基于TinyOS平臺的RSSI定位系統設計與實(shí)現

摘要 RSSI定位算法是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)定位中一種常用的定位算法，文中以Crossbow公司提供的iris節點(diǎn)及MIB520接口板為硬件平臺，以TrinyOS操作系統支持的NesC語(yǔ)言為軟件操作平臺，設計了RSSI定位系統。分別在室內和室外兩種環(huán)境下對其進(jìn)行實(shí)驗驗證，證明了系統的有效性。
關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )；TrinyOS操作系統；NesC語(yǔ)言；RSSI定位算法

WSN(Wireless Sensor Network)定位技術(shù)應用廣泛，除可以反應出事發(fā)地點(diǎn)外，還可跟蹤目標、實(shí)時(shí)監測目標的行動(dòng)狀態(tài)、預測目標的行動(dòng)軌跡等。目前的定位算法可分為兩類(lèi)：基于測距的定位算法和無(wú)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(guò)程中相對消耗的能量較多。無(wú)需測距的定位算法不需要實(shí)際測量距離或角度信息，對節點(diǎn)不存在特殊要求，定位過(guò)程中無(wú)需考慮能量消耗問(wèn)題，但定位精度及其節點(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(kāi)銷(xiāo)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軟件平臺下，利用Crossbow公司提供的硬件設施對RSSI定位系統進(jìn)行了實(shí)驗驗證，并結合實(shí)際情況對所得數據進(jìn)行了分析。

1 TinyOS操作系統及硬件平臺
1．1 TinyOS
TinyOS是UC Berkeley開(kāi)發(fā)的一種用于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的開(kāi)源操作系統，以其組件化的編程、事件驅動(dòng)的執行模式、微型的內核以及良好的移植性等特點(diǎn)作為目前WSN系統上的主流操作系統。TinyOS操作系統沒(méi)有進(jìn)程或線(xiàn)程管理，沒(méi)有虛擬內存管理，沒(méi)有過(guò)于復雜的IO子系統及地址空間分配，這對于存儲資源有限的系統尤為重要。
1．2 NesC語(yǔ)言
加州大學(xué)伯克利分校在C語(yǔ)言的基礎上開(kāi)發(fā)出一種適用于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )編程的NesC(C Language for Network Embedded Systems)語(yǔ)言，TinyOS操作系統和其上運行的應用程序用NesC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。NesC是在C語(yǔ)言上做了一定的擴展，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動(dòng)的模型結合在了一起。其主要用處是幫助應用程序設計者建立易于組合成完整、并發(fā)式系統的組件，并能夠在編譯時(shí)執行廣泛檢查。
1．3 iris硬件特性
iris節點(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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。它具有3倍的作用距離，雙倍的存儲空間；在戶(hù)外測試不加放大器的情況下，節點(diǎn)間視距離可達500 m；使用直接序列擴頻技術(shù)，抗RF干擾、數據隱蔽性較好；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
節點(diǎn)間發(fā)送的信號在傳播過(guò)程中都會(huì )有衰減，RSSI無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )定位算法的核心是根據節點(diǎn)間發(fā)送信號的衰減計算出節點(diǎn)之間的距離，然后依據節點(diǎn)之間的距離計算出盲節點(diǎn)的位置坐標。無(wú)線(xiàn)信號的發(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(wú)線(xiàn)信號的接收功率，PT是無(wú)線(xiàn)信號的發(fā)射功率，d為收發(fā)節點(diǎn)之間的距離；n為傳播因子，其值大小取決于無(wú)線(xiàn)信號傳播的環(huán)境

式中10lgPR是接收信號功率轉換為dBm的表達式，即RSSI值，其中A為信號傳輸1 m時(shí)，接收信號的功率值。所以可得到盲節點(diǎn)與信標節點(diǎn)之間的距離為

2．2 三邊測量法定位
三邊測量法是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位算法中較為最典型的一種。在盲節點(diǎn)通過(guò)基于RSSI的測距方法獲取到3個(gè)或以上信標節點(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)信標節點(diǎn)A、B、C的坐標(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)。假設盲節點(diǎn)的坐標為(x，y)，根據盲節點(diǎn)接收到的RSSI值，得盲節點(diǎn)到A，B，C的距離分別為d1、d2、d3。

則根據三邊測量法原理，有式(4)成立

由式(4)可以求得盲節點(diǎn)的坐標如式(5)所示


3 RSSI定位算法在操作平臺上的實(shí)現
在此環(huán)節中，主要用NesC語(yǔ)言在TinyOS環(huán)境下將RSSI定位算法具體實(shí)現，編譯成功后將NesC程序分別燒寫(xiě)到對應的硬件節點(diǎn)中進(jìn)行實(shí)驗。其實(shí)驗結構如圖2所示，信標節點(diǎn)發(fā)送包含自身坐標的數據包到盲節點(diǎn)及基站節點(diǎn)。盲節點(diǎn)接收信標節點(diǎn)發(fā)送的數據包解析出每一個(gè)的RSSI值，結合信標節點(diǎn)的位置坐標計算出自身坐標值，并將結果發(fā)送至基站節點(diǎn)?；竟濣c(diǎn)接收一切數據包，并將其發(fā)送到XServe中轉站。
PC機上的XServe作為節點(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 )間數據傳送；操作者可以通過(guò)終端接口或XMLRPC命令接口與其進(jìn)行通信；它可以解析、轉換和處理節點(diǎn)傳送的數據；在解析過(guò)程中，將原始格式的數據轉換到相應的傳感器讀數測量單位；最后將轉換后的數據顯示于XSniffer界面中。PC機上的XSniffer可以顯示出XServe傳送的所有數據；能夠讓操作者監測到網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)是否都在正常通信、數據包的序列號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。