基于TinyOS平臺(tái)的RSSI定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 RSSI定位算法是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中一種常用的定位算法，文中以Crossbow公司提供的iris節(jié)點(diǎn)及MIB520接口板為硬件平臺(tái)，以TrinyOS操作系統(tǒng)支持的NesC語言為軟件操作平臺(tái)，設(shè)計(jì)了RSSI定位系統(tǒng)。分別在室內(nèi)和室外兩種環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)的有效性。
關(guān)鍵詞 無線傳感網(wǎng)絡(luò)；TrinyOS操作系統(tǒng)；NesC語言；RSSI定位算法

    WSN(Wireless Sensor Network)定位技術(shù)應(yīng)用廣泛，除可以反應(yīng)出事發(fā)地點(diǎn)外，還可跟蹤目標(biāo)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的行動(dòng)狀態(tài)、預(yù)測(cè)目標(biāo)的行動(dòng)軌跡等。目前的定位算法可分為兩類：基于測(cè)距的定位算法和無需測(cè)距的定位算法。由于基于測(cè)距的定位是采用實(shí)際測(cè)得節(jié)點(diǎn)間的距離或者角度，因此定位精度較高，對(duì)硬件也提出了一定的要求，在定位過程中相對(duì)消耗的能量較多。無需測(cè)距的定位算法不需要實(shí)際測(cè)量距離或角度信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)覆蓋率卻有待提高。在基于測(cè)距的定位算法中，RSSI(ReceivedSignal Strength Indicator)定位算法相對(duì)而言通信開銷較小，對(duì)硬件要求較低，是一種較為實(shí)用的定位算法。文中在TinyOS軟件平臺(tái)下，利用Crossbow公司提供的硬件設(shè)施對(duì)RSSI定位系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 TinyOS操作系統(tǒng)及硬件平臺(tái)
1．1 TinyOS
    TinyOS是UC Berkeley開發(fā)的一種用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的開源操作系統(tǒng)，以其組件化的編程、事件驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模式、微型的內(nèi)核以及良好的移植性等特點(diǎn)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(jìn)程或線程管理，沒有虛擬內(nèi)存管理，沒有過于復(fù)雜的IO子系統(tǒng)及地址空間分配，這對(duì)于存儲(chǔ)資源有限的系統(tǒng)尤為重要。
1．2 NesC語言
    加州大學(xué)伯克利分校在C語言的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)編程的NesC(C Language for Network Embedded Systems)語言，TinyOS操作系統(tǒng)和其上運(yùn)行的應(yīng)用程序用NesC語言開發(fā)。NesC是在C語言上做了一定的擴(kuò)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(dòng)的模型結(jié)合在了一起。其主要用處是幫助應(yīng)用程序設(shè)計(jì)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(shí)執(zhí)行廣泛檢查。
1．3 iris硬件特性
    iris節(jié)點(diǎn)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(luò)。它具有3倍的作用距離，雙倍的存儲(chǔ)空間；在戶外測(cè)試不加放大器的情況下，節(jié)點(diǎn)間視距離可達(dá)500 m；使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗RF干擾、數(shù)據(jù)隱蔽性較好；基于IEEE80 2．   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。

2 RSSI定位算法
2．1 RSSI測(cè)距
    節(jié)點(diǎn)間發(fā)送的信號(hào)在傳播過程中都會(huì)有衰減，RSSI無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位算法的核心是根據(jù)節(jié)點(diǎn)間發(fā)送信號(hào)的衰減計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后依據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的距離計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。無線信號(hào)的發(fā)射功率與接收功率之間的關(guān)系如式(1)所示，其中PR是無線信號(hào)的接收功率，PT是無線信號(hào)的發(fā)射功率，d為收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離；n為傳播因子，其值大小取決于無線信號(hào)傳播的環(huán)境
   
    式中10lgPR是接收信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為dBm的表達(dá)式，即RSSI值，其中A為信號(hào)傳輸1 m時(shí)，接收信號(hào)的功率值。所以可得到盲節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離為
   
2．2 三邊測(cè)量法定位
    三邊測(cè)量法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法中較為最典型的一種。在盲節(jié)點(diǎn)通過基于RSSI的測(cè)距方法獲取到3個(gè)或以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后，就可利用三邊測(cè)量法進(jìn)行自身定位。如圖1所示，已知3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)。假設(shè)盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，根據(jù)盲節(jié)點(diǎn)接收到的RSSI值，得盲節(jié)點(diǎn)到A，B，C的距離分別為d1、d2、d3。

    則根據(jù)三邊測(cè)量法原理，有式(4)成立
   
    由式(4)可以求得盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)如式(5)所示
   

3 RSSI定位算法在操作平臺(tái)上的實(shí)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(shí)現(xiàn)，編譯成功后將NesC程序分別燒寫到對(duì)應(yīng)的硬件節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含自身坐標(biāo)的數(shù)據(jù)包到盲節(jié)點(diǎn)及基站節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包解析出每一個(gè)的RSSI值，結(jié)合信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)計(jì)算出自身坐標(biāo)值，并將結(jié)果發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)?；竟?jié)點(diǎn)接收一切數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到XServe中轉(zhuǎn)站。
PC機(jī)上的XServe作為節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和操作者之間通信的主要通道，它提供多個(gè)通信端口用于輸入信息，以便于網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳送；操作者可以通過終端接口或XMLRPC命令接口與其進(jìn)行通信；它可以解析、轉(zhuǎn)換和處理節(jié)點(diǎn)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(yīng)的傳感器讀數(shù)測(cè)量單位；最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)顯示于XSniffer界面中。PC機(jī)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(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)是否都在正常通信、數(shù)據(jù)包的序列號(hào)以及傳送地址是否正確、以及路由的更新和時(shí)間同步消息。

3．1 總體實(shí)驗(yàn)思路
    信標(biāo)節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)發(fā)送包含自身位置的數(shù)據(jù)包到盲節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，提取出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，并從數(shù)據(jù)包中獲得RSSI值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出自身的坐標(biāo)值，并將計(jì)算出的結(jié)果發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)?；竟?jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)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中，后5位數(shù)據(jù)是自行定義的，發(fā)送給2號(hào)節(jié)點(diǎn)的5位數(shù)據(jù)中，前3位是接收到的3個(gè)已知節(jié)點(diǎn)RSSI值，后兩位是計(jì)算出的盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，為便于顯示，最后兩位數(shù)據(jù)分別擴(kuò)大了10倍，實(shí)際值應(yīng)當(dāng)縮小10倍。發(fā)送給5號(hào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身的坐標(biāo)值。
3．2 具體實(shí)現(xiàn)思路
3．2．1 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)
    實(shí)驗(yàn)中采用3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，首先分別指定各節(jié)點(diǎn)的ID，以便能夠從XSniffer界面中觀察出每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中起著關(guān)鍵的作用，只有保證信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行正常通信，才可以得到可信的盲節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。具體實(shí)現(xiàn)思路如下：(1)定義一個(gè)緩存區(qū)，用于存儲(chǔ)自身的坐標(biāo)值。(2)設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，計(jì)時(shí)發(fā)送出緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)到盲節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)
    實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)出盲節(jié)點(diǎn)的位置，因此盲節(jié)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。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(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，才可以得到可信的自身位置坐標(biāo)。具體實(shí)現(xiàn)思路如下：(1)定義接收和發(fā)送兩個(gè)緩存區(qū)及其對(duì)應(yīng)的變量指針。(2)設(shè)置4個(gè)不同的計(jì)時(shí)器，第1個(gè)計(jì)時(shí)器時(shí)間到，通過變量指針將接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到發(fā)送緩存區(qū)中。第2和第3個(gè)計(jì)時(shí)器時(shí)間到，重復(fù)上述操作。第4個(gè)計(jì)時(shí)器時(shí)間到，利用發(fā)送緩存區(qū)中數(shù)據(jù)計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。(3)將盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值發(fā)送到基站，并通過XServe到XSni ffer界面讀取數(shù)據(jù)。
3．2．3 基站節(jié)點(diǎn)
    基站節(jié)點(diǎn)用于接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)向上傳送，使得實(shí)驗(yàn)者能夠明確每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)值。具體實(shí)現(xiàn)思路如下：(1)定義一個(gè)緩存區(qū)，用來存儲(chǔ)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(hào)。(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(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
    (1)兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)放置在坐標(biāo)軸上，另外一個(gè)隨機(jī)放置。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為(0，2)，(4，0)，(6，6)，盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表1和表2所示。

    如表1所示，當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)置于坐標(biāo)軸上時(shí)，數(shù)據(jù)誤差較大，是因?yàn)槭覂?nèi)坐標(biāo)軸所選為墻壁，會(huì)發(fā)生信號(hào)反射現(xiàn)象，室外坐標(biāo)軸所選為操場(chǎng)周圍的柵欄，也會(huì)對(duì)無線信號(hào)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(yuǎn)誤差則越大，其原因是室外無線信號(hào)干擾導(dǎo)致RSSI值衰減不穩(wěn)定。
    (2)雙側(cè)擺放信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)設(shè)為(4，1)，(8，1)，(6，5)，盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表3和表4所示。

    從上表發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)擺放信標(biāo)節(jié)點(diǎn)成等邊三角形時(shí)，數(shù)據(jù)誤差較第一種情況好些，是因?yàn)榇藭r(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置不在墻壁和操場(chǎng)圍欄處，而且盲節(jié)點(diǎn)擺放的位置處于三角形之中。從總體數(shù)據(jù)看，盲節(jié)點(diǎn)擺放位置越接近三角形中心時(shí)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(diǎn)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(jī)擺放信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)設(shè)為(3，3)，(5，2)，(7，1)，盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表5和表6所示。

    從以上表格發(fā)現(xiàn)，在隨機(jī)擺放信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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?yàn)榇藭r(shí)盲節(jié)點(diǎn)放置的位置更遠(yuǎn)，室內(nèi)物品較多，干擾較大，而室外無線信號(hào)干擾，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)環(huán)境為18×18的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和室外操場(chǎng)，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限性，RSSI值會(huì)受到多種因素的干擾，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備以及人員走動(dòng)都會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生影響，使得信號(hào)發(fā)生反射、繞射、受到障礙物阻擋等現(xiàn)象，操場(chǎng)中會(huì)存在其他的無線通訊信號(hào)，以及鐵欄桿等障礙物會(huì)使信號(hào)發(fā)生不穩(wěn)定的衰減，導(dǎo)致RSSI值不穩(wěn)定，產(chǎn)生誤差。另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的自身環(huán)境不相同，對(duì)其信號(hào)發(fā)射影響大小也不相同，但計(jì)算時(shí)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(tái)上利用Crossbow公司的硬件對(duì)無線傳感網(wǎng)RSSI定位算法進(jìn)行了驗(yàn)證。通過節(jié)點(diǎn)間的收發(fā)數(shù)據(jù)，得到RSSI值，從而計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，最后利用三邊定位算法計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)值。在大型網(wǎng)絡(luò)中，此方法仍然實(shí)用，此時(shí)盲節(jié)點(diǎn)會(huì)接收到多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，計(jì)算出多個(gè)距離值，只需提取3個(gè)最小的距離即可計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。