ZStack傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)設計

劉 鋆, 趙爾敦, 陳 怡

(1. 華僑大學 信息化建設與管理處， 福建 廈門 361021; 2. 華中師范大學 計算機學院， 武漢 430079)

·計算機技術應用·

ZStack傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)設計

劉 鋆1, 趙爾敦2, 陳 怡2

(1. 華僑大學 信息化建設與管理處， 福建 廈門 361021; 2. 華中師范大學 計算機學院， 武漢 430079)

在無線傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)中，由于元器件品控和外界環(huán)境等因素的差異，以往測出的衰減模型參數(shù)的經(jīng)驗值并不能適應當下的定位環(huán)境，以至定位精度很低，實驗過程不具重復性。根據(jù)待定位節(jié)點臨近的參考節(jié)點多次互發(fā)報文，經(jīng)過最小二乘法擬合出衰減模型參數(shù)。算法對所有參考節(jié)點根據(jù)RSSI值進行排序，選取RSSI值最小的3個節(jié)點用三邊定位算法計算待定位節(jié)點坐標。最后，設計了一個基于ZStack協(xié)議棧的定位原型系統(tǒng)。算法經(jīng)過進一步簡化，大幅度減小了由于衰減模型參數(shù)不準確對定位精度的影響，為今后深入研究室內定位打下基礎。

無線傳感器網(wǎng)絡； 定位； 衰減模型； ZStack

0 引 言

近年來，基于位置服務(LBS)[1]和大數(shù)據(jù)[2]技術進一步的挖掘了移動終端的服務潛力，增加了用戶的可選度，為用戶提供了更有價值的決策支持信息。隨著應用展示越來越多樣化，現(xiàn)有的基于位置服務已經(jīng)不能滿足用戶需求，仍舊停留在室外定位，如區(qū)域定位、街道定位等。而諸如停車位尋找，大型展覽館導航等室內定位項目，定位精度仍然達不到用戶需求。

全球定位系統(tǒng)(GPS)早已成為室外定位中的主要支撐技術，民用級別的精度是1 m。但由于室內建筑材料復雜，GPS的信號無法穿透，使其無法應用于室內環(huán)境的定位。超聲波定位精準，得益于其測距精確度高的優(yōu)點(實驗環(huán)境中，超聲波測距精度能達到1 cm)[3]。但對超聲收發(fā)元器件的品控要求較高，也和項目實施過程中節(jié)點的擺放位置和角度有直接影響[4]?；赗SSI的定位系統(tǒng)[5]，不依賴于捆綁其他的傳感器，在組網(wǎng)的同時利用無線信號接收強度進行測距，即可達到定位的目的。隨著傳感器的軟、硬件技術的成熟和無線技術的快速發(fā)展，行業(yè)內已經(jīng)可以實現(xiàn)1 000個以上的無線傳感器節(jié)點大規(guī)模自組織組網(wǎng)，針對大規(guī)模部署產(chǎn)生的漏斗效應，也有了較好的解決方案[6]。并且，無線傳感器節(jié)點量產(chǎn)成本很低，適合大規(guī)模部署。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡收集數(shù)據(jù)的項目中，添加定位功能，無論在經(jīng)濟上和技術上都是具有可行性的。本文將進一步探究基于信號接收強度和距離的轉換關系，及其參數(shù)如何適應不同環(huán)境的解決方案。

1 ZStack介紹

ZStack是德州儀器公司專門為cc243x和cc253x芯片組定制的一個小型的假實時操作系統(tǒng)。它優(yōu)異地集成ZigBee，ZigBee PRO的絕大部分特性，被ZigBee測試機構，國家技術服務公司(NTS)評為ZigBee聯(lián)盟業(yè)內最高水平[7]。

ZStack協(xié)議棧的任務調度機制是非常經(jīng)典的輪詢機制。作為一個增強型的單片機，輪詢無疑是最簡潔高效的。每個任務鏈表都有一個單獨的消息隊列，消息隊列由各種事件產(chǎn)生的標志位組成，系統(tǒng)通過判斷標志位進而對相應的事件進行響應。標志位的修改可以通過輪詢或中斷來實現(xiàn)。當傳感器節(jié)點上電，系統(tǒng)會初始化任務鏈表，配合OSAL完成整個協(xié)議棧的穩(wěn)定運行[8]。

2 傳統(tǒng)定位算法原理及誤差分析

在基于測距的定位算法中，信號衰減模型被用于信號強度與距離的轉換。

(1)

表1 路徑衰減系數(shù)經(jīng)驗值

在環(huán)境中存在的阻擋越多，信號強度衰減得越多。因此，n值大致能說明傳播介質的通過率。實際工程中，經(jīng)常把一些尚未研究出規(guī)律的、影響無線信號傳播的因素歸入信號噪聲。式(1)中的ε，代表環(huán)境的噪聲干擾，ε是一個服從高斯分布(0,δdB)的隨機數(shù)。δdB為遮蔽方差(Shadowing deviation)，不同環(huán)境下，測量出來的遮蔽方差是不一樣的[9]。

3 改進的定位算法

在實際的工程中，往往會使用衰減模型的另一種形式，即

(2)

式中：A為單位距離的信號強度；n為定位環(huán)境的衰減系數(shù)，這2個參數(shù)直接決定了測距的精準度。

為了使衰減模型中的參數(shù)實時適應測量環(huán)境，本文將通過修改通信協(xié)議，選擇待定位節(jié)點周圍的參考節(jié)點并讓它們發(fā)送探測報文，提取RSSI值和參考節(jié)點的位置信息，從而計算出A和n。如果在每一次計算待定位節(jié)點之前，都進行一次A、n的測算，那么即使定位區(qū)域的環(huán)境發(fā)生變化，A和n也將隨環(huán)境而改變。這種利用待定位節(jié)點附近的參考節(jié)點信息使定位計算適應定位環(huán)境的方法，可進一步簡化定位算法，屏蔽A、n計算過程。

在定位系統(tǒng)中，有m個參考節(jié)點，它們之間相鄰的距離為d1，d2，d3，…，dm，對應的節(jié)點接受到報文的信號強度為|RSSI|1，|RSSI|2，|RSSI|3，…，|RSSI|m。則有

(3)

式(3)可以寫成Y=bX的形式:

(4)

式中:

左乘bT，矩陣可以降至2維

bTY=bTbX

(5)

式中:

結合提取到的待定位節(jié)點的信號接收強度均值|RSSI|，可列出下面的方程組，解出的r即為待定位節(jié)點與參考節(jié)點的距離

(6)

在基于測距的定位算法中，三邊定位算法是經(jīng)典算法。在所有參考節(jié)點中，選擇RSSI值最小的3個節(jié)點與待定位節(jié)點的距離用于計算坐標

(7)

式中，(x,y)為待定位節(jié)點的坐標，(x1,y1) (x2,y2) (x3,y3)是參考節(jié)點的坐標。當3個參考節(jié)點不在同一條直線，方程組有解，即

4 系統(tǒng)設計

實時計算衰減模型中的參數(shù)，對定位結果的精準度有非常重要的意義。本節(jié)將設計并實現(xiàn)一個對環(huán)境自適應的定位系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，將不需要再考慮衰減模型參數(shù)對測距的影響。

4.1 系統(tǒng)總體框架

圖1所示為經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡應用的系統(tǒng)原型。無線傳感器負責組織網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)采集(比如溫度、濕度和震動等)，通過一個或者多個網(wǎng)關節(jié)點傳輸至上位機，上位機進行數(shù)據(jù)處理和展示。本文的定位原型系統(tǒng)也是依據(jù)此框架設計的。

圖1 定位系統(tǒng)項目框架

4.2 系統(tǒng)的軟、硬件平臺

4.2.1 無線傳感器節(jié)點

本系統(tǒng)將使用由TI公司研發(fā)的CC2530芯片為主控的無線傳感器。它們有配套的ZStack協(xié)議棧，實現(xiàn)了Zigbee2007 Pro中的幾乎所有功能。不僅如此，作為增強型的單片機，只需適當?shù)男薷尿寗樱湍苤С种T如msstatePAN、TinyOS[13]和FreakZ等開源協(xié)議棧。目前TI公司的CC253X芯片在市場上的占有率穩(wěn)定，投入到生產(chǎn)環(huán)境中的案例很多。

4.2.2 定位系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺

(1) 協(xié)議棧開發(fā)工具。底層的無線傳感器網(wǎng)絡使用TI公司開發(fā)的ZStack協(xié)議棧中的CC2530版本作為軟件系統(tǒng)。使用瑞典IAR公司的C編譯器IAR Embedded Workbench for 8051，并結合芯片配置文件CC2530.i51，便可在ZStack協(xié)議棧上開發(fā)。

(2) 定位系統(tǒng)和展示界面開發(fā)工具。上位機的數(shù)據(jù)處理程序和核心算法是在.Net 3.5框架上由C#實現(xiàn)。每輪定位后，使用GDI+實時繪出。GDI+是Windows的一個子系統(tǒng)，主要負責在打印設備和顯示屏輸出。GDI+屏蔽了應用程序和圖形輸出設備之間的復雜細節(jié)，開發(fā)人員只需要編寫設備無關的應用程序，提高了開發(fā)效率。

4.3 系統(tǒng)設計

4.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

ZigBee協(xié)議中，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點被分為3類：協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點。為了敘述方便，系統(tǒng)將延用ZStack中的定位例程的節(jié)點分類：Dongle、Router和Blind。Dongle在系統(tǒng)初始化時創(chuàng)建網(wǎng)絡，并在系統(tǒng)運行過程中對網(wǎng)絡進行維護。它通過仿真器與電腦連接，系統(tǒng)運行過程中，不處理任何來自Router的RSSI數(shù)據(jù)，透明傳輸至上位機。Router負責RSSI收集，并在網(wǎng)絡傳輸過程起路由作用。Blind是待定位節(jié)點，不工作時處于深度睡眠狀態(tài)，每隔一段時間由定時器喚醒。

在圖2中，Dongle只有1個，Router和Blind有多個，其中Router的數(shù)目為3個以上。系統(tǒng)中有9類報文，它們以Cluster ID作為標識。

圖2 ZStack應用層通信協(xié)議

節(jié)點發(fā)送報文之前，必須定義報文中的Cluster ID。當傳感器接收到一個報文，會依據(jù)報文中的Cluster ID做出不同的處理。報文的發(fā)送由定時器或者回調函數(shù)觸發(fā)，按照序號的字典順序執(zhí)行。

0. LOCATION_ROUTER_KEEP_ALIVE

1. LOCATION_ROUTER_TABLE_CREATE

2. LOCATION_ROUTER_INFO

3. LOCATION_ROUTER_RSSI_REQUEST

4. LOCATION_ROUTER_UNICAST

5. LOCATION_ROUTER_RSSI_RESPONSE

6. LOCATION_BLIND_RSSI_REQUEST

7. LOCATION_BLIND_BLAST

8. LOCATION_BLIND_RSSI_RESPONSE

本系統(tǒng)應用于室內定位，Dongle和Router均由外接電源持續(xù)供電，Blind由于是待定位節(jié)點，需要不斷移動，由5號電池供電。系統(tǒng)上電初始化，Dongle進行硬件上電核查、短地址初始化、節(jié)點ID寫入，選擇信道并開始廣播網(wǎng)絡組建幀。Router和Blind進行硬件上電核查、短地址初始化，開始尋找和加入網(wǎng)絡。如果Router和Blind沒有接收到Dongle廣播的網(wǎng)絡組建幀，將進入等待狀態(tài)。當加入網(wǎng)絡的Router和Blind的數(shù)目滿足后，Dongle將啟動應用層路由表創(chuàng)建。

當無線傳感器網(wǎng)絡組建完成，并且網(wǎng)絡上的節(jié)點足夠時，Dongle采用多播的方式每隔3 s發(fā)送Cluster ID為LOCATION_ROUTER_TABLE_CRE-ATE的報文給Router。Router接收后，將以單播的形式、Cluster ID為LOCATION_ROUTER_INFO，發(fā)送其短地址和上電時寫入的節(jié)點ID給Dongle。Dongle接收此類報文后，提取節(jié)點ID和短地址，按節(jié)點ID的字典順序插入路由表。應用層路由表的結構如下：

struct _router table

{

struct _router_talbe *next;

uint8 node_id;

uint16 short_addr;

uint8 alive_count;

}

路由表是一個按節(jié)點ID從小到大的單循環(huán)鏈表，每條路由信息包括節(jié)點id，短地址和存活計數(shù)。維護路由表借鑒了經(jīng)典的心跳機制。Dongle每隔3 s向Router多播Cluter ID為LOCATION_-ROUTER_KEEP_ALIVE的報文，并將路由表中的所有節(jié)點的alive_count加1。Router收到后將立即觸發(fā)回調函數(shù)，以LOCATION_ROUTER_INFO為Cluster ID的報文單播Router節(jié)點信息給Dongle。Dongle將會順序查找路由表，如果路由表中已有這條路由信息，則此節(jié)點的alive_count重置為初始化值0。Dongle通過osal_timer函數(shù)向任務鏈表中添加定時任務，每隔60 s執(zhí)行alive_count參數(shù)巡查。當路由表中某個Router的alive_count超過10，該節(jié)點的路由信息將會從路由表中刪去。

應用層路由表形成后，Dongle遍歷路由表，提取目的節(jié)點的下一個節(jié)點的短地址填充報文中的destID，將此報文的Cluster ID設為LOCATION_-ROUTER_RSSI_REQUEST，以單播的形式發(fā)送給Router。報文結構如表2。Router收到后，提取報文中的destID，以單播的形式向destID發(fā)送Cluster ID為LOCATION_ROUTER_UNICAST的報文。短地址為destID的節(jié)點接收到報文后，調用回調函數(shù)?；卣{函數(shù)將提取RSSI值，發(fā)送地址和接收地址填充報文，以LOCATION_ROUTER_RSSI_RESPON-SE為Cluster ID單播給Dongle。Dongle接收后，將觸發(fā)串口發(fā)送函數(shù)，通過串口原樣發(fā)送至上位機處理。在ZStack中，多播和單播在網(wǎng)絡層有校驗、重傳等糾錯機制的，但在串口傳輸過程，需要手工添加校驗字段，本系統(tǒng)選擇CRC16算法。

表2 LOCATION_ROUTER_RSSI_REQUEST報文格式

當Dongle發(fā)送完一輪Cluster ID為LOCATION_ROUTER_RSSI_RESPONSE報文后，立即以單播的形式向Blind發(fā)送Cluster ID為LOCATION_BLIND_RSSI_REQUEST的報文。Blind收到后，將廣播50個路由超時跳數(shù)為1的，Cluster ID為LOCATION_BLIND_BLAST的空數(shù)據(jù)報文。相鄰的Router收到后，提取RSSI值，以單播的形式發(fā)送Cluster ID為LOCATION_BLIND_-RSSI_RESPONSE的報文給Dongle，Dongle接收后，調用串口發(fā)送函數(shù)原樣發(fā)送給上位機。考慮到在實際應用中，待定位節(jié)點是不斷移動的，因此Blind在第1次廣播完成后，為了盡量節(jié)能，電源模式置為PM2模式。當芯片進入PM2模式，電壓調節(jié)器到數(shù)字核心是不工作，16 MHz的RC振蕩器和32 MHz晶振都不運行，耗電非常低。由于CC2530主控不支持睡眠中被無線信號喚醒，每隔1 s，定時器將喚醒節(jié)點并且廣播50次Cluster ID為LOCATION_BLIND_BLAST的報文，又立即進入PM2模式。Blind在定位系統(tǒng)中因為是移動的，它的代碼量最小，絕大多數(shù)時間處于睡眠狀態(tài)。為了定位不斷出現(xiàn)的待定位節(jié)點，Dongle每隔2 s發(fā)送1次LOCATION_BLIND_RSSI_REQUEST報文。

4.3.2 核心定位系統(tǒng)

為了盡量降低系統(tǒng)模塊的耦合性，底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機中的定位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)沒有交互。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只是將數(shù)據(jù)單向傳遞至上位機，上位機并不發(fā)送任何指令或數(shù)據(jù)給底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。獨立的設計能降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和調試的難度，使定位原型系統(tǒng)架構清晰。圖3展示了上位機定位系統(tǒng)的流程，在實現(xiàn)過程中，如果不注意一些細節(jié)，會直接影響定位效果。

圖3 上位機定位系統(tǒng)流程圖

底層的數(shù)據(jù)發(fā)送周期可以根據(jù)待定位節(jié)點的廣播報文周期調整。當上位機接收到底層傳來的一個報文的周期數(shù)據(jù)后，將判斷數(shù)據(jù)量是否足夠。由于計算坐標位置需要3個以上的參考節(jié)點的RSSI值，并且還要進行濾波運算，如果數(shù)據(jù)量不夠，將繼續(xù)接受下一輪數(shù)據(jù)。在ZStack中，信號單元結構體中是采用鏈路質量指示LQI來代表信號強度的，因此，在使用衰減模型之前，需要將LQI轉換成RSSI。LQI與RSSI的關系為

LQI=255×(RSSI+81)/91

(8)

在德州儀器出具的Datasheet明確建議使用-95～-40之間的RSSI值用作計算，如果超出該區(qū)間，RSSI值的參考性將降低。因此，當RSSI值不在區(qū)間內，對應的數(shù)據(jù)將丟棄，不用于計算。經(jīng)過濾波算法后，將一個節(jié)點的RSSI數(shù)據(jù)集，收斂成一個RSSI值。再用于計算坐標位置，最后通過GDI+實時繪出待定位節(jié)點所在位置。

定位系統(tǒng)測試在節(jié)點距離為3、8和12 m時，定位精度分別為0.3、0.8和1.5 m，節(jié)點平均距離增大，定位誤差將增大。

圖4所示為定位原型系統(tǒng)的展示界面，由4個參考節(jié)點組成的3 m×3 m的正方形區(qū)域，藍色的待定位節(jié)點放置在(1.5，3)位置，系統(tǒng)定位的結果為(1.33，2.93)，誤差為0.184 0 m。

圖4 定位原型系統(tǒng)展示界面

5 結 語

本文通過研究傳統(tǒng)的基于測距的定位算法易產(chǎn)生誤差的原因，著重闡述了由于硬件品質及環(huán)境因素對定位計算的影響。利用參考節(jié)點信息，解決了衰減模型參數(shù)不適用實際定位環(huán)境的問題。并進一步提出了無需計算衰減模型參數(shù)的算法，使得定位算法具有自適應環(huán)境的能力。降低外部環(huán)境對定位的影響，為今后定位算法的深入和追蹤算法的研究打下基礎。

[1] 劉學斌, 程朋根, 徐云和. 基于位置服務的關鍵技術與應用[J]. 江西科學, 2005, 23(1): 43-48.

[2] 王 珊, 王會舉, 覃雄派, 等. 架構大數(shù)據(jù): 挑戰(zhàn), 現(xiàn)狀與展望[J]. 計算機學報, 2011, 34(10): 1741-1752.

[3] 趙海鳴, 卜英勇, 王紀嬋. 一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的研制[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2006, 26(3): 62-65.

[4] 孫牽宇, 童 峰, 許肖梅. 一種大角度范圍的高精度超聲波測距處理方法[J]. 廈門大學學報 (自然科學版), 2006, 45(4): 513-517.

[5] Zàruba G V, Huber M, Kamangar F A,etal. Indoor location tracking using RSSI readings from a single Wi-Fi access point[J]. Wireless Networks, 2007, 13(2): 221-235.

[6] 張 磊，周 福. 基于圖論的溫室WSN測控系統(tǒng)冗余節(jié)點部署算法[J].農(nóng)機化研究, 2011(6):14-17.

[7] 李曉維，徐永軍，任豐原. 無線傳感器網(wǎng)絡技術[M]. 北京：北京理工大學出版社, 2007.

[8] 李戰(zhàn)明, 劉 寶, 駱東松. Zigbee 技術規(guī)范與協(xié)議棧分析[J]. 信息化縱橫, 2009(5): 45-48.

[9] 王繼春. 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位若干問題研究[D]. 合肥: 中國科技大學,2009.

[10] Hossain A, Van H N, Soh W S. Fingerprint-Based location estimation with virtual access points[C]//Computer Communications and Networks, 2008. ICCCN'08. Proceedings of 17th International Conference on. IEEE, 2008: 1-6.

[11] Bahl P, Padmanabhan V N. RADAR: An in-building RF-based user location and tracking system[C]//INFOCOM 2000. Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings IEEE, 2000, 2: 775-784.

[12] Lorincz K, Welsh M. Motetrack: A robust, decentralized approach to RF-based location tracking[C]∥Location-and Context-Awareness. Berlin Heidelberg: Springer, 2005: 63-82.

[13] 劉信新, 邵明凱. 無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng) TinyOS 研究[J]. 計算機與數(shù)字工程, 2008 (7): 66-68.

Design of the Localization System in Wireless Sensor Networks

LIUJun1,ZHAOErdun2,CHENYi3

(1. Information Construction and Management，Huaqiao University， Xiamen 361021， Fujian, China; 2. Department of Computer Science，Central China Normal University， Wuhan 430079，China)

In the localization system of wireless sensor networks, due to differences in quality control and external environment, empirical value of attenuation model cannot meet the current environment, the result may lead to low positioning accuracy and non-repeatable experiment. In this paper, the parameters of the model are fitted by the least square method, according to the reference nodes which send messages mutually close to the nodes to be located. All the reference nodes are sorted by their RSSI values, and the three nodes with the smallest RSSI values are selected to calculate the coordinates of the nodes to be located. Finally, a prototype system is designed and implemented for localization based on protocol stack of ZStack. Further simplifying algorithm greatly reduces model parameter inaccuracies on positioning accuracy, it provides the foundation for further research.

wireless sensor networks; localization; attenuation model; ZStack

2016-05-12

國家自然科學基金項目資助(61202470)

劉 鋆(1987-)，男，福建廈門人，助理工程師，研究方向：無線定位，智慧校園。E-mail:liuj@hqu.edu.cn

TN 929.5; TP 393

A

1006-7167(2017)02-0112-05