目錄

一、項目基本情況

ZigBee協議是ZigBee技術軟件方面的核心技術。目前，業界使用最廣泛的

協議棧為TI公司免費公開的基于CC2420/CC2430/CC2431/CC2480等射頻芯片的

ZigBee協議。國內還沒有完整版的協議棧出臺，只有深圳的無線龍、無線古等公

司出售的精簡版協議棧。

近年來，我國越來越重視發展無線傳感器網絡技術，在理論、技術上取得了

很大的進展，但是其研究與應用水平仍處于初級階段。ZigBee技術有自己的無線

電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，這些傳感器只需要很少

的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，這

些數據最后上傳到計算機進行分析或者接入到另一種網絡中，從而合作地完成環

境的檢測和未知位置的定位。由于傳感器節點的硬件設備成本低、功耗小、體積

輕巧、易于大范圍地布建，所以基于ZigBee的定位技術有很大的市場前景。消

防一直是關系社會安定和人民生命財產安全的重要問題。在消防工作中，消防員

所從事的工作是一項極為危險的工作。在混亂的場合下，如果指揮宮不了解消防

人員的具體位置和狀況，就會給指揮工作帶來很大的盲目性，使得救援不能及時、

高效地展開，受災損失不能降到最低。同時消防員本身的安全也一直是人們關注

的問題。目前大多數消防員在救火現場采用無線電裝置與指揮宮進行通信，這種

方法必須要消防員自己提供所在具體位置信息，指揮官不能實時地掌握施救現場

的變化和有效迅速地指揮施救工作，有很大的局限性。

本系統采用基于ZigBee的無線傳感器網絡定位技術，綜合了無線傳感網絡

技術、無線通信技術、分布式信息、處理技術、嵌入式計算等相關技術。可以通

過布置在大樓內的參考節點以及消防員身上攜帶的移動節點，形成一個多跳的、

自組織的、具有自愈能力的網絡系統，這些節點之間合作地完成感知、采集和處

理網絡覆蓋區域中可感知對象的信息，并在上位機上實時地顯示這些信息的變化,

為消防員和指揮官提供營救人員在大樓中的詳細位置信息和火災現場的環境。及

時準確地掌握消防員的位置能極大地幫助指揮官做出決策，例如H么時候撤離消

防員，從而避免更大的損失。無火災時，各參考節點還可以起到火災監測報警的

作用，為消防報警提供了雙重保障，是消防裝備中不可缺少的現代化高科技設備

之一。

二、總體設計

ZigBee定位系統是由定位監控中心和無線傳感器網絡構成的一個可視化的

無線定位監控系統。該系統基本全部采用無線傳輸，從而減少了布線，使用方便。

定位監控系統中的無線定位網絡系統主要由ZigBee網關、參考節點以及定位節

點組成，如圖1.1所示。定位系統結構中的定位監控中心可在控制中心，參考節

點準確布置在建筑物內部，定位節點由消防官兵隨身攜帶。由于網絡中每個定位

節點均有自己的網絡地址，因此，ZigBee定位系統可同時做到無干擾的多個救援

人員的定位。

圖1.1ZigBee定位系統結構和功能

定位監控中心，定位監控中心主要是由定位系統的主機組成，主機上裝有定

位監控軟件，實時監控定位節點的位置，可在監控軟件上輸入參考節點和定位節

點的配置數據，接收定位節點回傳的數據，即定位節點的坐標，在監控軟件上顯

示該坐標。監控軟件可將定位情形形象化的圖形顯示，方便用戶簡易獲取自己所

需的定位信息。定位系統網關，定位系統網關即為ZigBee網關，它是無線定位

系統的網絡協調器,由一個HFZ-CC2430EM模塊和HFZ-SmartRF07EB組成，通

過RS232串口延長線與PC相連。它在整個系統中有著至關重要的作用，是所

有參考節點及定位節點的信息匯集的地方。首先它要組建網絡接收由監控軟件提

供的各參考節點和定位節點的配置數據，并發送給相應節點；其次，還要接收各

節點反饋的有效數據（例如定位節點的坐標Bx、By）,并將其傳輸給監控軟件。

總結其功能有建立網絡、收發數據、與計算機的監控軟件進行串口通信、LCD顯

示各個參考節點和定位節點網絡地址、轉發監控軟件對參考節點和定位節點的配

置參數、轉發監控軟件的請求配置命令、轉發監控軟件的請求定位節點命令等。

定位系統參考節點，定位系統參考節點（即）是無線定位系統中已知坐標的靜

態節點，是ZigBee網絡中的路由器，由電池板和CC2430模塊組成，結構與定

位節點相似，區別在于它所用的芯片是CC2430模塊，而定位節點所用的是

CC2431模塊。這個節點必須被正確地配置在定位區域中，配置的坐標由用戶指

定c它首先要加入網絡提供一個包含自己坐標位置Rx、Ry和RSSI值的信息包

給定位節點。總結其功能有加入定位網絡實現無線收發數據、收集信號強度值、

可被網關動態的配置坐標、發送自身坐標和信號強度等。

定位系統定位節點，定位節點（B）是無線定位系統中的可任意移動的節點，

由電池板和CC2431模塊組成，CC2431無線定位芯片是由Motorola公司和TI

公司共同開發的，它含有的定位引擎可以實現0.25m的定位分辨率。定位引擎

通過處理參考節點發送的信息包來計算自身坐標，是ZigBee網絡中的路由器。

定位節點首先要加入網絡以便能夠與參考節點通信，收集參考節點的坐標Rx、

Ry和RSSI值，根據這些信息和輸入的參數A、N一起計算自身坐標信息，然

后將自身位置信息Bx、By發送給網關，最后通過RS232傳送給定位監控中心。

總結其功能有加入網絡、無線收發數據、可被網關配置相關定位參數、計算并發

送自身坐標等。此節點安裝在救援人員的安全帽上。因此，佩戴此類安全帽的救

援人員進入變火場內時，監控中心可監控其在站內的實時位置。

三、開發流程與創新

調研，對消防官兵經常遇到的火場的高度、空間大小的方面進行調研，并以

此為基礎對ZigBee、藍牙、Wifi和UWB等通信技術手段，在定位的準確性、靈

活性、穩定性等等各方面綜合分析，得出哪種通信手段適合本次工程使用；ZigBee

技術研究，對ZigBee技術進行學習研究，闡述ZigBee的協議規范，分析協議的

物理層PHY、介質控制層MAC、網絡層NWK、應用層APL的各層功能，并對Zigbee

網絡設計過程中常用到的網絡拓撲結構進行學習；算法研究與實現，對集中式定

位和分布式等多種定位算法進行研究，并將最合適消防救援的算法進行仿真、優

化，最后在系統中應用。完成基于ZigBee技術定位系統的設計，完成系統的整

體結構圖、Z-Stack協議棧運行機制和實現所采用的定位算法。對系統的硬件平

臺和軟件平臺進行設計，完成各個節點的硬件和軟件部分設計，實現所需要的功

能。系統測試，試驗測試定位系統，并對實驗效果進行了分析。簡單闡述了系統

在消防安全上的應用。此系統所設計的基于ZigBee技術定位系統應能夠完成室

內的區域定位的功能，并可以在消防救援的環境中正常使用，并且本系統設計的

硬件節點小巧精致，可以被消防人員攜帶，從而可以在他們作業的時候起到定位

的作用「在軟件實現方面，提出了一種新的定位精度更高的定位算法，可以有效

的減少移動人員的定位時間，增加定位的精準性，使系統更加穩定。

四、開發環境

硬件條件：一臺PC機:能運行Windows2000以上的版本,具有普通光盤驅動

器、USB接口、串行接口，主頻在800MHz以上；一套ZigBee無線網絡傳感器的

節點開發套件:即能實現含有1個協調器、8個路由器、22個終端節點的開發套

件；一個仿真器:能把各個編譯好的可燒寫文件.hex下載到開發板上，從而實現

各種功能類型的節點；一個萬用電表:檢測開發板的工作狀態和故障問題。

軟件條件：MATLAB2012b、VisualC++6.0等軟件。

五、本人承擔的任務及完成情況

針對目前的各種無線定位技術的優缺點，本文將ZigBee技術用于救援人員

定位，但因其原有的定位算法在定位中存在諸多不足，而目前的相關研究還沒有

有效的方法來改進，本文提出了基于模糊推理算法的改進方法，然后進行了仿真

及實驗研究。本文的主要研究內容有以下幾點：

用天線理論分析了ZigBee定位系統中的發射源的參數，用此發射源對自由

空間中電磁波的傳播進行了FDTD仿真分析，經仿真和數據的曲線擬合得到了自

由空間中電磁波衰減的公式，與理論公式基本相符，為以后的定位結果的計算提

供了依據。

針對現有的定位方法在定位精度及定位穩定性方面的不足，本文提出了基于

模糊推理的定位方法，并將其用于火場人員定位的步驟進行了詳細介紹，由于非

視距、多徑效應和電磁干擾等因素會導致參考節點所接收的信號強度與理論值有

較大差異，本文所提出的模糊算法避免了直接取信號強度大的三個參考節點進行

定位計算，而是選取可信度高的三個參考節點參與定位計算。

建立了火場內人員定位的定位模型，并在定位區域內選取了多個位置作為定

位系統中定位節點的所在位置，分別對定位節點在不同位置時的定位情形進行了

模擬仿真，將仿真的結果用傳統的直接測距方法和新提出的基于模糊推理算法的

方法分別進行了定位計算以形成對比。針對用戶對火場內人員定位監控的需要,

本文使用VisualC++6.0軟件編寫了用火場定位的監控軟件，改進了7igRAA定

位系統本身的定位監控軟件存在的缺點，使用戶監控起來更為直接、更為方便。

六、經驗與教訓

通過這幾個月的實習工作，我認識到要作一個真正合格的工程開發人員，應

該具有以下的的素質：

團隊精神和協作能力，把它作為基本素質，并不是不重要，恰恰相反，這

是程序員應該具備的最基本的，也是最重要的安身立命之本。獨行俠可以作一些

賺錢的小軟件發點小財，但是一旦進入一些大系統的研發團隊，進入商業化和產

品化的開發任務，缺乏這種素質的人就完全不合格了。

文檔習慣，