基于TinyOS平臺的RSSI定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

喬鋼柱，李雪蓮，曾建潮

(太原科技大學電子信息工程學院，山西太原 030024)

WSN(Wireless Sensor Network)定位技術(shù)應用廣泛，除可以反應出事發(fā)地點外，還可跟蹤目標、實時監(jiān)測目標的行動狀態(tài)、預測目標的行動軌跡等［1］。目前的定位算法可分為兩類:基于測距的定位算法和無需測距的定位算法［2］。由于基于測距的定位是采用實際測得節(jié)點間的距離或者角度，因此定位精度較高，對硬件也提出了一定的要求，在定位過程中相對消耗的能量較多。無需測距的定位算法不需要實際測量距離或角度信息，對節(jié)點不存在特殊要求，定位過程中無需考慮能量消耗問題，但定位精度及其節(jié)點覆蓋率卻有待提高。在基于測距的定位算法中，RSSI(Received Signal Strength Indicator)定位算法相對而言通信開銷較小，對硬件要求較低，是一種較為實用的定位算法。文中在TinyOS軟件平臺下，利用Crossbow公司提供的硬件設施對RSSI定位系統(tǒng)進行了實驗驗證，并結(jié)合實際情況對所得數(shù)據(jù)進行了分析。

1 TinyOS操作系統(tǒng)及硬件平臺

1.1 TinyOS

TinyOS是UC Berkeley開發(fā)的一種用于無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的開源操作系統(tǒng)，以其組件化的編程、事件驅(qū)動的執(zhí)行模式、微型的內(nèi)核以及良好的移植性等特點作為目前WSN系統(tǒng)上的主流操作系統(tǒng)。TinyOS操作系統(tǒng)沒有進程或線程管理，沒有虛擬內(nèi)存管理，沒有過于復雜的IO子系統(tǒng)及地址空間分配，這對于存儲資源有限的系統(tǒng)尤為重要［3］。

1.2 NesC語言

加州大學伯克利分校在C語言的基礎上開發(fā)出一種適用于無線傳感網(wǎng)絡編程的NesC(C Language for Network Embedded Systems)語言，TinyOS操作系統(tǒng)和其上運行的應用程序用NesC語言開發(fā)［4］。NesC是在C語言上做了一定的擴展，提出了組件化的編程思想，把組件化/模塊化思想和基于事件驅(qū)動的模型結(jié)合在了一起。其主要用處是幫助應用程序設計者建立易于組合成完整、并發(fā)式系統(tǒng)的組件，并能夠在編譯時執(zhí)行廣泛檢查［5］。

1.3 iris硬件特性

iris節(jié)點工作頻率為2.4 GHz，支持IEEE802.15.4協(xié)議的Mote模塊，用于低功耗無線傳感網(wǎng)絡［6］。它具有3倍的作用距離，雙倍的存儲空間;在戶外測試不加放大器的情況下，節(jié)點間視距離可達500 m;使用直接序列擴頻技術(shù)，抗RF干擾、數(shù)據(jù)隱蔽性較好;基于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的RF發(fā)送器，工作頻率2.4 ～2.483 5 GHz，兼容 ISM 波段［7］。

2 RSSI定位算法

2.1 RSSI測距

節(jié)點間發(fā)送的信號在傳播過程中都會有衰減，RSSI無線傳感網(wǎng)絡定位算法的核心是根據(jù)節(jié)點間發(fā)送信號的衰減計算出節(jié)點之間的距離，然后依據(jù)節(jié)點之間的距離計算出盲節(jié)點的位置坐標［8］。無線信號的發(fā)射功率與接收功率之間的關系如式(1)所示，其中PR是無線信號的接收功率，PT是無線信號的發(fā)射功率，d為收發(fā)節(jié)點之間的距離;n為傳播因子，其值大小取決于無線信號傳播的環(huán)境

在式(1)兩邊取對數(shù)，并把已知的網(wǎng)絡發(fā)射功率帶入，可得

式中10lgPR是接收信號功率轉(zhuǎn)換為dBm的表達式，即RSSI值，其中A為信號傳輸1 m時，接收信號的功率值。所以可得到盲節(jié)點與信標節(jié)點之間的距離為

2.2 三邊測量法定位

三邊測量法［9］是無線傳感器網(wǎng)絡定位算法中較為最典型的一種。在盲節(jié)點通過基于RSSI的測距方法獲取到3個或以上信標節(jié)點的距離后，就可利用三邊測量法進行自身定位。如圖1所示，已知3個信標節(jié)點A、B、C的坐標(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)。假設盲節(jié)點的坐標為(x，y)，根據(jù)盲節(jié)點接收到的RSSI值，得盲節(jié)點到A，B，C的距離分別為d1、d2、d3。

圖1 三邊測量法的定位原理

則根據(jù)三邊測量法原理，有式(4)成立

由式(4)可以求得盲節(jié)點的坐標如式(5)所示

3 RSSI定位算法在操作平臺上的實現(xiàn)

在此環(huán)節(jié)中，主要用NesC語言在TinyOS環(huán)境下將RSSI定位算法具體實現(xiàn)，編譯成功后將NesC程序分別燒寫到對應的硬件節(jié)點中進行實驗。其實驗結(jié)構(gòu)如圖2所示，信標節(jié)點發(fā)送包含自身坐標的數(shù)據(jù)包到盲節(jié)點及基站節(jié)點。盲節(jié)點接收信標節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包解析出每一個的RSSI值，結(jié)合信標節(jié)點的位置坐標計算出自身坐標值，并將結(jié)果發(fā)送至基站節(jié)點?；竟?jié)點接收一切數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到XServe中轉(zhuǎn)站。PC機上的XServe作為節(jié)點網(wǎng)絡和操作者之間通信的主要通道，它提供多個通信端口用于輸入信息，以便于網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)傳送;操作者可以通過終端接口或XML RPC命令接口與其進行通信;它可以解析、轉(zhuǎn)換和處理節(jié)點傳送的數(shù)據(jù);在解析過程中，將原始格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到相應的傳感器讀數(shù)測量單位;最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)顯示于XSniffer界面中。PC機上的XSniffer可以顯示出XServe傳送的所有數(shù)據(jù);能夠讓操作者監(jiān)測到網(wǎng)絡中的所有節(jié)點是否都在正常通信、數(shù)據(jù)包的序列號以及傳送地址是否正確、以及路由的更新和時間同步消息。

圖2 實驗結(jié)構(gòu)圖

3.1 總體實驗思路

信標節(jié)點:負責發(fā)送包含自身位置的數(shù)據(jù)包到盲節(jié)點。盲節(jié)點:負責接收信標節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，提取出信標節(jié)點的坐標值，并從數(shù)據(jù)包中獲得RSSI值，在此基礎上計算出自身的坐標值，并將計算出的結(jié)果發(fā)送到基站節(jié)點?；竟?jié)點:負責接收所有能夠聽見的數(shù)據(jù)包，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到XServe，最后顯示到XSniffer界面中，如圖3所示。

圖3 XSniffer數(shù)據(jù)顯示界面

圖3中，后5位數(shù)據(jù)是自行定義的，發(fā)送給2號節(jié)點的5位數(shù)據(jù)中，前3位是接收到的3個已知節(jié)點RSSI值，后兩位是計算出的盲節(jié)點坐標值，為便于顯示，最后兩位數(shù)據(jù)分別擴大了10倍，實際值應當縮小10倍。發(fā)送給5號節(jié)點的數(shù)據(jù)是信標節(jié)點自身的坐標值。

3.2 具體實現(xiàn)思路

3.2.1 信標節(jié)點

實驗中采用3個信標節(jié)點，首先分別指定各節(jié)點的ID，以便能夠從XSniffer界面中觀察出每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。信標節(jié)點在實驗中起著關鍵的作用，只有保證信標節(jié)點與盲節(jié)點之間進行正常通信，才可以得到可信的盲節(jié)點位置坐標。具體實現(xiàn)思路如下:(1)定義一個緩存區(qū)，用于存儲自身的坐標值。(2)設置一個定時器，計時發(fā)送出緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)到盲節(jié)點，指定紅色led燈亮，并通過XSniffer界面觀察發(fā)送數(shù)據(jù)是否正確。(3)數(shù)據(jù)發(fā)送成功，指定綠色led燈亮。

3.2.2 盲節(jié)點

實驗目的是測出盲節(jié)點的位置，因此盲節(jié)點是實驗的目標節(jié)點。首先指定其ID，以便在XSniffer界面中讀取數(shù)據(jù)。其次要保證能夠正常接收并提取信標節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，才可以得到可信的自身位置坐標。具體實現(xiàn)思路如下:(1)定義接收和發(fā)送兩個緩存區(qū)及其對應的變量指針。(2)設置4個不同的計時器，第1個計時器時間到，通過變量指針將接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)復制到發(fā)送緩存區(qū)中。第2和第3個計時器時間到，重復上述操作。第4個計時器時間到，利用發(fā)送緩存區(qū)中數(shù)據(jù)計算出盲節(jié)點坐標值。(3)將盲節(jié)點的坐標值發(fā)送到基站，并通過XServe到XSniffer界面讀取數(shù)據(jù)。

3.2.3 基站節(jié)點

基站節(jié)點用于接收信標節(jié)點和盲節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)向上傳送，使得實驗者能夠明確每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)值。具體實現(xiàn)思路如下:(1)定義一個緩存區(qū)，用來存儲接收到的數(shù)據(jù)。(2)利用接收函數(shù)接收可以聽到的信號。(3)將接收到數(shù)據(jù)通過串口傳送到XServe，通過XServe將數(shù)據(jù)顯示到XSniffer界面中。

4 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

(1)兩個信標節(jié)點放置在坐標軸上，另外一個隨機放置。信標節(jié)點的坐標設為(0，2)，(4，0)，(6，6)，盲節(jié)點坐標如表1和表2所示。

表1 室內(nèi)實驗結(jié)果

表2 室外實驗結(jié)果

如表1所示，當信標節(jié)點置于坐標軸上時，數(shù)據(jù)誤差較大，是因為室內(nèi)坐標軸所選為墻壁，會發(fā)生信號反射現(xiàn)象，室外坐標軸所選為操場周圍的柵欄，也會對無線信號的傳輸產(chǎn)生較大影響。從總體數(shù)據(jù)看，室內(nèi)差值最大為2.16 m，最小為0.98 m;室外差值最大為1.56 m，最小為0.81 m。在室外定位中，距離越遠誤差則越大，其原因是室外無線信號干擾導致RSSI值衰減不穩(wěn)定。

(2)雙側(cè)擺放信標節(jié)點。信標節(jié)點的實際坐標設為(4，1)，(8，1)，(6，5)，盲節(jié)點坐標如表 3 和表 4所示。

表3 室內(nèi)實驗結(jié)果

表4 室外實驗結(jié)果

從上表發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)擺放信標節(jié)點成等邊三角形時，數(shù)據(jù)誤差較第一種情況好些，是因為此時信標節(jié)點的位置不在墻壁和操場圍欄處，而且盲節(jié)點擺放的位置處于三角形之中。從總體數(shù)據(jù)看，盲節(jié)點擺放位置越接近三角形中心時差值越小。這種情形下，室內(nèi)差值最大為1.8 m，最小為0.57 m，室外差值最大為1.2 m，最小為0.36 m。室外定位中，盲節(jié)點位置一直放于三角形之中，RSSI值衰減比第一種情況下要穩(wěn)定，從而數(shù)據(jù)差值小些。

(3)隨機擺放信標節(jié)點。信標節(jié)點的實際坐標設為(3，3)，(5，2)，(7，1)，盲節(jié)點坐標如表5 和表6 所示。

表5 室內(nèi)實驗結(jié)果

表6 室外實驗結(jié)果

從以上表格發(fā)現(xiàn)，在隨機擺放信標節(jié)點的情況下，數(shù)據(jù)誤差較第一種情況小，但比第二種情況大，因為此時盲節(jié)點放置的位置更遠，室內(nèi)物品較多，干擾較大，而室外無線信號干擾，導致RSSI衰減不穩(wěn)定。從總體數(shù)據(jù)看，室內(nèi)差值最大為2.05 m，最小0.85 m;室外差值最大為1.42 m，最小0.58 m。

(4)數(shù)據(jù)誤差分析。實驗環(huán)境為18×18的實驗室內(nèi)和室外操場，由于實驗環(huán)境的局限性，RSSI值會受到多種因素的干擾，實驗室內(nèi)的設備以及人員走動都會對無線信號產(chǎn)生影響，使得信號發(fā)生反射、繞射、受到障礙物阻擋等現(xiàn)象，操場中會存在其他的無線通訊信號，以及鐵欄桿等障礙物會使信號發(fā)生不穩(wěn)定的衰減，導致RSSI值不穩(wěn)定，產(chǎn)生誤差。另外，每個節(jié)點所處的自身環(huán)境不相同，對其信號發(fā)射影響大小也不相同，但計算時采用同樣的衰減指數(shù)，必然存在誤差。

5 結(jié)束語

在TinyOS操作平臺上利用Crossbow公司的硬件對無線傳感網(wǎng)RSSI定位算法進行了驗證。通過節(jié)點間的收發(fā)數(shù)據(jù)，得到RSSI值，從而計算出盲節(jié)點與信標節(jié)點之間的距離，最后利用三邊定位算法計算出盲節(jié)點的具體位置坐標值。在大型網(wǎng)絡中，此方法仍然實用，此時盲節(jié)點會接收到多個信標節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，計算出多個距離值，只需提取3個最小的距離即可計算出盲節(jié)點的坐標值。

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