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基于ZigBee的室内定位系统的研究与设计

作 者: 甄锁强
导 师: 闫保中
学 校: 哈尔滨工程大学
专 业: 导航、制导与控制
关键词: 室内定位系统 ZigBee 接收信号强度指示 环境自适应 节点定位
分类号: TN929.5
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


随着人类社会的进步和科学技术的发展,人们对定位和导航的需求日益增大,尤其在复杂的室内环境,如办公大楼、矿井、地下停车场、仓库、机场大厅等环境中,常常需要确定相关人员和重要设施的位置信息。但是受复杂室内环境、定位精度、定位时间等条件的限制,目前比较完善的定位技术在封闭空间还无法很好的利用。本文的重点就是设计一种低成本、低功耗、实用的无线室内定位系统。本文首先对室内定位系统的国内外研究现状进行了分析,说明了相关系统存在的主要问题。通过对比多种无线定位技术的优缺点,选择了基于ZigBee技术进行室内定位系统的开发。本文主要研究了基于ZigBee网络的室内无线定位技术,在此基础上设计了一个可适用于多种室内场合的定位系统。本系统选择了方便易行的基于接收信号强度指示RSSI(Received Signal Strength Indication)的定位算法,并针对该算法存在的不足,提出了环境自适应定位算法——EAL(Environment Adaptive Location),通过Matlab平台仿真,验证了EAL算法的可行性和可靠性。同时提出了EAL算法软件定位和定位引擎硬件定位的混合定位方法。本文设计的定位系统,包括硬件平台、节点软件和上位机软件三部分。本文详细介绍了三部分的实现,其中,硬件平台以CC2430/CC2431芯片为核心,该平台包括射频模块和辅助功能模块。节点软件的设计以TI的Z-Stack协议栈和混合定位方法为基础,论文详细介绍了各节点的程序流程和主要功能函数实现。在Visual C++6.0环境中编写了上位机软件,论文给出了上位机软件的详细实现方案。论文最后,经过设置节点参数、建立测试环境等,完成了对ZigBee室内定位系统的测试,根据结果对系统性能进行了分析,结果表明:本系统达到了设计要求,是一个低成本、低功耗、易实现、可靠性高的室内定位系统。同时,针对实验中发现的不足,指出了该系统下一步继续完善的研究方向。

全文目录


摘要  5-6ABSTRACT  6-10第1章 绪论  10-15  1.1 课题研究背景及意义  10  1.2 室内定位系统的国内外研究现状  10-12    1.2.1 国外研究现状  10-12    1.2.2 国内研究现状  12  1.3 室内无线定位技术选择  12-14  1.4 课题主要内容及所做工作  14-15第2章 ZigBee相关技术研究及定位系统总体设计  15-25  2.1 ZigBee技术  15-19    2.1.1 ZigBee发展及特点分析  15-16    2.1.2 ZigBee芯片比较与选型  16-18    2.1.3 CC2430/CC2431  18-19  2.2 ZigBee协议栈研究  19-22    2.2.1 ZigBee协议栈结构分析  19-20    2.2.2 Z-Stack协议栈研究  20-22  2.3 ZigBee室内定位系统总体设计  22-24    2.3.1 无线传感器网络节点定位问题描述  22-23    2.3.2 室内定位系统结构设计  23-24    2.3.3 定位目标分析  24  2.4 本章小结  24-25第3章 实用室内无线定位算法研究  25-43  3.1 定位算法分析与比较  25-27    3.1.1 基于测距的定位  25-26    3.1.2 无需测距的定位  26    3.1.3 定位算法比较  26-27  3.2 基于RSSI测距定位研究  27-32    3.2.1 经验模型定位分析  27    3.2.2 理论模型定位研究  27-29    3.2.3 节点位置计算方法研究及改进  29-32      3.2.3.1 三边测量法及其改进  29-31      3.2.3.2 极大似然估计法  31-32  3.3 基于环境自适应的RSSI定位改进  32-39    3.3.1 环境自适应思路的提出  32-33    3.3.2 环境自适应定位算法——EAL  33-35    3.3.3 算法仿真及结果分析  35-37    3.3.4 EAL算法中定位子区域选择的研究  37-39  3.4 EAL算法与定位引擎结合的软硬件混合定位  39-42    3.4.1 混合定位分析  39-40    3.4.2 CC2431定位引擎及其操作  40-42  3.5 本章小结  42-43第4章 ZigBee室内定位系统软硬件设计  43-62  4.1 系统软硬件设计需考虑的问题  43-45  4.2 系统硬件设计  45-52    4.2.1 硬件系统总体规划  45    4.2.2 射频模块设计  45-47    4.2.3 辅助功能模块设计  47-50    4.2.4 抗干扰PCB设计  50-52  4.3 系统节点软件设计  52-57    4.3.1 节点软件开发环境  52-53    4.3.2 网关节点软件设计  53-54    4.3.3 参考节点软件设计  54-56    4.3.4 定位节点软件设计  56-57  4.4 系统上位机软件设计  57-61  4.5 本章小结  61-62第5章 系统测试及分析  62-70  5.1 节点设置  62-65    5.1.1 各节点分配物理地址  62-63    5.1.2 各节点程序编译下载  63-65  5.2 测试环境的建立  65-67    5.2.1 节点布置  65-66    5.2.2 系统设置  66-67  5.3 测试结果分析  67-68    5.3.1 结果分析  67    5.3.2 误差分析  67-68  5.4 ZigBee室内定位系统性能分析  68-69  5.5 本章小结  69-70结论  70-71参考文献  71-74攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  74-75致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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