在前期的學(xué)習(xí)階段，需要對待定位區(qū)域做詳細(xì)的測量，建立規(guī)模巨大的信息數(shù)據(jù)庫，其工作周期

74、和投資都比較大，而且定位區(qū)域中的物體的改變，比如新建的建筑物，拆除的建筑物和天氣的影響都需要重新測量位置信息，因此不適合對環(huán)境變化較大的區(qū)域定位。</p><p>　　第四章 項目測試分析報告</p><p><b>　　1定位數(shù)據(jù)的得到</b></p><p>　　一、四個參考節(jié)點的坐標(biāo)：</p><p>　　Anc

75、hor1 (1.9,0.0)</p><p>　　Anchor2 (1.9,2.4)</p><p>　　Anchor3 (0.0,2.4)</p><p>　　Anchor4 (0.0,0.0)</p><p>　　二、對目標(biāo)節(jié)點的測距信息及其坐標(biāo)的確定：</p><p>　　1,1,178,169,186,188

76、 (-5.8,0.0)</p><p>　　1,1,180,181,188,188 (-5.7,1.4)</p><p>　　1,1,178,184,187,188 (-4.9,3.2)</p><p>　　1,1,177,182,186,188 (-5.5,2.1)</p><p>　　1,1,177,181,188,18

77、7 (-5.7,2.0)</p><p>　　1,1,175,180,186,190 (-5.3,-0.9)</p><p>　　1,1,177,181,187,189 (-5.6,0.8)</p><p>　　1,1,177,183,186,188 (-5.2,2.7)</p><p>　　1,1,178,186,186,188

78、(-4.2,4.1)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (

79、-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (

80、-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (

81、-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (

82、-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (

83、-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,185,186,189 (-2.2,-0.3)</p><p>　　1,1,178,186,186,189 (

84、-1.7,-0.1)</p><p>　　1,1,178,184,186,189 (-2.8,-0.6)</p><p>　　1,1,178,183,186,188 (-5.2,2.7)</p><p>　　1,1,178,185,187,188 (-4.5,3.7)</p><p>　　1,1,178,178,185,189 (-5

85、.5,-1.2)</p><p>　　1,1,179,175,186,188 (-5.8,0.0)</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望 </p><p><b>　　1本文工作總結(jié)</b></p><p>　　目前，基于 zigbee 的室內(nèi)定位系統(tǒng)一般采用識別距離較遠(yuǎn)的有源電子標(biāo)簽，但有源電子標(biāo)簽的體積較大、成

86、本較高、使用壽命有限，而無源電子標(biāo)簽體積可以做到很小，甚至可以印刷在物體的表面，成本很低、使用壽命很長，具有比有源電子標(biāo)簽更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。本文在全面而系統(tǒng)的閱讀了 zigbee 和室內(nèi)定位相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計了基于無Zigee 的室內(nèi)定位系統(tǒng)。本文主要研究工作和創(chuàng)新成果體現(xiàn)在：</p><p>　　測試了實際室內(nèi)環(huán)境中 zigbee 讀寫器在存在視距傳播路徑和不存在視距傳播路徑時的發(fā)射功率和識別距離的對

87、應(yīng)關(guān)系，提出了使用參考標(biāo)簽來動態(tài)的確定路徑損耗系數(shù)的方法，并應(yīng)用對數(shù)路徑損耗模型來實時的獲取參考標(biāo)簽和讀寫器之間的距離。</p><p>　　分析并改進(jìn)了最近鄰居數(shù)據(jù)相關(guān)算法，使該算法的計算量更小，位置估計更準(zhǔn)確。由于在室內(nèi)存在大量的家具，裝修材料等障礙物，最近鄰居數(shù)據(jù)相關(guān)算法定位精度的提高主要依靠提高參考標(biāo)簽的密度。本文提出了使用最近鄰居數(shù)據(jù)相關(guān)算法作為位置的初始估計，采用 Taylor 級數(shù)展開算法迭代來提供

88、系統(tǒng)定位精度的算法。測試數(shù)據(jù)證明，當(dāng)讀卡器和帶定位標(biāo)簽之間存在障礙物時，在不增加參考標(biāo)簽情況下，本算法有比最近鄰居數(shù)據(jù)相關(guān)算法更高的定位精度。實時性是無線定位系統(tǒng)的一個重要的指標(biāo)，由于 zigbee 技術(shù)自身的特點，zigbee 定位系統(tǒng)在定位的實時性方面沒有任何優(yōu)勢。本文在詳細(xì)閱讀了 ZIGBEE 相關(guān)協(xié)議，尤其是 IEEE.802.14.5 的基礎(chǔ)上，提出了一些切實可行的提高系統(tǒng)定位實時性的方法。</p><p&

89、gt;　　2研究中遇到的問題以及解決方法</p><p>　　初始位置的估計問題。在無線定位眾多算法中 Taylor 級數(shù)展開算法具有定位精度高、不需要測量誤差的先驗信息、穩(wěn)健性好等許多優(yōu)點，但該算法需要一個接近真實位置的初始估計值。Chan 算法作為 Taylor 級數(shù)展開算法的初始值估計被大量應(yīng)用于蜂窩無線定位系統(tǒng)中。由于在基于 ZIGBEE 的定位系統(tǒng)中，無法獲得有效的測量誤差的先驗信息，因此，Chan 算

90、能用來估算迭代的初始位置。在仔細(xì)閱讀了相關(guān)文獻(xiàn)以后，本文采用不需要先驗信息的 Fang </p><p>　　算法和最近鄰居數(shù)據(jù)相關(guān)算法來估計初始位置。實驗結(jié)果證明，Taylor 級數(shù)在該初始位置處迭代可以快速的收斂。路徑損耗系數(shù)的估計。很多資料表明，在不同的室內(nèi)環(huán)境下，路徑損耗指數(shù)是不同的。實際上，在同一的室內(nèi)環(huán)境中每兩個不同點之間的路徑損耗指數(shù)也均不相同，為了更準(zhǔn)確的估計該參數(shù)，本文引入了參考電子標(biāo)簽來動態(tài)的

91、估計意兩個點之間的路徑損耗指數(shù)。</p><p><b>　　3創(chuàng)新程度</b></p><p>　　提出了改進(jìn)型定位算法，本文在結(jié)合實際情況，根據(jù)實際的定位需求，提出了改進(jìn)的定位算法，該算法利用信號強弱對目標(biāo)估算的結(jié)果，對原有算法進(jìn)行修正，將兩種算法很好的結(jié)合使用，既達(dá)到了定位的需求，又節(jié)約了成本。 </p><p>　　彌補了GPS的不足