无线传感器网络的室内定位系统硬件设计
本文基于无线传感器网络实现了室内定位系统的硬件设计。系统由四个参考节点、一个移动节点和一个网关节点组成，参考节点不断向外发射射频信号；移动节点检测并获取自身与参考节点之间通讯的接收信号强度，然后将检测信息无线传送至网关节点，最后由网关通过串口通信模块将定位数据信息统一发送至上位机，在上位机中调用定位算法实现移动节点的目标定位。主要完成了硬件节点的原理图设计，具体功能模块包括电源电路、串口电路及指示电路等。硬件节点采用CC2530，开发环境采用IAR，联合软件测试实现了系统功能。关键词 无线传感器网络，节点定位，CC2530目 录
1 引言 2
1.1 课题研究的背景 2
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题研究的意义及内容 4
1.4 论文的章节安排 4
2 ZigBee技术 5
2.1 ZigBee简介 5
2.2 ZigBee组网 6
2.3 ZigBee 协议栈 7
3 定位系统及总体设计 10
3.1 定位系统 11
3.2 系统的总体方案设计 11
4 室内定位系统的硬件设计 12
4.1 系统的硬件设计 12
4.2 节点的硬件设计 18
4.3 电路图设计 20
5 测试与分析 21
5.1 实验设备及开发平台 21
5.2 测试步骤 21
5.3 测试结果及分析 22
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录A 网关节点电路原理图 29
附录B 参考节点/移动节点电路原理图 29
附录C 射频板实物图 29
1 引言
1.1 课题研究的背景
近年来，无线网络的蓬勃发展使得人类在安全、导航、监测、测量、调度、自动控制等应用领域内对位置服务的相关性能的需求越来越严格。目前，全球定位系统（GPS）已经被广泛地应用于室外定位，像手机定位、汽车导航等等，都与GPS密切相关。但全球定位
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参考节点/移动节点电路原理图 29
附录C 射频板实物图 29
1 引言
1.1 课题研究的背景
近年来，无线网络的蓬勃发展使得人类在安全、导航、监测、测量、调度、自动控制等应用领域内对位置服务的相关性能的需求越来越严格。目前，全球定位系统（GPS）已经被广泛地应用于室外定位，像手机定位、汽车导航等等，都与GPS密切相关。但全球定位系统发射的卫星信号很容易被建筑物、厚木材及金属等材料覆盖吸收。而且，在室内，全球定位系统的卫星信号很容易被各种障碍物阻挡，从而很难准确定位。因此，全球定位系统只适用于户外和开阔度较好的地方。但人类的生产和生活有80%与室内密切相关，因而，室内定位技术在日常生活中具有良好的应用前景。
随着通信技术、嵌入式计算机技术以及传感器技术的不断发展，一种新兴的无线网络技术——无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）被人们广为关注。一个无线传感器网络是由许多分布在作用范围内的细微的传感器节点自组织组成的，这些节点自带无线通信与计算能力，可以根据环境的不同自主选择任务后完成[1]， 并将信息通过自组多跳的无线网络方式发送给用户端[2]。这种无线传感器网络的出现，解决了我们室内定位的很多问题。
其中，Zigbee技术因其近距离、低功耗、低速率、低成本、可定位等优点，使其在无线传感器网络领域中发挥着巨大的作用。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 无线传感器网络
无线传感器网络首先由美国国防部开启研究。2001 年，为了提高未来战斗系统的生存能力，美国陆军提出了将无人看守式弹药、未来战斗系统所用的机器人系统和传感器组成网络的“灵巧传感器网络通信”计划[3]。2002 年，Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，旨在将微型传感器网络应用于医学、环境监测、和行星探测等领域[3]。美国著名院校如加州大学伯克利分校、麻省理工学院、哈佛大学等都有设立研究小组专门研究传感器网络的相关技术。
后来，欧洲、亚洲的其他一些国家的大学和研究机构也开始了无线传感器网络相关技术及其应用的研究热潮。企业中，欧盟的Philips、 France Telecom、Siemens、Ericsson等公司以及日本的NEC、欧姆龙、OKI、Sky2 等公司也都开展了研究[3]。
我国首次提到无线传感器网络是在1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中[3]。不多久，一些研究机构如中国科学院自动化所，还有清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等大学也开始专研传感器网络。2004年11月，中国关于Wireless sensor network的第一次专题报告会由中国计算机学会青年计算机科技论坛在北京组织召开，会上讨论了WSN技术及其在中国的发展问题[3]。2006年初，《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中界定了2个与无线传感器网络直接相关的信息技术，即智能感知技术和自组织网络技术。2010年，在我国的远景规划和“十五”计划中，被列为重点发展的产业列表中就包括WSN[3]。
由此可见，不断开拓和发掘无线传感器网络的性能，对全球各国的发展应用均有着相当重大的意义。
1.2.2 室内定位技术研究现状
自1990年后，国内外诸多研究机构和著名院校都开始了对室内定位技术的研究。例如AT&T实验室研发的Active Badges和Active Bats系统、MIT提出的Cricket系统、Microsoft公司开发的RADAR系统及香港科技大学研发的LANDMARC系统等。
目前，常用的室内定位技术如下：
超声波技术
超声波定位技术的定位方法很简单，就是通过发射的超声波信号的反射进行测距，定位较为精准。但因为在数据传输过程中采用多径效应和非视距传播，导致数据衰减明显从而影响定位的有效范围，且总体成本较高。
红外线技术
红外线定位技术是通过放置在室内的光学传感器接收来自的红外射线进行定位，这些红外射线是由各移动设备的红外线IR标识发射调制而成，定位精准度较高[6]。然而，由于光线无法穿透障碍物包括受其他灯光干扰等因素，使得红外射线仅能视距传播[6]，该传播方式缩短了传输距离且只能直线传播，使其定位更为复杂。因此，只适合短距离传播，较其它技术并不实用有效。
超宽带技术（UWB）
超宽带定位技术的数据传输是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来实现的，能够准确定位[5]。超宽带的系统传输速率高、发射功率较低、穿透力较强、无载波，正是由于这些优点，通常被用于室内移动物体的精确定位。
射频识别定位技术（RFID）
所谓的RFID，顾名思义，就是通过发射和接收射频信号的方式进行数据识别也就是通信来实现定位的，数据传输之间不需要实体接触，而且可以双向传输。该技术获取信息时间特别短，可以细化到厘米级，且传输范围大、成本也较低，不易受环境的干扰等[7]。
无线局域网（Wi-Fi）和ZigBee技术均是基于2.45GHz频道RFID的无线室内定位系统，其中，ZigBee技术尤其适合室内定位研
1 引言 2
1.1 课题研究的背景 2
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题研究的意义及内容 4
1.4 论文的章节安排 4
2 ZigBee技术 5
2.1 ZigBee简介 5
2.2 ZigBee组网 6
2.3 ZigBee 协议栈 7
3 定位系统及总体设计 10
3.1 定位系统 11
3.2 系统的总体方案设计 11
4 室内定位系统的硬件设计 12
4.1 系统的硬件设计 12
4.2 节点的硬件设计 18
4.3 电路图设计 20
5 测试与分析 21
5.1 实验设备及开发平台 21
5.2 测试步骤 21
5.3 测试结果及分析 22
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录A 网关节点电路原理图 29
附录B 参考节点/移动节点电路原理图 29
附录C 射频板实物图 29
1 引言
1.1 课题研究的背景
近年来，无线网络的蓬勃发展使得人类在安全、导航、监测、测量、调度、自动控制等应用领域内对位置服务的相关性能的需求越来越严格。目前，全球定位系统（GPS）已经被广泛地应用于室外定位，像手机定位、汽车导航等等，都与GPS密切相关。但全球定位
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
参考节点/移动节点电路原理图 29
附录C 射频板实物图 29
1 引言
1.1 课题研究的背景
近年来，无线网络的蓬勃发展使得人类在安全、导航、监测、测量、调度、自动控制等应用领域内对位置服务的相关性能的需求越来越严格。目前，全球定位系统（GPS）已经被广泛地应用于室外定位，像手机定位、汽车导航等等，都与GPS密切相关。但全球定位系统发射的卫星信号很容易被建筑物、厚木材及金属等材料覆盖吸收。而且，在室内，全球定位系统的卫星信号很容易被各种障碍物阻挡，从而很难准确定位。因此，全球定位系统只适用于户外和开阔度较好的地方。但人类的生产和生活有80%与室内密切相关，因而，室内定位技术在日常生活中具有良好的应用前景。
随着通信技术、嵌入式计算机技术以及传感器技术的不断发展，一种新兴的无线网络技术——无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）被人们广为关注。一个无线传感器网络是由许多分布在作用范围内的细微的传感器节点自组织组成的，这些节点自带无线通信与计算能力，可以根据环境的不同自主选择任务后完成[1]， 并将信息通过自组多跳的无线网络方式发送给用户端[2]。这种无线传感器网络的出现，解决了我们室内定位的很多问题。
其中，Zigbee技术因其近距离、低功耗、低速率、低成本、可定位等优点，使其在无线传感器网络领域中发挥着巨大的作用。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 无线传感器网络
无线传感器网络首先由美国国防部开启研究。2001 年，为了提高未来战斗系统的生存能力，美国陆军提出了将无人看守式弹药、未来战斗系统所用的机器人系统和传感器组成网络的“灵巧传感器网络通信”计划[3]。2002 年，Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，旨在将微型传感器网络应用于医学、环境监测、和行星探测等领域[3]。美国著名院校如加州大学伯克利分校、麻省理工学院、哈佛大学等都有设立研究小组专门研究传感器网络的相关技术。
后来，欧洲、亚洲的其他一些国家的大学和研究机构也开始了无线传感器网络相关技术及其应用的研究热潮。企业中，欧盟的Philips、 France Telecom、Siemens、Ericsson等公司以及日本的NEC、欧姆龙、OKI、Sky2 等公司也都开展了研究[3]。
我国首次提到无线传感器网络是在1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中[3]。不多久，一些研究机构如中国科学院自动化所，还有清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等大学也开始专研传感器网络。2004年11月，中国关于Wireless sensor network的第一次专题报告会由中国计算机学会青年计算机科技论坛在北京组织召开，会上讨论了WSN技术及其在中国的发展问题[3]。2006年初，《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中界定了2个与无线传感器网络直接相关的信息技术，即智能感知技术和自组织网络技术。2010年，在我国的远景规划和“十五”计划中，被列为重点发展的产业列表中就包括WSN[3]。
由此可见，不断开拓和发掘无线传感器网络的性能，对全球各国的发展应用均有着相当重大的意义。
1.2.2 室内定位技术研究现状
自1990年后，国内外诸多研究机构和著名院校都开始了对室内定位技术的研究。例如AT&T实验室研发的Active Badges和Active Bats系统、MIT提出的Cricket系统、Microsoft公司开发的RADAR系统及香港科技大学研发的LANDMARC系统等。
目前，常用的室内定位技术如下：
超声波技术
超声波定位技术的定位方法很简单，就是通过发射的超声波信号的反射进行测距，定位较为精准。但因为在数据传输过程中采用多径效应和非视距传播，导致数据衰减明显从而影响定位的有效范围，且总体成本较高。
红外线技术
红外线定位技术是通过放置在室内的光学传感器接收来自的红外射线进行定位，这些红外射线是由各移动设备的红外线IR标识发射调制而成，定位精准度较高[6]。然而，由于光线无法穿透障碍物包括受其他灯光干扰等因素，使得红外射线仅能视距传播[6]，该传播方式缩短了传输距离且只能直线传播，使其定位更为复杂。因此，只适合短距离传播，较其它技术并不实用有效。
超宽带技术（UWB）
超宽带定位技术的数据传输是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来实现的，能够准确定位[5]。超宽带的系统传输速率高、发射功率较低、穿透力较强、无载波，正是由于这些优点，通常被用于室内移动物体的精确定位。
射频识别定位技术（RFID）
所谓的RFID，顾名思义，就是通过发射和接收射频信号的方式进行数据识别也就是通信来实现定位的，数据传输之间不需要实体接触，而且可以双向传输。该技术获取信息时间特别短，可以细化到厘米级，且传输范围大、成本也较低，不易受环境的干扰等[7]。
无线局域网（Wi-Fi）和ZigBee技术均是基于2.45GHz频道RFID的无线室内定位系统，其中，ZigBee技术尤其适合室内定位研
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