基于ZigBee技术的消防员定位系统研究与实现

摘要

21世纪以来，我国的经济正处于飞速发展并转轨的时期，大中型城市中重特大火灾时常发生。在复杂的灭火救援的环境中，我们必须面对一个严肃的现状:我国广大的消防员在执行任务中出现的伤亡比例正在逐步的增加。如何能完成好救灾灭火任务，又能够保证好自身的生命安全，减少自身伤亡，是当今智能化时代的趋势。本课题主要是针对消防员在火场环境中人身安全问题，提出了一种基于ZigBee技术的面向消防员室内无线定位系统的研究与实现。
　　首先，本文应用ZigBee无线通信技术实现了消防员室内无线定位技术。在该系统中，终端节点可以向路由器发送数据，路由器可以转发数据;系统利用ZigBee组网特性，从数据包中提取RSSI(Received Signal Strength Indication)值，作为发射结点与接收节点之间距离的参考，利用定位算法计算出未知节点的位置。其次，考虑到基于ZigBee技术的消防员室内无线定位系统的精度不高，系统中基于误差产生原因设计出一种距离与RSSI区间映射原理的算法，继而提出了基于RSSI-COR-DIS模型改进定位算法，该算法适应不同的复杂环境，理论上，在消防员火场中有很好的可建性。为了完善系统，还对实际路由节点位置安放对未知节点位置定位影响进行讨论，初步得出在何种情况下可以得到良好的定位效果。除此之外，为了实现三维定位，设计出一种测量高度的简易方法;相对一些三维定位，该方法不仅实现简单，而且准确度高。最后，为了实现火场救援的消防员位置实时监控，设计并制作了实时监控软件;该软件是通过RS232串口线连接PC和ZigBee系统中的协调器。安装和使用之后，可以实现对呼救消防员实施救援，指挥中心还可以根据消防员发回的火场温度数据判断火场环境，并指挥火场救援活动。
　　文章在最后还列出了进一步开发需要开展的工作，指出了消防员室内无线定位技术系统有待解决和完善的问题，提出了扩展定位系统性能和应用领域的几点意见，引出了后续系统改进的一些建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 人员(消防员)定位技术的国内外研究现状

1．3 研究内容与主要工作

1．4 论文组织结构与章节安排

第2章 ZigBee及相关概念

2．1 ZigBee技术特点

2．2 ZigBee网络设备和拓扑结构

2．3 ZigBee协议规范介绍

2．3．1 物理层(PHY)

2．3．2 介质控制子层(MAC)

2．3．3 网络层(NWK)

2．3．4 应用层(APL)

2．4 ZigBee技术与IEEE802．15．4的联系

2．5 本章小结

第3章 消防员室内定位系统的方案设计和功能分析

3．1 消防员室内定位系统的功能需求与工作原理

3．1．1 系统需要解决的问题和技术指标

3．1．2 系统的工作原理

3．2 消防员室内定位系统的整体框架设计

3．2．1 全功能设备整体框架设计

3．2．2 半功能设备整体框架设计

3．3 消防员室内定位系统的可扩展功能分析及问题提出

3．3．1 可扩展功能分析

3．3．2 问题的提出

3．4 本章小结

第4章 消防员室内无线定位技术改进算法分析

4．1 最大似然质心定位算法误差分析

4．1．1 基于测距的定位算法

4．1．2 非基于测距的定位算法

4．1．3 最大似然质心定位算法分析及实验测试结果

4．2 基于RSSI-COR-DIS模型改进定位算法

4．2．1 基于RSSI-COR-DIS改进算法的提出

4．2．2 基于RSSI-COR-DIS改进算法的具体实施

4．3 基于RSSI-COR-DIS算法仿真和分析

4．3．1 测试环境设置

4．3．2 测试结果及其分析

4．4 本章小节

第5章 消防员室内无线定位技术软硬件实现

5．1 消防员室内无线定位技术硬件平台介绍

5．1．1 高性能2．4G射频模块-Q2530RF

5．1．2 多功能开发板Q2530EB

5．1．3 相关硬件开发

5．1．4 仿真器介绍

5．2 消防员室内无线定位技术软件平台介绍及软件实现

5．2．1 Smartrf04EB在SmartRF Packet_Sniffer环境下的使用

5．2．2 IAR软件的使用

5．2．3 ZigBee协议栈运行机制

5．2．4 消防员无线定位系统代码实现过程

5．3 ZigBee协调器和路由器布局对未知节点位置的影响

5．4 ZigBee盲节点移动速度对定位精度的影晌

5．5 消防员室内定位系统中高度的研究

5．5．1 楼层中定位

5．5．2 平楼中定位

5．6 消防员室内定位系统仿真和分析

5．6．1 测试环境和条件

5．6．2 功能与性能测试及数据分析

5．7 本章小节

第6章 实时监控软件实现

6．1 上位机运行系统的介绍

6．2 上位机操作流程介绍

6．2．1 登陆界面

6．2．2 定位界面

6．3 本章小节

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录1 (消防员室内定位系统APP层部分代码)

附录2 (基于RSSI-COR-DIS改进算法部分代码)

附录3 (实时监控软件VB部分代码)

作者在攻读硕士学位期间发表的论文和参与的项目

致谢