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)測目標(biāo)的行動(dòng)狀態(tài)、預(yù)測目標(biāo)的行動(dòng)軌跡等。目前的定位算法可分為兩類：基于測距的定位算法和無需測距的定位算法。由于基于測距的定位是采用實(shí)際測得節(jié)點(diǎn)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(shí)際測量距離或角度信息，對節(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。在基于測距的定位算法中，RSSI(ReceivedSignal 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(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 三邊測量法定位
三邊測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。