基于TinyOS的CC2430 RSSI定位的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為解決現(xiàn)Z-Stack定位程序代碼量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，提出一種基于TInyOS的CC2430定位方案。在分析TinyOS組件架構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)盲節(jié)點、錨節(jié)點與匯聚節(jié)點間的無線通信以及匯聚節(jié)點與PC機(jī)的串口通信。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)PC對各錨節(jié)點RSSI(Received Signal Strength Indicator)寄存器值的正確讀取，確定實驗室環(huán)境下對教-常態(tài)無線傳播模型的具體參數(shù)，并采用質(zhì)心算法來提高定位精度。實驗顯示，在由四個錨節(jié)點組成的4.8x3.6m2矩形定位區(qū)域中，通過RSSI質(zhì)心定位算法求得的盲節(jié)點坐標(biāo)為(2.483 1,1.018 5)，實際坐標(biāo)為(2.40,1.20)，誤差為0.199 6 m,表明較好地實現(xiàn)對盲節(jié)點的定位。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在給定區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點以無線自組織多跳的通信方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前在環(huán)境監(jiān)測保護(hù)、樓宇監(jiān)控、家庭安防、醫(yī)療護(hù)理、目標(biāo)跟蹤、軍事等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 CC2430芯片介紹

CC2430芯片是TI/Chipcon公司生產(chǎn)的真正意義上的片上系統(tǒng)(SOC)級解決方案，它集增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051核心、優(yōu)秀的射頻芯片CC24 20、強(qiáng)大的外圍資源于一體。集成的外設(shè)資源主要有DMA、定時/計數(shù)器、看門狗定時器、AES-128協(xié)處理器、8通道8~14位ADC、USART、休眠模式定時器、復(fù)位電路及21個可編程I/O,支持IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議。

CC2430芯片具有性能高、功耗低、接收靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、硬件CSMA/CA支持、數(shù)字化RSSI/LQI支持、DMA支持等特點，支持無線數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbps.

2 TinyOS系統(tǒng)與nesC語言

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性，需要操作系統(tǒng)能夠高效地使用傳感器節(jié)點的有限內(nèi)存、低功耗處理器、多樣傳感器、有限的電源，并且能對各種特定應(yīng)用提供最大的支持。

基于此，UC Berkeley研究人員專為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)出TinyOS系統(tǒng)，目前已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域事實上的標(biāo)準(zhǔn)平臺。 TinyOS系統(tǒng)具有組件化編程、事件驅(qū)動模式、輕量級線程技術(shù)、主動消息通信技術(shù)等特點。TinyOS采用組件架構(gòu)方式，快速實現(xiàn)各種應(yīng)用，組件包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感器驅(qū)動以及數(shù)據(jù)獲取工具等，一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)通過組合不同的組件來實現(xiàn)。采用事件驅(qū)動的運(yùn)行模型，可以處理高并發(fā)性的事件，并實現(xiàn)節(jié)能。

TinyOS應(yīng)用程序通常由頂層配件、核心處理模塊和其它組件構(gòu)成。每個應(yīng)用程序有且僅有一個頂層配件，組件間通過接口進(jìn)行連接通信，下層組件提供接口，通過provideinterface interfaceName來聲明，上層組件使用接口，通過useinterface interfaceName來聲明。接口提供兩類函數(shù)，分別是命令(command)函數(shù)與事件(event)函數(shù)，上層組件向下層組件發(fā)出命令，啟動下層組件的功能：下層組件完成相應(yīng)的功能后向上層組件報告事件。應(yīng)用程序總體框架如圖1所示。

 

 

TinyOS系統(tǒng)本身以及應(yīng)用程序都是采用nesC語言編寫，nesC語言是對C語言的擴(kuò)展，具有類似于C語言的語法，但支持TinyOS的并發(fā)模型，同時具有組件化機(jī)制，能夠與其他組件連接在一起從而形成一個魯棒性很好的嵌入式系統(tǒng)。nesC語言把組件化/模塊化的編程思想和基于事件驅(qū)動的執(zhí)行模型緊密結(jié)合起來。應(yīng)用nesC語言能夠更快速方便地編寫基于TinyOS的應(yīng)用程序。

3 RSSI定位原理

RSSI全稱Received Signal Strength Indicator(接收信號強(qiáng)度指示)，是一種基于距離的定位算法。RSSI原理是已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點根據(jù)接收信號的強(qiáng)度，計算出信號在傳播過程中的損耗，利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再根據(jù)接收節(jié)點的已知位置利用三邊測量法計算出發(fā)射節(jié)點的位置。由于該方法不需要額外的硬件設(shè)備，是一種低功耗廉價的測距技術(shù)，因此在很多項目中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文在RSSI定位基礎(chǔ)上使用質(zhì)心算法提高定位精度，如圖2所示，最后求得的盲節(jié)點坐標(biāo)為點D、E和F組成的三角形的質(zhì)心。

 

 

4 定位算法在TinyOS中的實現(xiàn)

根據(jù)RSSI測距原理，要確定盲節(jié)點的位置，至少需要三個錨節(jié)點(已知位置的接收節(jié)點)，并需要一個匯聚節(jié)點來傳輸各錨節(jié)點的RSSI寄存器值到PC機(jī)，最終通過串口調(diào)試助手來顯示結(jié)果并進(jìn)一步定位盲節(jié)點坐標(biāo)。下面分別介紹移動盲節(jié)點、靜態(tài)錨節(jié)點以及匯聚節(jié)點的實現(xiàn)流程。

4.1 盲節(jié)點

盲節(jié)點的主要任務(wù)是向所有錨節(jié)點廣播信息，具體的流程如圖3所示。

 

 

Tiny OS程序頂層配件主體如下：

 

4.2 靜態(tài)錨節(jié)點

錨節(jié)點主要功能是接收盲節(jié)點的廣播信息，然后提取RSSI寄存器中的值，通過路由層發(fā)送接口轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點，或轉(zhuǎn)發(fā)其它錨節(jié)點的數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點。主要實現(xiàn)流程如圖4所示。

 

 

錨節(jié)點的組件連接如下：

 

 

靜態(tài)錨節(jié)點通過CC2420Packet接口來獲取RSSI值，具體函數(shù)如下：

rssi=((int)call CC2420Paeket.getRssi(msg));

4.3 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點，也稱為基站，主要負(fù)責(zé)接收各錨節(jié)點發(fā)送的接收表信息，包括錨節(jié)點ID、DSN和RSSI,并將這些數(shù)據(jù)包通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到PC機(jī)。具體流程如圖5所示。

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匯聚節(jié)點組件連接如下：

 

 

 

4.4 程序移植與實驗結(jié)果

本實驗在Cygwin平臺下進(jìn)行編譯與移植，編譯過程如圖6所示。

 

 

圖6 TinyOS編譯流程圖

進(jìn)入Cygwin環(huán)境，切換到TinyOS定位程序目錄下，輸入編譯移植命令：

make cc2430em install NID=0x GRP=00

其中NID是節(jié)點號，是節(jié)點的身份標(biāo)識，同一網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點號必須惟一;GRP是網(wǎng)絡(luò)號，同一網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)號必須一致。

在所有節(jié)點的TinyOS移植完畢后，啟動所有節(jié)點，應(yīng)用串口調(diào)試助手顯示匯聚節(jié)點發(fā)送到PC機(jī)的RSSI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中1~7個字節(jié)數(shù)據(jù)為信息包的包頭，8~9兩字節(jié)為中繼錨節(jié)點的節(jié)點號，10~11兩字節(jié)為源錨節(jié)點的節(jié)點號，12~13字節(jié)為源錨節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，14~15字節(jié)為盲節(jié)點的節(jié)點號，21~22兩字節(jié)數(shù)據(jù)為錨節(jié)點的RSSI值。

 

 

圖7 錨節(jié)點RSSI值

在確定PC機(jī)能夠正確接收各錨節(jié)點的RSSI值后，還需要選取合適的RSSI測距信號衰減模型，將RSSI值轉(zhuǎn)化為距離。本實驗中采用在無線信號傳輸中應(yīng)用廣泛的對數(shù)--常態(tài)模型，如式(1)所示：

RSSI=-(10n·lg(d)+A)+45 (1)

其中A為盲節(jié)點與錨節(jié)點相距1米時RSSI的絕對值，本實驗中測得A≈40,n為無線信號傳播指數(shù)，一般取2~4,經(jīng)過多次試驗取3.0較為合適。將本模型應(yīng)用在所測得的RSSI中，并對比實際距離得到如表1和圖8所示結(jié)果：表1中d為RSSI理論模型所得距離，D為實際測量結(jié)果。

表1 RSSI值與距離的轉(zhuǎn)換

 

 

 

 

圖8 RSSI測距模型驗證

在實驗室環(huán)境下布置了4個錨節(jié)點、1個匯聚節(jié)點和1個盲節(jié)點，4個錨節(jié)點分布在4.8x3.6 m2矩形的4個點，盲節(jié)點位于矩形區(qū)域內(nèi)，匯聚節(jié)點在矩形區(qū)域外。

讀取如圖7所示的各錨節(jié)點RSSI值，在Matlab環(huán)境下通過對數(shù)--常態(tài)傳播模型將RSSI值轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯x，最后通過質(zhì)心算法對盲節(jié)點進(jìn)行定位，計算出盲節(jié)點的坐標(biāo)。在實驗中采用10次測量取平均值來減小定位誤差，并計算對比盲節(jié)點理論坐標(biāo)與實際坐標(biāo)的誤差，得到如圖9所示的定位結(jié)果。

 

 

圖9 RSSI定位結(jié)果

通過定位算法計算出的盲節(jié)點坐標(biāo)為(2.483 1,1.018 5)，實際盲節(jié)點坐標(biāo)為(2.4,1.2)，誤差為0.199 6 m,基本實現(xiàn)了對盲節(jié)點的定位。

5 結(jié)論

本文在TinyOS操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了基于CC2430模塊的RSSI定位，分析了盲節(jié)點、錨節(jié)點和匯聚節(jié)點的工作流程，確定了實驗室條件下無線傳輸模型Shadowing模型參數(shù)，最后利用Matlab計算出盲節(jié)點坐標(biāo)。定位結(jié)果顯示，通過定位算法所得的盲節(jié)點坐標(biāo)與實際坐標(biāo)誤差為0.199 6 m,可滿足大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點定位的要求。