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逢 甲 大 學

自 動 控 制 工 程 學 系

專 題 研 究

無 線 定 位 製 作 Wireless Location Production

指導老師：陳杏圓

專 題 生：曾皇凱

江政彥

趙志銘

中 華 民 國 九 十 七 年 十二 月 九 日

ii

iii

摘 要 本專題是使用一套 ZigBee 網路無線技術來實現室內定位系統，可應用於居

安全管理，一般活動公共區域等等…我們日常生活活動的地方，整個系統主要使

用華亨科技所開發的 ZigBee 單晶片實驗和定位開發系統來實現室內定位系統，

系統結合 TI(德州儀器)公司的 ZigBee 相容協議 Z-Stack。

為了實現室內定位系統，首先我們必須佈設三到十二個參考節點，構成一個

特定區域(最大到64×64米),而這些參考節點之間，皆通過802.15.4/ZigBee無線通

訊標準，保持無線聯繫，並把所有資料傳到PC上,藉由PC端軟體可以在螢幕上顯

現全部參考節點的無線參數配置及所配置位置， 當盲節點進入我們所設定的監

控網路內部時，就會自動被準確定位，將定位資訊和盲節點ID等資訊，即時無線

發送給接收端主機，讓監測者可立即知道盲節點的移動狀況和位置。

iv

Abstract This feature is the use of a ZigBee wireless network technology to achieve future

indoor positioning systems, home security management can be applied to the general

public activities area, and so on ... our daily activities, the whole system is mainly

used technology developed by Hua Heng ZIGBEE Single-chip experiments and

positioning the realization of the development of future systems indoor positioning

system, the system combines TI (Texas Instruments), the ZigBee protocol-compatible

Z-Stack.

In order to achieve the indoor positioning system, first of all, we must planted

3-12 reference node, a specific region (the largest to 64 × 64 m), which refer to the

node, through all 802.15.4/ZigBee wireless standard And maintaining wireless links,

and spread to all the information on the PC by PC-side software can appear on the

screen all reference to the wireless node configuration parameters and the location of

the configuration, when the blind into the node that we set for when the in-house

monitoring network , Will automatically be accurate positioning, the positioning

information and blind nodes, and other ID information, real-time radio host sent to the

receiving end, so that monitoring can be immediately aware of the mobile blind node

status and location.

v

目 錄 目 錄 ………………………………………………………………………………IV

圖目錄………………………………………………………………………………VI

第一章、緒論.............................................................................................................1

1.1 研究背景.......................................................................................................1

1.2 動機與目的 ……………………………………………………………….1

1.3 系統架構 ………………………………………………………………….2

第二章、無線感測器網路介紹..................................................................................3

2.1 無線感測器網路概論 ..................................................................................3

2.2 無線感測器網路的架構與應用....................................................................3

2.3 CC2430/2431感測器網路.................................................................................4

2.4 無線感測器網路設計的考量.........................................................................6

第三章、相關技術介紹................................................................................................7

3.1 IEEE 802.15.4/Zigbee ....................................................................................7

3.1.1 IEEE 802.15.4/ZigBee簡介 ...............................................................7

3.1.2 IEEE 802.15.4/ZigBee通訊協定 …………………………………...7

3.1.3 ZigBee……………………………………………………………...…7

3.2 定位技術 ………………………………………………………………….10

3.2.1 TOA（Time of Arrival）定位技術....................................................10

3.2.2 TDOA（Time Difference of Arrival）定位技術...............................10

3.2.3 AOA（Arrival of Angle）定位技術 …………………………….11

3.2.4 RSSI（Received Signal Strength Indication）定位技術..................12

3.3 定位資料庫的建立.........................................................................................12

3.3.1 實地量測法........................................................................................12

3.3.2 信號衰減推估法................................................................................13

vi

3.3.3 資料庫之建構型態............................................................................13

3.4 能量與路徑衰減.............................................................................................13

3.5 定位演算法 ……………………………………………………………14

第四章、ZLocation無線ZigBee定位開發系統元件介紹........................................16

4.1 硬體............................................................................................................16

4.1.1 CC2430/CC2431EM………………………………………………..16

4.1.2 CC2430EB…………………………………………………………..16

4.1.3 CC243x-Debugger ………………………………………………….16

4.2 軟體.............................................................................................................16

4.2.1 Z-Stack TM 業界領先的Z-Stack TM 相容協定堆疊..............................16

4.2.2 SmartRF Flash Programmer工具軟體................................................17

4.2.3 General Packet Sniffer 工具軟體.......................................................17

4.2.4 IAR Embedded WorkBench (EW8051)集成開發環境......................17

4.2.5 定位引擎監控(TI CC2430/CC2431)軟體.........................................17

4.2.6 Z-LocationPC定位軟體......................................................................17

第五章、系統實作和測試..........................................................................................18

5.1 定位概論...............................................................................................18

5.2 使用GUI方式編譯CC2430/CC2431的FIASH記憶體........................18

5.3 Z-LocationPC定位軟體的使用.............................................................18

5.4 參考節點的設置 …………………………………………………….20

5.5 盲考節點的設置...................................................................................21

5.6 實際製作的結果及表現.......................................................................22

第六章、結論與未來展望..........................................................................................23

參考文獻......................................................................................................................24

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圖目錄 圖1-1：系統架構圖示意圖.................................................................................2 圖2-1：系統結構圖.................................................................................................4 圖2-2：系統元件.................................................................................................5

圖3-1：TOA定位法示意圖.................................................................................10 圖3-2：TDOA定位法示意圖...............................................................................11 圖3-3：AOA定位法示意圖.................................................................................11 圖5-1：燒錄 CC2430……………………………………………………………….18

圖5-2：逢甲大學資電418………………………………………………………......19

圖5-3：環境地圖設置..............................................................................................20

圖5-4：參考節點實際配置圖..............................................................................20

圖5-5：參考節點顯示配置圖.............................................................................21

圖5-6：盲節點顯示配置圖.................................................................................21

圖5-7：實驗結果顯示圖.....................................................................................22

1

第一章 緒 論 1.1 研究背景

近年來由於無線通訊與電子技術的快速發展，使得無線感測器逐漸普及化，

且同時具有感測、通訊和資料處理等多項功能。無線感測器具備微處理器與無線

電傳輸元件，配合多個微型感測硬體 (例如：感光計、溫度計、磁力計等)，就

如同小型電腦般強健。無限感測網路近年來已廣泛地應用在多個領域裡。在生物

資訊方面，可以將感測器佈於動物的棲息範圍，長期的收集動物活動的資訊，以

供生物學家做分析；在軍事方面，可將感測器灑於戰場上，動態地偵測敵軍與我

軍的動向；在智慧型家庭安全方面，將無線感測網路佈署於建築物內，當有陌生

人進入時，能夠即時的通知監控者以做出最快的應對動作；在智慧建築方面，可

以將感測器佈署於建築物內外，即時感測溫度的高低，以調節室內的空調系統，

使的無線網路在我們的日常生活中漸漸變得越來越重要。

1.2 動機與目的

在本實驗中，主要是探討位置跟蹤定位技術。最常用的就是GPS，但GPS有

耗電大、體積大以及不適用在室內等缺點，所以我們才採用無線最新技術

802.15.4/ZigBee，ZigBee技術具備有低成本、耗電低、體積小、容易佈建等優點，

非常適合於短距離無線傳輸，使用頻段為免費的2.4GHz(全球)、902到928MHz(美

洲)和868MHz(歐洲)，和802.11使用的頻段相同，傳輸速率為20Kbps到250Kbps。

網路架構為主從式架構，可以達到雙向通訊功用。同時IEEE802.15.4的標準通訊

協定裡，也在實體層中定義了能量偵測的特性，使得ZigBee聯盟的各家廠商，在

晶片製造時，能依據這項標準讓晶片本身具備能量偵測的功能，如此只需利用晶

片本身的功能，配合適當的演算法，即可完成定位的目的。而我們利用華亨科技

所開發的ZigBee單晶片實驗和定位開發系，實際用於我們日常生活中的空間中測

量，藉由實作讓我們對於這套系統更加熟悉和了解。

2

1.3 系統架構

本論文在無線感測器網路的實現上，選擇使用由無線感測器網路供應廠商之

華亨科技所推出的CC2430/CC2431，CC2430/CC2431定位系統應用於無線感測

器網路，因此它擁有成本低、耗電低、體積小以及容易佈建等優點。本系統是在

室內佈置基地台，然後透過RS-232把所收集到的訊息傳給後端電腦做定位演算法

的處理，最後可以得到行動台的位置和移動即時狀況。圖1-1為系統架構示意圖。

圖1-1：系統架構圖示意圖

3

第二章、無線感測器網路介紹 2.1 無線感測器網路概論

無線感測網路是由一到數個具備無線通訊能力的資料收集器和感測器

(Sensor)所構成的網路系統。其主要的功能是讓使用者在一個特定的範圍之內，

不因地形或環境的限制，由感測器偵測簡單且大量的資料，再利用無線的方式傳

送至資料收集器，方便使用者做分析。

2.2 無線感測器網路的架構與應用

一個感測器網路是由一大群數量的感測器節點所組成的，這些感測器節點都

密集的部署在區域裡面，它們可以應用於監控或觀察。感測器節點它們本身由4

種不同的元件所組成，分別為:感測單元、處理單元、電力供應單元以及傳輸單

元。感測單位：感測單位主要包含兩個部分；感測元件，負責感測四周環境的資

料，並將蒐集到的資料使用類比訊號表示；訊號轉換元件負責將感測元件感測到

的類比訊號經過取樣，轉換成數位訊號，並將資料送到處理單位加以處理。同時

根據實際應用的不同，在設計上可設計成多個相輔助的感測器架構，例如應用在

火災感測上，可同時在感測器上增設溫度感測、煙霧感測及燈光感測等感測元

件，用以增加資訊的完整性，讓使用者讀取的資訊更完整。

處理單元：處理單元主要分成儲存元件及處理元件兩部份。儲存元件與一般個人

電腦中硬碟等儲存裝置類似，主要是儲存經過A/D 轉換過後的資料，以及儲存

在處理元件中一些需要暫時保留的資料；而處理元件功能則類似個人電腦中的中

央處理器，負責執行使用者下載至處理元件的程式碼，並協調與控制在感測器之

間不同的單位元件。例如處理元件可以根據使用者事先撰寫好的原始碼，在不同

的時機對感測元件下達感測命令，同時也可以透過傳輸單位，接收由遠端伺服器

或是鄰近感測器所發送的命令信號封包，解讀封包內包含的命令型態後，再根據

其所要求的命令，對感測器之間不同的單位元件，下達不同的控制命令；同理亦

可透過傳輸單元針對遠端下達自身要求的命令。

4

傳輸單元：傳輸單元是每個感測器間互相通訊的橋樑，主要負責將處理單元需要

的收發資料透過介質傳送或接收，而要使用哪一種介質傳輸就依照使用者的應用

及環境去做選擇，常見的介質有紅外線、無線電波以及光纖介質等等。

2.3 CC2430/2431感測器網路

圖2-1：系統結構圖

「Ref Node(參考節點)」是一個位於已知位置的靜態節點。簡單地說該節點

知道它自己的位置並且可以在被請求時告訴其他的節點它在哪里。Ref Node並不

需要執行定位檢測的硬體，它根本不執行任何計算。

「Build Node(盲節點)」是一個用CC2431 建立的節點。該節點將從所有參

考節點對請求的回應中搜集信號，讀出相對RSSI 值，並將其送入硬體引擎，然

後讀出計算得到的自身位置並且發送位置資訊給一個控制應用。

5

圖2-2：系統元件

該系統以 3～12（最多 16 個）個參考節點(Reference Node)，構成一個最

大區域為 64×64 米的無線定位網路(以煤礦井下人員定位系統為例：是將參考

節點佈置在巷道兩側，構成一個無線定位網路)。參考節點之間，通過

802.15.4/ZigBee 無線通訊標準，保持無線聯繫，通過 PC 端軟體可以實現對全

部參考節點的無線參數配置（例如對參考節點的座標配置）。當盲節點進入監

控網路內部時，就會自動被準確定位，並將定位資訊和盲節點 ID 等資訊，即

時無線發送給接收端主機。採用該系統實現的無線即時定位網路與目前已經廣

泛採用 NRF2401 等無線晶片為核心的定位系統相比較(這樣的系統已經廣泛應

用於井下監控系統)，有以下的顯著優點：

1. 採用 ZigBee-2006 網狀網路，可靠性大幅度提高，並可以實現多個定位網

路間的高可靠通訊。

2. 完善的 ZigBee 網路防衝突機制，可以實現幾十/幾百/幾千節點同時無線

即時定位。

3. 盲節點自動計算自己的精確位置。

4. 非常高的即時定位精度。

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2.4 無線感測器網路設計的考量

實驗中我們需要考量的是無線感測器網路網路的擴展性及網路的容錯能力。

網路的擴展性：無線感測器網路在設計中，一般都考慮感測器數量極為龐大的狀

況下，因此如何在這龐大的網路下，設計一個有效率的傳輸協定（Routing

Protocol），以及分散式的運算（Distributive Computation）模式，讓感測器所收

集到的資料能夠順利傳回給後端伺服器，這是決定這個無線感測網路是否能成功

運作的關鍵。

網路的容錯能力：我們設計感測網路時，必須要有一個可靠且有效的容錯機制，

用來增加資料的正確性、可靠性以及保密性，避免感測器壞掉而造成整個網路癱

瘓，或是其他因素造成資料準確度的降低情況，為什麼我們要預防這一連串的可

能因素發生呢？是因為感測器他本身結構簡單，而且大多半都是以電池供應其電

力，使得感測器的生命週期有限，在加上感測器容易受天然的環境因素的侵蝕和

摧毀、人為的蓄意破壞以及無線傳輸較差的抗擾性等等，都會影響資料的可靠

性、準確性以及保密性。

感測環境：感測器的環境可以千變萬化，除了居家、森林、建築物、農田，也可

能與生活息息相關的地區，因此，感測器的整體設計必須考量到環境的影響，根

據不同環境而去設計不同的感測器結構，使得感測器收集資料更可靠。

感測網路的傳輸介質：無線感測網路的傳輸介質跟一般的無線網路相差無幾，可

以利用紅外線、無線電波、以及光纖介質等做為傳輸媒介，而大部份的傳輸介質

都是利用無線電波。例如美國加州柏克萊大學所設計研發的感測器是採用

2.4GHz頻帶，和藍芽（Bluetooth）介面相容的傳輸裝置；而另一種低功率的感測

器裝置則是使用916MHz頻帶、單一頻帶的電波傳送裝置。

7

第三章、相關技術介紹

3.1 IEEE 802.15.4/Zigbee

3.1.1 IEEE 802.15.4/ZigBee簡介

IEEE802.15.4/ZigBee是一種相當先進的短距離傳輸技術標準，從家用無線通

訊規格HomeRF聯盟中所分出來，ZigBee聯盟成立於2002年，在不同區域有不同

的定義的頻段(全球2.4GHz、美國915MHz、歐洲868MH)，2.4GHz ~ 2.4835GHz

最全球通用之頻段。ZigBee聯盟成立於2002年，目前全球已有不少廠商加入成為

ZigBee 聯盟會員，其成員包括IC設計、家電、通訊設備及玩具等廠商。就像ZigBee

的標誌(Logo)所呈現，ZigBee聯盟以感測與控制為主要應用，而定義出簡單、成

本低，又容易實現的無線通訊標準。

3.1.2 IEEE 802.15.4/ZigBee通訊協定

ZigBee包含了兩種不同單位所制定的規格，一個是ZigBee，另一個就是由國

際電子電機工程協會(IEEE)所制定的IEEE 802.15.4標準；前者由ZigBee Alliance

主導的標準，定義了網路層、安全服務提供層、應用層以及各種應用產品的

Profile，後者則是定義了實體層（PHY Layer）以及媒體存取層（MAC Layer）。

此ZigBee和802.15.4兩種規格的關係，我們可以想像成是TCP/IP和IEEE 802.11的

關聯性。

3.1.3 ZigBee

ZigBee是一種智慧型家庭區域網路，用來取代市面上的獨立遙控器而設計。

當初為了發展ZigBee是為了滿足支援低資料速率、低功耗、安全可靠、低成本無

線網路，為了解決這樣需求，ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4無線開發了標準化的應

用軟體。ZigBee還將作為ZigBee設備的官方測試和認證部門。ZigBee是唯一滿足

絕大多部份遠端檢測、控制和感測器網路應用的基於標準的技術。

8

基於IEEE 802.15.4的規格，ZigBee Alliance定義了網路層（NWK）、應用

層（AP）與安全層（Security）。網路層最重要的工作，在於負責網路機制的建

立與管理，同時具有自我組態路由路徑（Self Configure），以及自我修復路由路

徑（Self Healing）的功能。在網路層中，ZigBee定義了三種角色，第一個是網路

協調者(WPAN Coordinator)，負責網路的建立以及網路位置的分配；第二個是路

由器(Router)，主要負責找尋、建立、以及修復資料封包路由路徑，並負責轉送

資料封包，同時也具有網路位置的分配的能力；最後一個是末端裝置，只能選擇

加入別人已經形成的網路，可以收送資料，但不能幫忙轉送封包。網路功能是

ZigBee最重要的一個特點，也是與其他WPAN標準最不一樣的地方；以規格來

說，網路層以16bits的資料長度來管理網路位置，理想上在同一個WPAN，可以 以

Wireless Sensor Network 作定位之實作

目前802.15.4的同步傳輸（Beacon Mode）規格，無法支援ZigBee 所有網路層的

特性，市場上大多的晶片廠現階段只提供了非同步傳輸的MAC，所以未來新版

的ZigBee規格，以及802.15.4b都將針對這樣的情況調整。在應用層方面，主要有

下列三個部份：

1.與網路層連接的APS（Application Support）

以 Wireless Sensor Network 作定位之實作

2.ZDO（ZigBee Device Object）

3.裝置應用Profile

ZigBee的應用層架構，已經涵蓋了服務的觀念，所謂的服務，簡單來看就是

功能，例如ZigBee檯燈有個可以調整燈光明暗的功能，就表示將來會提供這樣的

服務，而ZDO裡的endpoint，就代表這個裝置的服務，未來透過這個窗口，這個

裝置就可以提供服務給別人使用（例如ZigBee檯燈）或是使用別人的服務（例如

ZigBee檯燈遙控器），所以endpoint很類似Socket的角色。我們以ZigBee裝置而言，

當加入到一個WPAN後，應用層的ZDO會發動一系列初始化的動作，建立新的網

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域或加入已經存在的網域，然後接著透過服務搜尋功能，尋找同一個網域中，其

他所有裝置的資料，並且記錄在APS裡的連接表中，然後根據裝置應用Profile事

先定義好的描述資訊，將與自己相關的裝置或是服務，進行配對，最後所有服務

的使用，就可以透過這個連接表來查詢。為了節省End Device的成本，有時整個

網域中只會Coordinator建立連接表，所有裝置如果要查詢或是使用服務時，都必

須藉由Coordinator的協助。而裝置應用Profile則是根據不同的產品而設計出不同

的描述資訊，以及ZigBee各層協定的參數設定。目前ZigBee Alliance只定義出

Home Control – Lighting Control的Profile。

最後探討ZigBee的安全層，安全層在MAC、NWK與AP層都設計了相似的加解密

安全機制。在最新的規格裡，要求各層協定使用CCM安全技術，而多數新一代

無線網路技術也都使用相同的安全技術。CCM就是CTR（Counter Mode）與

CBC-MAC（Cipher Block Chaining Mode）的縮寫。CTR是一種資料加解密的演

算法，是針對所要保護的資料本身作格式上的轉變，以防止資料被竊取；而

CBC-MAC則是另一種用來檢查資料有無被竄改的演算法，CBC-MAC並不會對

資料本身作加解密，而是利用演算法產生一組訊息整合碼（Message Integrity

Code），然後將MIC直接加進在資料裡，所以將來接收端可以利用這MIC來驗證

資料是否被竄改。MIC的長度又分為0、32、64以及128 bits，所以透過CTR與以

Wireless Sensor Network 作定位之實作

CBC-MAC兩種技術的組合，系統的安全性可分成七個等級，最低的等級就

是不使用CTR也不使用CBC-MAC，而最高等級就是使用了CTR以及128 bits MIC

的CBC-MAC。

802.15.4與ZigBee都選擇了AES，選擇AES的原因應該是考量到在計算能力不強

的平台上較容易實現，而現在大多數的RF晶片，也會加入AES的硬體加速電路，

加快安全機制的處理。在金鑰（key）的部份，在MAC層則有一個表格，專門存

放AES可能使用的金鑰，所以這些金鑰是裝置在設定時就要事先設好，而網路層

10

與應用層的金鑰，則是裝置在加入網路時，由ZDO發出一個要求，由Trust Center

分配得到，通常會由Coordinator擔任分配得到。

安全層的規格，除了定義加解密的演算法與金鑰的設定之外，同時也定義了一般

在無線感測網路系統中，所需要的安全管理機制，例如Trust Center負責金鑰的分

配、傳輸以及切換；或者當有新的裝置加入網域前，必須先通過Trust Center的允

許，才能加入。

3.2 各種行動定位技術

3.2.1 TOA 定位法則的架構

TOA (Time of arrival)是由三個以上的基地台(A、B、C) 接收到使用者(P)所

傳送出訊號的時間延遲來量測出使用者和基地台間的距離，進而計算出使用者的

位置。為了能確實測出信號傳遞時延遲之時間，因此所有的基地台必需先時間同

步。

圖3-1：TOA定位法示意圖

3.2.2 TDOA 定位法則的架構

TDOA(Time different of arrival)是利用使用者的量測訊號到達兩個基地台的

時間差，來反求出使用者和基地台間的距離，每個時間差皆可以畫出雙曲線，因

此這也就是一般所說的雙曲線導航。

11

圖中的使用者P 為確切位置 ， A、B、C 基地台

圖3-2：TDOA定位法示意圖

3.2.3 AOA 定位法則的架構

AOA 是利用使用者量測訊號至基地台的方位角來計算位置的定位方式。先

透過方向性天線判別信號的來源，再利用至少三個固定基地台的方向性天線來計

算動終端的位置，便能取得行動終端的位置資訊。在這種方法中，方向性天線的

準確度佔有極重要的地位，通常一個內含雙元件的天線陣列只能掃瞄120 度角，

所以若要涵蓋360 度角則需要六個元件的陣列天線。AOA 的好處是毋須更新手

機軟硬體便能執行定位計算，且準確度較高。不過，AOA 最大的缺點在於現有

的無方向性天線並無法執行方位角的偵測，故需在每個基地站台安裝具方向性的

陣列天線，將會大幅提高設備成本。

圖3-3：AOA定位法示意圖

12

3.2.4. RSSI（Received Signal Strength Indication）定位技術

RSSI是指節點收到的訊號強度大小，在接收訊號強度指示RSSI的定位技術

中，在一開始我們就已經知道發射節點的訊號強度，根據我們所接收到的訊號強

度，計算過程中的訊號損耗，把訊號損耗狀況根據理論和經驗模型轉化成距離，

再利用演算法計算出節點位置。

RSSI =-(10n·lgd+A)

射頻參數 A 被定義為用 dBm 表示的距發射端 1 m 處接收到的信號強度絕對值。如

信號強度為-40dBm，那麼參數 A 被定為 40。定位引擎的期望參數 A 為 30.0～50.0，精

度為 0.5。參數 A 用無符號定點數值給出，最低位為小數位，而其餘各位為整數位元。

A 的一個典型值為 40.0。

射頻參數 n 被定義為路徑損失指數，它指出了信號能量隨著到收發器距離的增加而

衰減的速率。衰減與 d-n 成比例，這裡 d 是發射器和接收器之間的距離。實際寫入定位

引擎的參數 n 是一個通過查表得到的整數索引值 n_index。

損失率（loss given default，簡稱LGD）、

這個技術條件要求較低，算法較為簡單，在實驗的完整環境中會表現出他的

良好特性，但是如果拿到實際的環境中，因為我們所在的環境有較多的變素，所

以大部分都要再多做改良。通常我們會先做一個比對的Model，因RSSI值在不同

的環境因建築物環境的配置，發生散射和衰退，因此我們在建立環境Model會帶

著一台可以發送訊無線訊息的設備，在我們所要實驗的環境中走動，儲存不同的

RSSI值，並為了提高準度，我們所測得的RSSI數據點會加以統計分析，在比對

的時候不是去比對它的測量值，而是去比對計算過後的特徵(訊號點的RF

Fingerprint)，兩個以上的接收器就可以做定位，但是為了要提高準度我們大部分

會用兩個以上的接收器，因為接收器的多少、擺放的位置、現場的環境等…都是

和我們所測量的精準度息息相關。

13

3.3 定位資料庫的建立

3.3.1 實地量測法

實地量測法的定位方式是去實地量測定位環境中重要位置和定位時的參考

點，先在這些存取點AP 上取得確定的位置訊號強度，並儲存於定位的資料庫

中。此法受限於定位相關資料量與系統負載，因此當有過多的使用者或有過多的

AP 點即會造成建構出的定位資料庫過於龐大，進而影響定位計算時間。

3.3.2 信號衰減推估法

信號衰減模型推估法的定位方式是利用3 組以上的RSSI 值，搭配特定的信

號衰減與距離轉換的模型，再利用三角測量的方式推估定位環境的訊號場強分

佈，進而建構定位的資料庫。此法受限於所採用的模型會嚴重影響定位精準度，

另外因模型需求需額外接收其他相關環境相依變數來調整模型參數，所以還需做

學習的機制來調整其模型與實際環境誤差。

3.3.3 資料庫之建構型態

在定位資料庫中每一AP 點 ii yx , 所對應到N 個接收器端的RSSI 值可以

表示成R1~RN；在使用者端所在位置 PP yx , 發送至N 個接收器端的RSSI 值可

以表示成r1~rN。因此定位資料庫與由使用者所發送及量測的RSSI 值可分別表示

如下：（xp , yp）r1~rN

iiN

ii

ii

iiRSSI

yxR

yxRyxR

yxBase

,

,,

, 21

PPiN

PP

PP

PPRSSI

yxr

yxryxr

yxUser

,

,,

, 21

3.4 能量與路徑衰減模型

14

路徑衰減(Path-loss)是指RF 的訊號自發送端傳至接收端的過程中，RF 訊號

隨著路徑長度而衰減。一般可以將此行為以一數學式表示：

R

Td P

PP log10

其中 dP 單位為dB， TP 、 RP 分別表示發送端及接收端之功率

在空曠無障礙的空間中，可以利用Friis 的Free-space 衰減公式來表示接收天線 之輸出功率與送入傳送天線功率之比率為：

2

4

dGG

PP

TRT

R

其中 RG 、 TG 分別表示接收天線與傳送天線增益值，表示波長(公尺) 、d 表

示距離(公尺)。Friis 的Free-space 衰減公式並不適用於短路徑之衰減，因此在做

短距離測試時，需另外搭配其他修正法則來做更正。一般而言這裡選用的距離為

1 公尺以上。

若選擇相同的天線，則可消除傳送天線與接收天線之增益值 TG ,、RG 差異，去除

天線因素，因此T

RP

P 就是路徑所造成的衰減比率。若以分貝(dB)表之，則接收

到之訊號功率

df

cGGPP RTTR 4

log20log10log10log10log10

代入 8103c 可得

RTT

R GGdfPP

log10log10log20log204103log20log10

8

其中f 表示頻率(MHz)， d 表示距離(公尺)。

若選定A、B 兩點分別與發送端距離 Ad 與 Bd ，則A、B 兩點間的關係可以表示 如下：

A、B 點與發射端之路徑衰減關係：

A

ARTA

T

R GGdfPP

log10log10log20log204103log20log10

8

，

B

BRTB

T

R GGdfPP

log10log10log20log204103log20log10

8

因為使用相同發射器，因此 TP 、f 相同，則A、B 兩點間的關係為：

15

XddP

PPP

dd

PP

A

BdA

R

TdB

r

B

A

R

R

BB

A

log10log10

其中γ 代表間隔距離與接收功率的關係，一般而言在空曠無障礙之場地γ = 2， Xσ

表示接收功率以均值為0 之高斯隨機變數的標準差，實際反應接收訊號的功率。

3.5定位演算法-內插法

內插法是直接根據所取得的訊號強度和定位資料庫中的資料做比對，先找到與定位資料庫中最接近的兩個點做為內插樣本，利用最接近使用者兩點的路徑與

能量之關係反推得每個接收器與使用者之相對距離，即可計算出使用者之所在位

置。此法的特色在於運算量低，可以快速計算出使用者之大概位置，並且擁有不

錯的定位精度，搭配角度與方位的應用，可以有效提升定位精度。

在定位資料庫中每一AP點 ),( ii yx 所對應到N個接收器端的RSSI值可以表示

成 NRR ~1 ，在使用者端所在位置 PP yx , 發送至N個接受器端的RSSI值可以表示

成 Nrr ~1 。

iiNiiiiii yxRyxRyxRyxbaseRSSI ,,,, 21

PPNPPPPPP yxryxryxryxroverRSSI ,,,, 21

經過比對後，可得到最接近的兩點 yx,1min 、 yx,2min ，利用這兩點間的RSSI

值當內插樣本，而使用者至最低點 ),(1min yx 間RSSI差值 ii yxbr ,_

),(,,_ 1min1min yxbaseRSSIyxroverRSSIyxbr jjjj

在與內插樣本相除，可得到使用者至接近點 yx,1min 間的相對位置關係

Ndd

~1 。

2min2min1min1min ,,,_

),(2,,1minyxbaseRSSIyxbaseRSSI

yxbryxmniyxd PPi

又RSSI值與距離相關，將差值的正負號應用於判斷與最近參考點間的相對位

置，即可計算出使用者與各接收站之相對應距離：

16

iimni

iP ddd

1

imniiiPiPi dyyxxyyxx

212

1min22

第四章、ZLocation無線ZigBee定位開發系統元件介紹 4.1 硬體

4.1.1 CC2430/CC2431EM

CC2430/CC2431EM無線ZigBee模組採用德州儀器公司(TI) ZigBee SoC射頻

晶片CC2430F128/CC2431，晶片上集成高性能8051內核、ADC、USART等，ZigBee

協定堆疊，CC2431內部還帶有一個硬體定位引擎。該模組引出20個可用I/O，使

用者可使用晶片上所有資源。方便使用者實現高性價比、高集成度的ZigBee解決

方案。

4.1.2 CC2430EB

CC2430EB無線ZigBee評估板採用CC2430/CC2431EM無線ZigBee模組+評估

底板的結構。評估底板上集成了12864點陣圖型液晶、鍵盤、蜂鳴器、USB轉

串列埠和溫度感測器等。利用液晶顯示和鍵盤輸入構成的人機介面結合出廠展示

程式，使用者可以全面評測CC2430/CC2431的各項功能，為使用者進行更高層次

的ZigBee應用開發奠定基礎。

4.1.3 CC243x-Debugger

CC243X-Debugger是專為支援TICC2430/CC2431晶片上系統晶片而推出的

17

模擬器/除錯器。可與IAR EW8051集成開單步、變數觀察、暫存器觀察等功能，

實現對CC2430/CC2431晶片上系統晶片的即時線上模擬、除錯。

4.2 軟體

4.2.1 Z-Stack TM 業界領先的Z-Stack TM 相容協定堆疊

Z-Stack是德州儀器公司(TI)推出的業界領先的ZigBee協定堆疊的免費下載

版本。Z-Stack達到ZigBee測試機構萊因集團(TUV Rheinland)評定的ZigBee聯盟

參考平台(golden unit)水準，目前已為全球眾多ZigBee開發商所廣泛使用。Z-Stack

符合ZigBee-2006規範，支援多種平台，其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的

CC2430/CC2431晶片上系統解決方案、基於CC2420收發器的新平台以及TI

MSP430超低功耗 MCU。

除了平面符合ZigBee-2006規範以外，Z-Stack還支援豐富的新特性，如無線

下載，可通過ZigBee網狀網路(mesh network)無線下載節點更新。Z-Stack還支持

巨被定為感知(location awareness)特性的CC2431。上述特性使使用者能夠設計出

可根據節點當前位置改變行為的新型ZigBee應用。

4.2.2 SmartRF Flash Programmer工具軟體

SmartRF Flash Programmer工具軟體可被用來編譯TI公司的晶片上系統微控

制器(例如CC2430/CC2431)的Flash記憶體，它還可以支援IEEE位置的讀/寫。該

軟體需要結合的CC243X-Debugger一起使用。

4.2.3 General Packet Sniffer 工具軟體

General Packet Sniffer工具軟體通過使用General Packet Sniffer ZigBee協定分

析儀來顯示和儲存捕獲到的射頻封包，可以支援各種射頻協定。General Packet

Sniffer工具軟體過濾和解碼資料封包並將它們以一種合宜的方式顯示出來，具有

過濾選項並且以一個二進位檔的格式儲存。

4.2.4 IAR Embedded WorkBench (EW8051)集成開發環境

IAR Embedded WorkBench (EW8051)集成開發環境支援工程管理、編譯、彙

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編、鏈結、下載和除錯等各種基於8051內核的處理器，包含TI的CC243X家族。

4.2.5 定位引擎監控(TI CC2430/CC2431)軟體

定位引擎監控(TI CC2430/CC2431)軟體可用來通過Location Dongle對參考點

和盲節點進行無線掃描和座標等參數的無線設置和查詢。

4.2.6 Z-LocationPC定位軟體

Z-LocationPC定位軟體是我們為使用者配套提供的pc定為軟體，可供使用者

二次開發的參考。

第五章、系統實作和測試 5.1 實驗概論

本篇論文主要是利用華亨科技所研發的定位系統，對我們日常生活中的環境

做定位測試，而我們是把八個參考節點分佈在我們所要實驗的環境裡，並利用電

腦接收到各節點傳回的盲節點立即資訊，做資料的運算轉換成位置，並把行動台

的位置顯示在電腦螢幕上，我們所建立的環境圖裡，讓我們可以準確且及時的知

道，盲解點的位置，以利於我們觀察和應用。

5.2 使用GUI方式編譯CC2430/CC2431 的FIASH記憶體

實驗依開始要利用SmartRF Flash Programmer工具軟體的GUI圖形介面，燒

錄編譯CC2430和CC2431，在介面上要選擇Erase,program and verify，它與Erase

program的動作相似，但編譯後Flash的內容將被讀回，並與.hex文件進行比對。

這可檢驗出編譯錯誤或由於Flash損壞而導致的錯誤。

19

圖5-1：燒錄 CC2430

5.3 Z-LocationPC定位軟體的使用

Z-LocationPC定位軟體需要與Location Dongle配合使用，所以我們選用裝配有

CC2430/CC2431EM的CC2430EB作為Location Dongle，正確選擇Location Dongle

與使用者PC連接所使用的串列，建立使用者PC與Location Dongle的連接後，我

們可載入我們所繪製的地圖，並形象的顯示環境裡的各個物理位置及物品，並指

定我們所要實驗區域的寬度和高度，把地圖圖片顯示在主圖表的顯示區域中，如

下所示:

20

圖5-2：逢甲大學資電418

圖5-3：環境地圖設置

5.4 參考節點的設置

我們可在室窗的功能表上選擇參考節點，我們可對參考節點的參數(X和Y)進行

21

無線配置，將參考節點放至Location Dongle附近，然後點「刷新列表」來搜尋參

考節點，被搜尋到的參考節點會被添加進參考節點列表裡，而所有參考節點的搜

索和配置完成後，按「刷新到地圖」可將參考節點列表中所有的參考節點刷新到

主表單地圖顯示區域中的相對位置。

圖5-4：參考節點實際配置圖

圖5-5：參考節點顯示配置圖

5.5 盲考節點的設置

將盲節點放至Location Dongle附近，點「刷新盲節點列表」來搜尋盲節點，

22

被搜索到的盲節點將會被添加進盲節點列表裡，該節節點的設置資訊將會被添加

進盲節點設置框裡，使用者可以更改設置資，訊然後按「更新盲節點設置」來使

用使用者所輸入的設置資訊來新配置該盲節點。

圖5-6：盲節點顯示配置圖

5.6 實際製作的結果及表現

當我們設置好盲節點和參考節點後，發現她的移動路徑和我們所走的路徑不

一定相同，但在我們停止後正確的到我們所在的位置上的速度卻滿快的，在緩滿

的行動及其定位上有滿不錯的表現。

23

圖5-7：實驗結果顯示圖

第六章、結論與未來展望 為了實現本論文所展現的結果和實作，我們從一開始的不了解，開始對於有

關Zigbee定位系統的認識，到使用華亨這套定位系統，我們花了很多時間去理解

他們的各項優缺點和硬體軟體的使用方法及各種安裝設定，到我們可以抓取

Zigbee的RSSI值和製作實驗環境的模擬圖實際的做測試，讓我們對於我們在日常

生活環境裡，我們常常提到的定位這個名詞，有更深一步的了解，感謝陳杏圓指

導教授及斯竣學長一年來的教導和督促，才會讓我們可以在短短的時間裡學到許

多，完成此無線定位的製作。

在本論文中，我們使用華亨科技的定位系統去實現我們的室內定位，此方式

容易去實現在ZigBee無線技術上所展現的各項優點，我們先對於Zigbee無線通訊

系統做基本的了解，研究華亨科技這套系統的使用方法，再去模擬我們所設定的

環境圖形，接著我們在實驗環境中怖署了數個感測器網路，加上我們所繪畫的實

24

模擬環境平面圖，提高定位的準確度，實際製作，實現出一套完整的室內定位系

統。

未來接下來的研究，可以在這套系統上再二次改良，除了把設備更加微小化

之外，我們可以在生活上做更多元了運用，例如在醫院的看護照顧,我們可以在

各盲節點加上一些感測器，測量被看護者的心跳血壓等數據，除了可以在緊急時

知道他們的所在位置，也可以藉此觀察牠們的生理狀況，在監獄的囚犯監測，我

們可以裝上聲音的訊設備，這樣讓我們除了知道他們所在位置犯人的找尋外，可

以知道各個犯人的對話，和預防不必要衝突。我們想Zigbee無線定位和我們所使

用的這套系統。在不久的未來一定會更多更多元實際的運用。

參考文獻 1. 王兆慶,”以Wire Sensor Network作定位之實作”,國立中正大學碩士論文 2. 沈子貴,”以可程式系統晶片發展平台實現無線網路室內定位之分析與應用”,國立

成功大學碩士論文 3. 顏啟森,”無限感測網路之感測定位系統實作”,國立中正大學碩士論文

4. 華亨科技ZigBee無線定為開發系統使用手冊

5. 無線感測器網路介紹,通訊雜誌,

http://www.cqinc.com.tw/grandsoft/cm/116/atr-1.htm

6. ZigBee無線網路介紹, http://www.geoprotek.com/layout/zigbeeintroduce.pdf