基于ZigBee协议的短距离无线定位系统研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 3.18MB 63 页 15积分

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摘要

随着集成电路技术和高频无线技术的发展，各种短距离无线通信技术正日

益走进我们的生活。ZigBee 是一种新兴的低速率、低功耗的无线网络技术。而

随着社会生产的日益发展，短距离无线定位的需求也显得越来越重要。本文提

出了一种基于 ZigBee 网络技术的短距离无线定位系统，能够广泛的应用在矿

山、火灾救援等场合。

论文采用模块化的设计方法，共分为参考节点、盲节点和网关电路三个模

块部分。节点电路硬件上采用 TI 公司的 CC2430/2431 作为射频处理核心，网关

电路主控制器采用的是 NXP 半导体公司的 ARM 芯片 LPC2103，具有实现成本

低、方便、可靠的特点。

论文主要从以下 3个方面开展系统的设计研究工作：

1．依据 IEEE802.15.4 协议和 ZigBee 规范，研究分析了 ZigBee 协议栈内容，

对协议栈的操作流程和各层功能进行深入了解，着重研究了网络拓扑的整体结

构和设计。

2．针对在定位控制领域的具体应用，提出了节点电路的硬件设计方案，并

给出了软件设计流程。

3．基于具有 ARM7 TDMI 内核的 LPC2103 完成了网关电路平台的设计，

实现了与上位机的通讯功能。

4.设计了点对点通讯实验及定位测试实验，验证了通讯功能以及定位系统

的可行性。

本文侧重于各模块电路的嵌入式软硬件设计，而对上位机人机界面等不做

过多的研究。设计的系统实现了预期的功能，可以在低成本下实现较高的定位

精度。

关键字：ZigBee 短距离定位 RSSI LPC2103 CC2430/2431

ABSTRACT

With the development of integrated circuit and high frequency wireless

technology,the application of wireless communication becomes more and more

popular in our daily life.ZigBee is a kind of emerging wireless network technology

with low rate and low power. The application is more important to position within

the short range in the progress of the social civilization.A wireless position system

based on ZigBee network technology was designed in this thesis. It could be easily

applied in the hostile environment ,such as coal mine,fire scene etc.

In this thesis, we adopted the approach of module design,including blind

node,reference node and gateway circuit.The node circuit was consisted of

CC2430/2431 made by Texas Instrument as the core RF chip,while the gateway

circuit was interfaced by LPC2103 made by NXP Semiconductor as the

microprogrammed control unit.

The research is mainly focused on the following aspect:

1. The protocol stack of ZigBee technology according to IEEE802.15.4 , and

ZigBee specification.Understand the workflow of protocol stack and the

function of layers were investigated and analyzed. The structure and

design of network topology were stressed in the thesis.

2. For the specific application of position system, this thesis proposed the

hardware design solution of the node circuit.and design flow of the

software.

3. The design of gateway circuit platform based on LPC2103 with the core

of ARM7 TDMI has been accomplished and enabled the communication

between gateway platform and PC.

4. The communication test from point to point was carried out, and the

position and communication was demonstrated.

This thesis proposed and designed a solution of ZigBee location

system,mainly place emphasis on the embedded hardware and software design.

The design of man-machine interface software is not our key point.The system

implemented the expected function and reached the high accuracy of location.

Keyword: ZigBee,Short distance location,RSSI,LPC2103,CC2430/2431

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

§1.1 选题背景 .................................................. 1

§1.2 ZigBee 技术 ............................................... 2

§1.3 国内外技术发展现状 ........................................3

§1.4 定位系统的具体应用及实现 ..................................4

§1.5 本文的主要工作及安排 ......................................4

第二章 Zigbee 协议栈结构及网络拓扑 ..................................6

§2.1 IEEE 802.15.4 通信层 ......................................6

§2.1.1 物理层 PHY 协议 ...................................... 6

§2.1.2 介质接入控制 MAC 层协议 .............................. 7

§2.2 网络层 ....................................................9

§2.2.1 网络层概述 .......................................... 9

§2.2.2 网络协议数据单元结构 ................................10

§2.3 网络层具体功能 ........................................... 11

§2.3.1 建立新网络 ..........................................11

§2.3.2 加入网络 ........................................... 12

§2.3.3 离开网络 ............................................12

§2.3.4 数据的发送与接收 ....................................13

§2.3.5 路由选择 ............................................13

§2.3.6 网络拓扑结构 ........................................14

§2.3.7 广播通信 ........................................... 14

§2.4 应用层 ................................................... 15

§2.4.1 应用支持子层 ....................................... 15

§2.4.2 ZigBee 剖面 ........................................ 16

§2.4.3 ZigBee 设备对象 .....................................16

§2.5 本章小结 ................................................. 16

第三章定位系统硬件设计 .......................................17

§3.1 整体构成及设计要求 .......................................17

§3.1.1 整体构成 ........................................... 17

§3.1.2 总体要求 ........................................... 18

§3.2 参考节点模块设计 .........................................19

§3.2.1 参考节点 CPU 介绍 ................................... 19

§3.2.2 核心板电路设计 ..................................... 20

§3.2.3 电源部分设计 ........................................20

§3.2.4 通讯接口电路 ....................................... 21

§3.2.5 调试接口部分 ....................................... 22

§3.3 盲节点电路设计 ........................................... 23

§3.3.1 盲节点主芯片介绍 .......................................23

§3.3.2 引擎定位原理 ........................................23

§3.3.3 传输信号理论及实际考虑因素 ......................... 25

§3.4 网关电路设计 .............................................27

§3.4.1 控制芯片介绍 ....................................... 27

§3.4.2 主电源设计 ..........................................28

§3.4.3 保护措施： ......................................... 29

§3.4.4 其他电源电路设计 ................................... 30

§3.4.5 LPC2103 核心电路设计 ................................31

§3.4.6 JTAG 调试接口电路 ...................................32

§3.4.7 RS232 通信接口电路 ..................................33

§3.5 本章小结 ................................................. 34

第四章协议栈移植及软件部分设计 ................................... 35

§4.1 TI 协议栈 ................................................ 35

§4.1.1 TI 协议栈介绍 .......................................35

§4.1.2 Z-stack 工作流程 ....................................36

§4.1.3 协议功能实现 ....................................... 37

§4.2 参考节点程序设计 .........................................38

§4.3 盲节点程序设计 ...........................................40

§4.4 网关电路程序设计 .........................................41

§4.41 协调参考节点设计 .................................... 41

§4.4.2 SPI 通信模块 ........................................43

§4.5 本章小结 ................................................. 44

第五章测试与验证 ................................................. 45

§5.1 硬件电路测试 .............................................45

§5.1.1 电源信号测试 ...........................................45

§5.1.2 晶振信号 ........................................... 48

§5.1.3 硬件节点实物 ....................................... 49

§5.2 点对点无线通信测试 .......................................50

§5.2.1 实验方法 ........................................... 50

§5.2.2 实验数据 ........................................... 50

§5.2.3 实验总结 ........................................... 50

§5.3 上位机软件 ...............................................50

§5.4 本章小结 .................................................52

第六章总结与展望 ................................................. 53

§6.1 工作总结 ................................................. 53

§6.2 下一步工作 ...............................................53

附录一 LPC2103 实验平台 .......................................... 55

附录二 JTAG 调试连接截图 ..........................................56

参考文献 .......................................................... 57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 59

致谢 ............................................................. 60

第一章绪论

本章主要介绍了论文的选题背景，研究内容目前发展现状，研究方案以及

本文的主要章节安排。

§1.1 选题背景

随着通信技术的成熟和发展，带动了新兴无线业务的出现。越来越多的应

用都需要定位服务。无线定位主要包括全球定位和区域定位。在全球定位方面，

美国的全球定位系统（GPS）已经得到了广泛的应用，并发挥了巨大的作用。

除此之外，欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯系统、中国的北斗导航系统

也在日益壮大，这些系统已经能够满足人们的基本需求。然而在区域定位

方面，以上系统发挥的作用都非常有限。室内定位环境的复杂性以及应用的特

殊性，给短距离通信技术的发展带来了很大的挑战。

近些年来，人们群众对于短距离范围内人员与物品的定位与控制需求日益

增加。在生产生活的许多场合，例如在矿井、仓储库、停车场、机场大厅等，

人员或物品的位置信息非常重要。人们可以通过终端设备将这些位置信息传递

给控制中心，从而为用户提供可靠的信息服务，方便系统的管理工作。如果将

位置信息与其他信息相结合，可以更好的提高系统服务内容。同时，室内定位

技术在公共安全，抢险救灾等方面都有着很大的需求空间。

与此同时，传统的有线连接方式已经渐渐无法满足人们的要求，其在各个

方面的落后性也日益显现出来。例如：有线设备本身可移动性差，活动范围受

到局限；线路铺设及维护成本都是很麻烦的问题；而如果单体数量较多，而传

输数据较少会出现线路数目众多、杂乱无章现象等。在这种情况下，采用无线

通信技术组建网络传递信息越来越成为一种趋势。随着通信技术的日新月异，

短距离无线网络技术逐渐成为近些年的研究热点。

短距离无线定位网络就是通过无线通讯技术将分布在局部区域内的众多节

点连结成网。在局域网络中，相互通信的节点将自身的位置坐标信息传递到控

制中心，这样控制中心就确定了节点的位置。伴随着需求的增加，越来越多的

短距离网络技术涌现出来：蓝牙技术，Wifi 技术，ZigBee 技术等，出现了百花

齐放的场面。在这其中，ZigBee 技术凭借其低功耗、低速率、短延时、大容量、

数据安全、通信可靠、互操作性强等优点渐渐崭露头角。

基于 ZigBee 协议的短距离无线定位系统研究

§1.2 ZigBee 技术

Zigbee 技术的名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和

“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也

就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络[2,11]。人们借此来代表

具有消耗能量小，传输速率低的无线通信网络。

整个 Zigbee 协议栈十分紧凑简单，主要由四层组成，分别是应用层、网络

安全层、介质接入控制子层和物理层[2,22]。如图 1-1 所示。其中，IEEE802.15.4

工作组负责制定了物理层（PHY）和数据链路层的协议标准，是整个协议栈的

基础部分。而 ZigBee 规范则定义了及其重要的安全层和网络层，用来实现节点

加入或离开网络、路由服务及数据通信等各种核心功能。而最顶层的应用层则

可以由用户根据自身需求开发使用。

图1-1 ZigBee 协议栈示意图

总体来说，ZigBee 技术的主要特点[1]包括以下几个方面：

（1）低功耗：即使在正常通信状态，其终端功率消耗也只有几十毫瓦；

在省电模式下，耗电量更低。使用便于携带的 7 号或 5 号电池供电

就可以维持较长的时间。

（2）可靠性高：一方面，在协议处理上采用碰撞避免机制，为相关通信

业务引入专用时隙，避免数据传送时引起的竞争和冲突。另外一方

面，ZigBee 具有自动动态组网的功能，使得数据在 ZigBee 网络中

可以通过自动路由进行传输，进一步保证了传输的可靠性。

（3）传输时延短：ZigBee 从协议层做了相关优化，减少了相关的等待时

间，提高了网络通信的即时性。

（4）网络容量大：根据不同的网络拓扑，最多可容纳几万个节点。

（5）安全及高保密性：ZigBee 的安全保密性非常高，因为它采用了数据

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摘要：

摘要随着集成电路技术和高频无线技术的发展，各种短距离无线通信技术正日益走进我们的生活。ZigBee是一种新兴的低速率、低功耗的无线网络技术。而随着社会生产的日益发展，短距离无线定位的需求也显得越来越重要。本文提出了一种基于ZigBee网络技术的短距离无线定位系统，能够广泛的应用在矿山、火灾救援等场合。论文采用模块化的设计方法，共分为参考节点、盲节点和网关电路三个模块部分。节点电路硬件上采用TI公司的CC2430/2431作为射频处理核心，网关电路主控制器采用的是NXP半导体公司的ARM芯片LPC2103，具有实现成本低、方便、可靠的特点。论文主要从以下3个方面开展系统的设计研究工作：1．依据I...

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