无线传感器网络的室内定位系统软件设计
目录
1 引言 1
2 国内外研究现状 1
3 定位系统的关键技术 2
3.1 ZigBee技术简介 2
3.2 室内定位技术 2
4 定位系统的设计 4
4.1 系统设计需求 4
4.2 系统总体设计方案 4
4.3 系统节点选择 5
4.4 系统定位原理 5
4.5 系统软件设计 6
5 系统实现 12
5.1 硬件平台搭建 12
5.2 测试准备 12
5.3 测试结果 13
5.4 结果分析 13
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
附录 21
1 引言
近年来，随着我国经济的飞快发展，综合国力进一步增强，在科学技术上，我国同样有着不可替代的力量。随着互联网时代的到来，各种网络技术铺天盖地般袭来，人们也开始对生产生活中的安全和智能化的需求越来越高[1]，定位技术在许多领域都有着重要运用。全球定位系统（GPS）是当今世界应用最广泛和最成功的定位技术，它主要发送微波信号，计算相关卫星之间的距离，而微波可以很容易地被茂密的树林、高大的建筑物和金属遮盖物等障碍物吸收，所以GPS只适用于开阔的室外，不适合有遮挡的地方，而在室内，由于复杂的信道环境、衰减厉害的微波信号以及较大的测量误差，GPS技术的使用并不理想。
现代社会，室内定位技术在许多方面已经越来越受到关注，要求也越来越严格。例如在医院，定位系统可以确定病人的位置并及时到达抢救病人；在超市，消费者可以根据商品名称、种类等信息查询商品位置。由此看来，对于 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
室内定位这一项技术的研究是很有必要的，特别是在基于无线传感器网络方面的室内定位技术。另外，由于无线传感器网络其成本低、功耗低、组网方便、易于部署，非常适合室内定位，因此在这样的背景下提出了此课题的研究。
2 国内外研究现状
无线定位技术的最初起源是1996年[2]，美国联邦电信委员会颁发了E-911安全条例，要求在2005年底前，所有在美国销售手机的运营商和制造商必须向用户提供移动电话和通信服务的定位功能。在这之后也有一些国家有了同样的规定，所以，无线定位技术的应用规模在不断地扩大，可以说已经渗透到各行各业。
目前，室内定位技术已经广泛应用在人们生活的方方面面，在这之前用于室内定位的系统就有早期的红外感应系统以及近年来陆续出现的无线探测系统和Cricket系统等。无线传感器网络作为一种新兴的无线技术，在军事、智能交通、医疗卫生、环境监测等多个领域得到了广泛的应用。作为一种分布式传感器网络 ，它不是集中处理的模式，可以分为多个传感器，多个处理单元，多个网络，不同的信息可以传送到不同的单元进行数据处理，有效提高了网络的通信能力，降低了网络的负载，缩短了处理时间和等待时间，相对于传统网络有明显的优势。
关于无线传感器网络中的定位算法问题[3]，一直是这个领域内研究方向的热点问题，并且涌现出了各种各样新的定位方法和算法，尤其是在与距离无关的算法方面，出现了大量快速、良好的新算法，极大地促进了整个领域的发展。另外，为了能够有效地理解定位系统的工作原理，可以通过了解这一系列的基于距离的定位算法来达到目的，同时，也可以在这个基础上开发并设计出更好的室内定位系统。
3 定位系统的关键技术
3.1 ZigBee技术简介
ZigBee这种新型的无线通信技术具有非常高的可靠性[4]，同时它也是一个能由65000个无线数传模块所构成的无线数传的网络平台，无线通信技术的最大优点就是没有约束[5]，每个节点之间的距离都是可调的，标准距离是75m，但是可以增加到几百米、几千米、几万米，甚至是可以无限扩大，无论节点之间的距离多大，只要在同一个网络中，它们都可以互相通信而不受距离的影响，而且由于网络的分布式特点[6]，每个数传网络都能互相进行无线通信，也能处理相应的消息。
ZigBee技术的特点是低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠、安全[7-10]。采用的是自组织网技术，能够自动开始工作，寻找通信对象并且快速组成互相连通的通讯网络。另外，因为人员可能随时移动，相互间的联络还会发生变化。因此，模块还需要重新寻找通信对象，确定对方的连接，以刷新原有的网络，这就是自组织网络。采用自组织网络具有许多优点，比如网状网通信，这是一种非常重要的多通道通信方式。
3.2 室内定位技术
随着网络的不断发展，无线技术很快走进了人们的生活并且占据了人们生活的绝大部分，它凭借着方便、快速、约束少等特点得到了绝大部分人的青睐。而无线定位 技术也从这一发展中脱颖而出，它主要是通过测量和计算的方法来判定移动目标的位置信息，从而完成定位。
3.2.1 移动节点坐标的计算方法
在本文所研究的室内定位系统中，一共有四个参考节点和一个移动节点。参考节点顾名思义是用作参考的，说明它的位置通常都是已知的，在系统定位时，都是先固定好参考 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
节点的位置，定位过程中不能随便移动，就像是物理中的参照物，移动节点的位置信息都是以参考节点的位置作为参照来定位的。移动节点也叫做盲节点，从名字中也能知道它的位置信息都是未知的，而且是需要用来定位的点。如何来计算这个移动节点的坐标问题就是一种基于几何的计算方法：三边测量算法[11]。无线传感器网络的参考节点位置信息都是已知的，在使用前需要为其分配相应的物理地址，而移动节点的坐标位置是要通过下位机程序来计算的。
假设A、B、C为三个参考节点，以它们为圆心，到未知节点的距离为半径画圆，再由三个方程建立方程组解出交点坐标，这就是三边定位原理。图中三个圆心A、B、C的坐标是已知的，分别为（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3），可以分别列出三个圆的方程，然后联立方程组，如下所示：
根据上面的方程组以及原理图可知，三个圆都相交于同一点，由于这三个圆是以未知节点到参考节点的距离为半径，参考节点为圆心所画出来的圆，而且又相交于同一点，说明这个交点的坐标就是需要定位的移动节点的坐标，通过这种数学的方法可以计算出移动节点的坐标。这是在理想的情况下，没有任何其他干扰因素的影响时，可以正好相交于同一点，但是在实际场景中，由于环境的影响，还有一些障碍物的干扰，节点在发射射频信号的时候受到影响，三个圆的交点个数还有待判断，下面这组图形象的表示了三个圆的交点可能出现的情况，如图3-2：
由于各种环境或者其他因素的干扰，通常在实际问题中，三个圆的交点个数不一定，所以要首先采用两两联立方程组求解交点的方法先判断交点的个数。如果三组方程组都有解，则分别选取距离另一个圆的圆心近的点组成三角形，求出三角形的重心坐标即为所求移动节点的位置坐标；如果三组方程都无解，则连接两圆圆心，与两圆相交于两点，取两点之间的中心位置为所需的点，得到三点以后连成三角形取重心为移动节点位置坐标[12]。
4 定位系统的设计
4.1 系统设计需求
在设计基于无线传感器网络的室内定位系统时，要让设计的系统能够满足需求，这样设计的系统才有使用价值。首先，该系统应该具有节能的特性；在CC2530这组套件中，传感器节点的设计非常人性化，采用的干电池供电的模式，需要使用的时候装入电池使用，不需要时可以拔出电池，以免浪费电池能量，这也有效地降低了能耗，毕竟电池能量也是有限，不可随意浪费，这是硬件方面的设计，而对于软件方面，要做到节能，只能在系统的算法问题上加以改进[13]，尽量减少系统的计算量和复杂度，优化系统性能。其次，是系统的成本问题；低成本总是所有人都愿意看到的结果，如果说一个系统的成本过高，即使最后设计成功，投入使用后，能够负担得起高成本的人也是很少，使用的人数也会相对减少很多，这就大大降低了市场需求，设计的系统应用的价值也就得不到很好的体现。最后是系统的容错性；在做系统设计的时候，都是在理想的状态下设计开发，所假设的情况，所设计的算法都是理想的，但是最后实际中得到的结果并不一定都是理想的，因为在环境，节点通信，测距方面都可能存在误差，所以测得的结果并不是完全理想的，存在误差是在所难免的，因此，要求设计的系统能够容忍一定的误差。
1 引言 1
2 国内外研究现状 1
3 定位系统的关键技术 2
3.1 ZigBee技术简介 2
3.2 室内定位技术 2
4 定位系统的设计 4
4.1 系统设计需求 4
4.2 系统总体设计方案 4
4.3 系统节点选择 5
4.4 系统定位原理 5
4.5 系统软件设计 6
5 系统实现 12
5.1 硬件平台搭建 12
5.2 测试准备 12
5.3 测试结果 13
5.4 结果分析 13
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
附录 21
1 引言
近年来，随着我国经济的飞快发展，综合国力进一步增强，在科学技术上，我国同样有着不可替代的力量。随着互联网时代的到来，各种网络技术铺天盖地般袭来，人们也开始对生产生活中的安全和智能化的需求越来越高[1]，定位技术在许多领域都有着重要运用。全球定位系统（GPS）是当今世界应用最广泛和最成功的定位技术，它主要发送微波信号，计算相关卫星之间的距离，而微波可以很容易地被茂密的树林、高大的建筑物和金属遮盖物等障碍物吸收，所以GPS只适用于开阔的室外，不适合有遮挡的地方，而在室内，由于复杂的信道环境、衰减厉害的微波信号以及较大的测量误差，GPS技术的使用并不理想。
现代社会，室内定位技术在许多方面已经越来越受到关注，要求也越来越严格。例如在医院，定位系统可以确定病人的位置并及时到达抢救病人；在超市，消费者可以根据商品名称、种类等信息查询商品位置。由此看来，对于 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
室内定位这一项技术的研究是很有必要的，特别是在基于无线传感器网络方面的室内定位技术。另外，由于无线传感器网络其成本低、功耗低、组网方便、易于部署，非常适合室内定位，因此在这样的背景下提出了此课题的研究。
2 国内外研究现状
无线定位技术的最初起源是1996年[2]，美国联邦电信委员会颁发了E-911安全条例，要求在2005年底前，所有在美国销售手机的运营商和制造商必须向用户提供移动电话和通信服务的定位功能。在这之后也有一些国家有了同样的规定，所以，无线定位技术的应用规模在不断地扩大，可以说已经渗透到各行各业。
目前，室内定位技术已经广泛应用在人们生活的方方面面，在这之前用于室内定位的系统就有早期的红外感应系统以及近年来陆续出现的无线探测系统和Cricket系统等。无线传感器网络作为一种新兴的无线技术，在军事、智能交通、医疗卫生、环境监测等多个领域得到了广泛的应用。作为一种分布式传感器网络 ，它不是集中处理的模式，可以分为多个传感器，多个处理单元，多个网络，不同的信息可以传送到不同的单元进行数据处理，有效提高了网络的通信能力，降低了网络的负载，缩短了处理时间和等待时间，相对于传统网络有明显的优势。
关于无线传感器网络中的定位算法问题[3]，一直是这个领域内研究方向的热点问题，并且涌现出了各种各样新的定位方法和算法，尤其是在与距离无关的算法方面，出现了大量快速、良好的新算法，极大地促进了整个领域的发展。另外，为了能够有效地理解定位系统的工作原理，可以通过了解这一系列的基于距离的定位算法来达到目的，同时，也可以在这个基础上开发并设计出更好的室内定位系统。
3 定位系统的关键技术
3.1 ZigBee技术简介
ZigBee这种新型的无线通信技术具有非常高的可靠性[4]，同时它也是一个能由65000个无线数传模块所构成的无线数传的网络平台，无线通信技术的最大优点就是没有约束[5]，每个节点之间的距离都是可调的，标准距离是75m，但是可以增加到几百米、几千米、几万米，甚至是可以无限扩大，无论节点之间的距离多大，只要在同一个网络中，它们都可以互相通信而不受距离的影响，而且由于网络的分布式特点[6]，每个数传网络都能互相进行无线通信，也能处理相应的消息。
ZigBee技术的特点是低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠、安全[7-10]。采用的是自组织网技术，能够自动开始工作，寻找通信对象并且快速组成互相连通的通讯网络。另外，因为人员可能随时移动，相互间的联络还会发生变化。因此，模块还需要重新寻找通信对象，确定对方的连接，以刷新原有的网络，这就是自组织网络。采用自组织网络具有许多优点，比如网状网通信，这是一种非常重要的多通道通信方式。
3.2 室内定位技术
随着网络的不断发展，无线技术很快走进了人们的生活并且占据了人们生活的绝大部分，它凭借着方便、快速、约束少等特点得到了绝大部分人的青睐。而无线定位 技术也从这一发展中脱颖而出，它主要是通过测量和计算的方法来判定移动目标的位置信息，从而完成定位。
3.2.1 移动节点坐标的计算方法
在本文所研究的室内定位系统中，一共有四个参考节点和一个移动节点。参考节点顾名思义是用作参考的，说明它的位置通常都是已知的，在系统定位时，都是先固定好参考 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
节点的位置，定位过程中不能随便移动，就像是物理中的参照物，移动节点的位置信息都是以参考节点的位置作为参照来定位的。移动节点也叫做盲节点，从名字中也能知道它的位置信息都是未知的，而且是需要用来定位的点。如何来计算这个移动节点的坐标问题就是一种基于几何的计算方法：三边测量算法[11]。无线传感器网络的参考节点位置信息都是已知的，在使用前需要为其分配相应的物理地址，而移动节点的坐标位置是要通过下位机程序来计算的。
假设A、B、C为三个参考节点，以它们为圆心，到未知节点的距离为半径画圆，再由三个方程建立方程组解出交点坐标，这就是三边定位原理。图中三个圆心A、B、C的坐标是已知的，分别为（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3），可以分别列出三个圆的方程，然后联立方程组，如下所示：
根据上面的方程组以及原理图可知，三个圆都相交于同一点，由于这三个圆是以未知节点到参考节点的距离为半径，参考节点为圆心所画出来的圆，而且又相交于同一点，说明这个交点的坐标就是需要定位的移动节点的坐标，通过这种数学的方法可以计算出移动节点的坐标。这是在理想的情况下，没有任何其他干扰因素的影响时，可以正好相交于同一点，但是在实际场景中，由于环境的影响，还有一些障碍物的干扰，节点在发射射频信号的时候受到影响，三个圆的交点个数还有待判断，下面这组图形象的表示了三个圆的交点可能出现的情况，如图3-2：
由于各种环境或者其他因素的干扰，通常在实际问题中，三个圆的交点个数不一定，所以要首先采用两两联立方程组求解交点的方法先判断交点的个数。如果三组方程组都有解，则分别选取距离另一个圆的圆心近的点组成三角形，求出三角形的重心坐标即为所求移动节点的位置坐标；如果三组方程都无解，则连接两圆圆心，与两圆相交于两点，取两点之间的中心位置为所需的点，得到三点以后连成三角形取重心为移动节点位置坐标[12]。
4 定位系统的设计
4.1 系统设计需求
在设计基于无线传感器网络的室内定位系统时，要让设计的系统能够满足需求，这样设计的系统才有使用价值。首先，该系统应该具有节能的特性；在CC2530这组套件中，传感器节点的设计非常人性化，采用的干电池供电的模式，需要使用的时候装入电池使用，不需要时可以拔出电池，以免浪费电池能量，这也有效地降低了能耗，毕竟电池能量也是有限，不可随意浪费，这是硬件方面的设计，而对于软件方面，要做到节能，只能在系统的算法问题上加以改进[13]，尽量减少系统的计算量和复杂度，优化系统性能。其次，是系统的成本问题；低成本总是所有人都愿意看到的结果，如果说一个系统的成本过高，即使最后设计成功，投入使用后，能够负担得起高成本的人也是很少，使用的人数也会相对减少很多，这就大大降低了市场需求，设计的系统应用的价值也就得不到很好的体现。最后是系统的容错性；在做系统设计的时候，都是在理想的状态下设计开发，所假设的情况，所设计的算法都是理想的，但是最后实际中得到的结果并不一定都是理想的，因为在环境，节点通信，测距方面都可能存在误差，所以测得的结果并不是完全理想的，存在误差是在所难免的，因此，要求设计的系统能够容忍一定的误差。
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