基于TinyOS平臺的RSSI改進定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李雪蓮，喬鋼柱，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)的定位技術應用廣泛，除了可以反應出事發(fā)地點之外，還可以跟蹤目標、實時監(jiān)測目標的行動狀態(tài)、預測目標的行動軌跡等［1］。目前的定位算法可以分為兩類:基于測距的定位算法(如到達角度AOA，到達時間TOA，到達時間差TDOA，接收信號強度RSSI)和無需測距的定位算法(如質(zhì)心、DV-Hop、Amorphous、APIT 定位算法等)［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)點不存在特殊的要求，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［5］。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。本文在TinyOS軟件平臺上利用Crossbow公司提供的硬件設施對RSSI改進定位系統(tǒng)進行了實驗驗證，并結合實際情況對所得實驗數(shù)據(jù)進行了分析。

1 TinyOS操作系統(tǒng)及實驗硬件平臺

TinyOS是UC Berkeley(加州大學伯克利分校)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)［3］。加州大學伯克利分校在C語言的基礎上開發(fā)了一種專門適合于無線傳感網(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都是用NesC語言開發(fā)的［4］。本文硬件部分采用Crossbow公司的mib520接口板和iris節(jié)點。iris節(jié)點工作在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］。

2 RSSI改進定位算法

傳統(tǒng)的RSSI定位算法中衰減指數(shù)β采用的是經(jīng)驗值，依據(jù)具體的實驗環(huán)境而定，這樣會導致定位結果誤差較大。本算法主要針對RSSI定位算法中衰減指數(shù)β的值進行改進，利用節(jié)點接收信號強度值計算出同一實驗環(huán)境中不同位置的衰減指數(shù)β，進而得出未知節(jié)點的位置坐標，減小了誤差，提高了定位精度。

2.1 無線信號傳播模型

其中，β是路徑損耗指數(shù)，從式(1)可以得出距離r的計算公式為

屏蔽模型第2部分內(nèi)容為指出在固定距離上節(jié)點接收的信號能量符合對數(shù)正態(tài)隨機變化，其具體公式如下

Ψ是個無實際意義的隨機變量，是一個零均值的高斯隨機變量，是因為不同的實驗環(huán)境而產(chǎn)生。但是通過多次實驗計算得知，Ψ的值對實驗結果r的值影響不大，因此為了計算簡單，文中采用簡化的路徑損耗模型，如式(4)所示

2.2 動態(tài)路徑損耗指數(shù)的獲取

實驗中每個信標節(jié)點周期性的發(fā)送自身信息，當信標節(jié)點接收到其它信標節(jié)點發(fā)來的信息時，通過節(jié)點ID號判斷是否是距離最近的4個節(jié)點，如果是則記錄4個臨近節(jié)點發(fā)送的RSSI均值，記錄為RSSIS-2，RSSIS-1，RSSIS+1，RSSIS+2。信標節(jié)點如果接收到超過閾值的鄰接信標的信息時，根據(jù)式(5)計算出新的β值，并代替保存的原有β值

式(5)中，β是通過實際實驗中信號強度衰減得到的，依據(jù)節(jié)點所處環(huán)境的不同而不同，比以往采用的衰減指數(shù)經(jīng)驗值減小定位誤差。

2.3 三邊測量法計算未知節(jié)點坐標

通過計算得到衰減指數(shù)β，結合式(1)可以得到盲節(jié)點與信標節(jié)點之間的距離，然后利用三邊測量法計算出盲節(jié)點位置坐標。三邊測量法［9］是無線傳感器網(wǎng)絡定位算法中最典型的一種。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)點的距離以后，就可以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(6)成立

由式(6)可以求得盲節(jié)點的坐標如式(7)所示

3 RSSI算法在TinyOS操作平臺的實現(xiàn)

在這環(huán)節(jié)中，主要用NesC語言在TinyOS環(huán)境下將RSSI改進定位算法具體實現(xiàn)，編譯成功后將NesC程序分別燒到對應的硬件節(jié)點中進行實驗。其實驗結構如圖2所示，信標節(jié)點發(fā)送包含自身坐標和自身ID的數(shù)據(jù)包到盲節(jié)點，盲節(jié)點通過接收信息中的ID號來判斷是否為距離自己最近的4個信標節(jié)點，如果不是則丟棄此信息，如果是則記錄其RSSI值，并對每一節(jié)點RSSI值取平均，利用此RSSI值并根據(jù)路徑損耗指數(shù)β的計算公式得出此位置的損耗指數(shù)值。盲節(jié)點利用此β值結合信標節(jié)點的RSSI值計算出到與其距離最近的3個信標節(jié)點的距離，盲節(jié)點利用這3個距離值并結合信標節(jié)點位置坐標計算出自身坐標值，并將結果發(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，提供多個通信端口用于輸入信息，以便與網(wǎng)絡間傳送數(shù)據(jù);操作者可以通過終端接口或者XML RPC命令接口與其進行通信;它可以解析、轉換和處理節(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)轉換到相應的傳感器讀數(shù)測量單位;最后將轉換后的數(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)絡中所有節(jié)點是否都在正常通信;監(jiān)測到數(shù)據(jù)包的序列號以及傳送地址是否正確;監(jiān)測到路由的更新和時間同步消息。

圖2 實驗結構圖

3.1 總體實驗思路

信標節(jié)點:負責發(fā)送包含自身位置坐標和ID的數(shù)據(jù)包到信標節(jié)點S和盲節(jié)點。信標節(jié)點S:負責計算出衰減指數(shù)β。盲節(jié)點:負責接收信標節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，結合信標節(jié)點的位置坐標計算出盲節(jié)點自身位置坐標值，并將此值發(fā)送到基站節(jié)點?；竟?jié)點:負責接收所有能聽見的數(shù)據(jù)包，并將其轉發(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)(15)為自行定義，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，實際值應當縮小為10%，不影響結果。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

實驗中采用多個信標節(jié)點，首先分別指定每個信標節(jié)點的ID，以便距離盲節(jié)點最近的一個信標節(jié)點能夠區(qū)分開距離自己最近的4個信標節(jié)點以及在XSniffer界面中清晰觀察到每個信標節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。信標節(jié)點在實驗中起著關鍵作用，只有保證信標節(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)，用來存儲自身的坐標值和自身ID。(2)設置一個定時器，計時時間到發(fā)送出緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)到盲節(jié)點，為避免數(shù)據(jù)覆蓋現(xiàn)象，每個信標節(jié)點發(fā)送時間不同，并且不成倍數(shù)關系;指定紅色LED燈亮，并通過XSniffer界面觀察數(shù)據(jù)發(fā)送是否正確。(3)數(shù)據(jù)發(fā)送成功，指定綠色LED燈亮。

3.2.2 信標節(jié)點S

信標節(jié)點S主要作用是得出此位置的衰減指數(shù)β，以便對盲節(jié)點進行定位計算，隨著環(huán)境的不同，β值也不同，減小了定位誤差。具體實現(xiàn)思路如下:(1)定義一個緩存區(qū)，用來存儲自身的坐標值和自身ID。(2)定義兩個緩存區(qū)，其中一個用來接收距離其最近的4個信標節(jié)點發(fā)來的RSSI值，并計算每一個信標節(jié)點的RSSI平均值。(3)設置4個不同的定時器，到時分別提取接收緩存區(qū)的4個RSSI平均值到另一個緩存區(qū)中，并計算出此時衰減指數(shù)β。

3.2.3 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)，才可以計算出正確的節(jié)點間距離值，并得到可信的自身位置坐標。具體實現(xiàn)思路:(1)定義一個接收緩存區(qū)和兩個發(fā)送緩存區(qū)，及其對應的變量指針。(2)接收信標節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，提取信標節(jié)點S發(fā)過來的衰減指數(shù)β值，黃色LED燈亮。(3)利用此RSSI值和衰減指數(shù)分別計算出每個信標節(jié)點和盲節(jié)點之間的距離，選出較小的3個距離值存放到發(fā)送緩存區(qū)一中。(4)設置4個不同的計時器，前3個時間到分別提取接收緩存區(qū)一中數(shù)據(jù)到發(fā)送緩存區(qū)二，第4個時間到利用發(fā)送緩存區(qū)二中數(shù)據(jù)計算出盲節(jié)點坐標值，紅色LED燈亮。(5)發(fā)送成功，指定綠色LED燈亮。(6)將盲節(jié)點的坐標值發(fā)送到基站，并通過XSniffer界面讀取數(shù)據(jù)。

3.2.4 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)送來的數(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)接收一切可聽到的信號。(3)將接收到數(shù)據(jù)通過串口傳送到XServe，通過 XServe中轉數(shù)據(jù)顯示到 XSniffer界面中。

4 實驗結果及數(shù)據(jù)分析

實驗環(huán)境為20×20的實驗室內(nèi)和室外操場。

4.1 4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)，(0，6)，(4，0)，(8，0)，(6，6)。

表1 室內(nèi)實驗結果對比

表2 室外實驗結果對比

從表1和表2發(fā)現(xiàn)，當信標節(jié)點放置于坐標軸上時，數(shù)據(jù)誤差較大，是因為室內(nèi)坐標軸選為墻壁，會發(fā)生信號反射，室外坐標軸所選為操場周圍的柵欄，也會對無線信號傳輸產(chǎn)生較大影響。但是明顯可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)差值要比直接的RSSI定位算法小，數(shù)據(jù)的可靠性提高了許多，可見信號衰減指數(shù)β是一個較為關鍵的因素。

4.2 信標節(jié)點構成正五邊形

信標節(jié)點的實際坐標設為(20，10)，(13，19)，(13，0)，(2，4)。

表3 室內(nèi)實驗結果對比

表4 室外實驗結果對比

從表3和表4發(fā)現(xiàn)，擺放信標節(jié)點成正五邊形時，數(shù)據(jù)誤差較第一種情況好，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)點擺放的位置處于正五邊形中。且此時數(shù)據(jù)差值較直接RSSI算法好，因為衰減指數(shù)β值的改變。從總體數(shù)據(jù)看，盲節(jié)點擺放位置越接近于正五邊形中心時差值越小，盲節(jié)點位置一直放于正五邊形中，RSSI值衰減比第一種情況穩(wěn)定，從而數(shù)據(jù)差值較小。

4.3 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)，(8，4)，(6，2)。

表5 室內(nèi)實驗結果對比

表6 室外實驗結果對比

從表5和表6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2種情況大，因為此時盲節(jié)點放置的位置遠，室內(nèi)物品較多，干擾較大，室外無線信號干擾，導致RSSI衰減不穩(wěn)定。但是總體數(shù)據(jù)差值＜RSSI直接定位算法所得的數(shù)據(jù)差值，可見衰減指數(shù)β對定位有著一定的影響。

4.4 數(shù)據(jù)誤差分析

實驗環(huán)境是20×20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)的設備以及人員的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，操場中會存在其它的無線通訊信號，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。但數(shù)據(jù)誤差要比直接的RSSI算法優(yōu)化了一些，原因是沒有采用經(jīng)驗的衰減指數(shù)，而是計算所得。

5 結束語

本文在TinyOS操作平臺上利用Crossbow公司的硬件對無線傳感網(wǎng)RSSI改進定位算法進行了實驗驗證。通過節(jié)點間的收發(fā)數(shù)據(jù)，得到RSSI值，得到不同位置的衰減指數(shù)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，此方法仍然適用，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個最小的距離計算出盲節(jié)點的坐標值。

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