關(guān)于RSSI的錨節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

張凱亮

摘 要：隨著人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究，其應(yīng)用逐漸深入到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，扮演重要的角色，該次系統(tǒng)是基于RSSI的錨節(jié)點(diǎn)定位法，對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，使用CC2530作為主芯片模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收，然后在電腦終端顯示出接收到的數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度，用單片機(jī)處理終端記錄到的信號(hào)強(qiáng)度，然后在顯示器上顯示發(fā)送端與接收端的距離，最后通過給定的公式計(jì)算出發(fā)送端的坐標(biāo)，應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：RSSI 定位 CC2530

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0001-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。WSN廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個(gè)領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)用都與節(jié)點(diǎn)信息相關(guān)，如定位系統(tǒng)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)定位方面，可以采用少量錨節(jié)點(diǎn)來輔助對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的自身定位的方案，用基于RSSI的定位方法，實(shí)現(xiàn)基本的定位功能。

1 RSSI理論基礎(chǔ)

經(jīng)過多年的研究，諸多的節(jié)點(diǎn)自定位算法已經(jīng)被提出，由于每一種算法都有適用的環(huán)境，因此目前并沒有一種通用的定位算法，其中RSSI定位算法優(yōu)勢(shì)比較明顯，因?yàn)槠浯蠖鄶?shù)的節(jié)點(diǎn)都有RF發(fā)射能力，成本低廉、能耗低，因此很多的應(yīng)用都是基于RSSI來進(jìn)行距離測(cè)算的，同時(shí)要注意的是為了使測(cè)距誤差大大降低，提高RSSI測(cè)距的精確度，通常會(huì)設(shè)計(jì)一些濾波器來輔助測(cè)量。目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的定位算法主要有以下幾種分類方式：（1）基于測(cè)距的定位和無需測(cè)距的定位。（2）集中式計(jì)算的定位與分布式計(jì)算的定位。（3）靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體本著可靠、安全、靈活的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循發(fā)送-接收-數(shù)據(jù)處理-計(jì)算坐標(biāo)值的過程，注意實(shí)現(xiàn)每一個(gè)模塊環(huán)節(jié)的最佳優(yōu)化配置。

2.1 定位算法

可以采用是三角質(zhì)心算法（圖1、圖2），這種算法的優(yōu)點(diǎn)是可以減少RSSI定位的誤差。

如圖1，A、B、C為錨節(jié)點(diǎn)，D是待測(cè)節(jié)點(diǎn)，由RSSI模型計(jì)算出A、B、C三點(diǎn)到D點(diǎn)距離分別為ra、rb、rc，再以ra、rb、rc為半徑，對(duì)應(yīng)以A、B、C為圓心畫圓，可得到3個(gè)圓相交的區(qū)域。這里的三角質(zhì)心算法的基本思想：在這交疊區(qū)域內(nèi)，以任意2個(gè)圓的交點(diǎn)為特征點(diǎn)，如圖2的E，F(xiàn)，G 三個(gè)點(diǎn)即為特征點(diǎn)，其中N與M點(diǎn)分別為三邊測(cè)量法求出的被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與三角質(zhì)心算法求出的被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，由此可見，三角質(zhì)心算法得出的被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)更為準(zhǔn)確。然后，通過這3個(gè)特征點(diǎn)計(jì)算出被測(cè)節(jié)點(diǎn)D 的坐標(biāo)。特征點(diǎn)的計(jì)算方法為≤ r，其中x，y為圓心坐標(biāo)，r為半徑，同樣的方法可以計(jì)算出F點(diǎn)，G點(diǎn)的坐標(biāo)，此時(shí)被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為式：而該設(shè)計(jì)是線形的錨節(jié)點(diǎn)，可將3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)形成的線看作為一個(gè)特殊的三角形，建立數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

D點(diǎn)為被測(cè)點(diǎn)，A、B、C為3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，呈線形分布，可通過RSSI模型測(cè)出A、B、C三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)D的距離，分別為ra、rb、rc，再以A為圓心ra為半徑畫出圓A，同理畫出圓B，圓C、D點(diǎn)正好為三個(gè)圓的交點(diǎn)，滿足對(duì)特征點(diǎn)計(jì)算的條件，通過特征點(diǎn)求出D點(diǎn)坐標(biāo)，這樣算的優(yōu)點(diǎn)在于通過三個(gè)特征點(diǎn)求出的被測(cè)點(diǎn)D點(diǎn)的坐標(biāo)誤差會(huì)減小很多。

2.2 硬件選擇

信號(hào)傳輸模塊主芯片選用的是CC2530芯片的模塊。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。數(shù)據(jù)處理模塊可選用單片機(jī)STC89C52進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。液晶顯示模塊該次選用的是選擇1602液晶顯示器。串口通信模塊選用rs232標(biāo)準(zhǔn)u轉(zhuǎn)串模塊。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言，使系統(tǒng)的各個(gè)模塊功能清晰易懂，有利于以后的修改，功能非常強(qiáng)大。單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言配套Keil軟件。CC2530芯片則使用IAR Embedded Workbench軟件來進(jìn)行程序編寫、調(diào)試、寫入。

如圖4所示，首先在電腦平臺(tái)與單片機(jī)連接好后，向單片機(jī)傳輸從信號(hào)接收端接收到的RSSI值，單片機(jī)接收到RSSI值后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以利用公式A），其中n為信號(hào)傳播系數(shù)；d為與發(fā)送者的距離；A為距發(fā)送者1 m時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，即傳輸單位長(zhǎng)度的信號(hào)強(qiáng)度。RSSI測(cè)距精度的高低是由n與A實(shí)際取值大小來決定的。了使A值精確，可多次測(cè)量然后求平均值。對(duì)于n值來說，可以先放置好所有的參考節(jié)點(diǎn)，然后嘗試用不同的n_index值找到最適合這個(gè)具體環(huán)境的n值。單片機(jī)將計(jì)算得出的距離數(shù)值通過電路傳給液晶顯示器（該系統(tǒng)選用1602液晶屏），顯示數(shù)值后，液晶顯示器進(jìn)入等待狀態(tài)，手動(dòng)記錄距離數(shù)值后，如果還有RSSI值在處理中，則繼續(xù)等待顯示下一個(gè)RSSI值的完成，待所有RSSI值處理完畢后，則可以關(guān)閉單片機(jī)，結(jié)束該模塊單元的處理過程。

發(fā)送接收模塊程序設(shè)計(jì)如下。

如圖5所示，系統(tǒng)開始運(yùn)行后，發(fā)送端CC2530通過芯片內(nèi)部的32 MHz的晶振產(chǎn)生信號(hào)，然后將產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送出去，信號(hào)成方波形式，在高電平是有效，從而能通過延時(shí)不斷的向接收端發(fā)送信號(hào)。如圖6所示，系統(tǒng)開始運(yùn)行后，接收端開始接收發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)，將接收的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)弱產(chǎn)生RSSI值，再將產(chǎn)生的RSSI值取平均得出該點(diǎn)的最終RSSI值，把得出的最終RSSI值存入CC2530芯片的寄存器中以供PC機(jī)讀取。然后，PC機(jī)通過串口將接收端寄存器中的RSSI值逐一讀取出來，在PC機(jī)上顯示讀出的RSSI值，大約20到30 s后，RSSI值趨于穩(wěn)定。整個(gè)系統(tǒng)完成后，對(duì)以上軟硬件進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，可依次得到所需測(cè)量的數(shù)值。

3 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)經(jīng)典RSSI測(cè)距模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，通過理論分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，將RSSI測(cè)距定位很好的運(yùn)用到實(shí)際的系統(tǒng)中，為錨節(jié)點(diǎn)定位如何結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)啟發(fā)，當(dāng)然，在設(shè)計(jì)過程中還有不足之處，需要進(jìn)一步完善。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和深入，更深更寬更廣的領(lǐng)域?qū)?huì)進(jìn)一步的被開發(fā)。

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