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。
評(píng)論