基于IEEE 802.15.4 协议标准的星型定位网络.doc

1.1. 基于IEEE 802.15.4 协议标准的星型定位网络(1) 实验目的本实验是在基于Gainz教学开发平台的定位系统上操作完成的。在此过程中，我们进一步地在实践中证明了定位实验在Gainz平台上的可行性（从理论上讲是可以的）。而我们实验的目的，简要而言就是在一个基于IEEE 802.15.4协议标准的星型网络中，通过Coordinator取得RSSI（接收信号强度指示器）的值，结合参考节点的位置坐标来大致判断出待测End_device的位置。(2) 实验设备硬件： PC机一台GAINZ教学开发平台一套软件： WINAVR 20050214AVRStudio V4.07串口调试助手(3) 实验内容由于读者已在前面系统学习过IEEE802.15.4协议规范的内容，并做了大量实验进行验证，这里就不再对这方面内容进行叙述了，我们这里的定位实验是在前面实验的基础上，通过串口调试助手打印出Coordinator的RSSI的值，并结合参考End_device和Coordinator的位置坐标来判断出待End_device的大致位置（这里的实验是根据二维的情况设置的）。代码以库文件形式给出，同前面的实验一样，其中的Main.c文件需要读者自己编写。(4) 实验原理本定位网络是基于802.15.4协议规范搭建的，网络环境由一个Coordinator，若干参考End_device以及一个待测End_devica组成。在实验开始前，我们会先测量出各节点的电池电压看看是否相同，这里建议各节点都采用新电池供电，避免由于电池电压的不同给实验结果带来偏差。然后将除待测节点外的所有节点的位置坐标进行详细记录，这样，我们就做好实验开始之前的准备工作了。本实验的原理，就是通过串口调试助手打印出Coordinator收到End_device的帧时其RSSI（接收信号强度指示）的值，通过比较收到的来自各参考End_device的RSSI值与待测End_device的RSSI值，以及在实验前记录好的节点位置坐标，大致判断出待测End_device的位置。(5) 实验预习要求读者应做过前面的“基于IEEE 802.15.4 协议标准的星型网络”实验，了解其组网和通信的详细过程。本实验是完全基于IEEE 802.15.4 协议标准的星型网络做的定位系统，所以这一块的通信过程读者务必熟悉。(6) 实验步骤(1) 启动WINAVR，使用programmer Notepad 新建两个工程分别为Coordinator、End_device。(2) 将光盘中与此实验中相应的设备源代码和库文件包含进相应的工程。(3) 工程中的Main.c文件需要读者自己参考后面的附件Main.c文件编程描述写出这块代码。(4) 使用Mfile 生成Makefile文件，分别保存在相应的工程文件夹中。(5) 编译连接工程，生成可执行文件。(6) 使用编程器将得到的.hex文件下载到相应的GAINZ实验板flash中。(7) 将Coordinator节点通过串口与PC相连，启动串口调试助手，打开Coordinator，注意其LED灯的反应（这在前面的实验中已有过说明），当Coordinator开始广播信标帧时，依次打开参考End_device与待测End_device（这里我们使用4个参考End_device）。以第一个加入网络的End_device为例，在其加入的过程中串口调试助手会打印出如下信息：ffe3ffe7ffe7ffe4This RSSI is from End_device node 0x1201. 这里的ffe3、ffe7、ffe7、ffe4的低8位便是RSSI的值，为什么是4个呢？那是因为在End_device加入网络时，Coordinator一共要收到4个帧，按顺序分别为association_request、data_request、ack以及数据帧，由于我们是在接收中断处打印的RSSI值，所以每收到一个帧都会打印出一个RSSI的值，为了实验的准确性，一般是等到网络稳定时，即所有End_device都已加入到Coordinator所发起的网络中，再开始记下来Coordinator收到来自各End_device的数据帧时的RSSI值。即一般有如下类似信息出现时，才可作为实际测量值记录下来。ffe2This RSSI is from End_device node 0x1201.ffebThis RSSI is from End_device node 0x1202.ffeaThis RSSI is from End_device node 0x1203. 这里的信息表示Coordinator一次收到了来自于End_device0x1201、0x1202以及0x1203的数据帧时其RSSI值，取低八位即e2、eb和ea。因为这里是从16位寄存器RSSI中取值，但RSSI的值放在低8位，高8位存放的是关于CCA的属性值。 通过最后得到的RSSI值，可通过以下计算方法得出收到信号强度的近似值：先将取到的RSSI值，再将其取补码，用十进制数表示，最后加上偏移量45dBm，即可得出。将得出的4个来自于参考End_device与一个来自于待测End_device的信号强度近似值进行比较，结合各参考End_devicd的位置坐标，即可大致判断出待测End_device的位置坐标了。 注意在第（3）步中，代码工程里需要使用库，相应的makefile文件需要做相关修改，下面以Coordinator节点的makefile作说明。在连接参数设置（# Linker flags.）一项中将库加入，具体代码如下：“LDFLAGS += -LF:TESTMutliHopcoordinator lCoordinator”，在这里是假设库存放在“F:TEST802.15.4 coordinator”目录下，库名字为“libCoordinator.a”（多跳实验中Coordinator节点的库文件），需要注意的是-L后紧接着（中间没有空格）的是库所在目录，l（小写的L）后面紧跟着库名，并且前缀lib和后缀.a不需要。实验所有的库都应按此规则加入makefile中。 在前一个节点加入网络之后再打开下一个节点，如果一开始加不进去也不用着急，反复将节点关闭、打开几次即可。(7) 实验举例在这里我们给出一个实验例证，如上所阐述，我们将使用一个Coordinator、4个参考End_device以及一个待测End_device来完成这个实验。在实验开始之前，应尽量使用新电池，由于电池的电量减少会直接导致信号能量降低，从而可能使实验结果存在较大误差，一旦各节点电池供电情况相同，那么影响信号能量的就只能是距离了。当然，环境的变迁、人的走动都会对定位准确性有所影响，在实验中，我们尽量避免外界的干扰。有读者会问：这不就失去现实意义了么？我们前面已经提到了一些提高定位精确度的方法，而这些方法都是有助于抵消外界的一些干扰因素的。但由于一些客观条件限制以及想尽量高的保证准确性，我们选择在一个长期比较稳定的“理想”环境中做这个实验。在实验中，按如下坐标位置安放各节点：（2，1）1（3，3）4#（5，2）？2（3，5）3#（6，4）如上图所示：白点表示Coordinator，黑点表示参考End_device（带有序号），红点表示待测End_device。坐标已在图中大致说明，单位为米。这里需要说明一点，Coordinator与所有End_device的信号发射功率都设为1f（max）。下面开始实验。依次打开Coordinator、各参考End_device（按1、2的顺序），最后打开待测End_device，保证所有节点都已加入网络。待网络稳定之后，开始记录串口调试助手上打印出来的Coordinator接收到来自各End_device数据帧的RSSI值。有如下记录（0x1201、0x1202、0x1203、0x1204、0x1205分别为1、2、3、4参考End_device以及待测End_device的短地址，所作的记录是经过计算的一段时间之内的平均值）：ffddThis RSSI is from End_device node 0x1201.ffd6This RSSI is from End_device node 0x1202.ffd3This RSSI is from End_device node 0x1203.ffd9This RSSI is from End_device node 0x1204.ffdaThis RSSI is from End_device node 0x1205. 针对以上的记录，可以通过实验步骤中已经提到的方法算出信号能量的近似值，按从上到下的顺序，依次为：80dBm、87dBm、90dBm、84dBm和83dBm，基本符合实际情况。当然，本身所采集的RSSI值也是有限的，所以算出来的这个近似值的精确度也有待提高。接下来我们将采用下面的计算方法得出的位置坐标。 首先，以一般情况为例，我们设有一个Coordinator、n个参考End_device以及一个待测End_device，令S（S1，S2，Sn），表示Coordinator收到的来自各个参考End_device的信号强度，再令P为Coordinator收到的来自待测End_device的信号强度，我们定义Coordinator收到的来自于每个参考End_device与待测End_device的能量差值Ei为：，（i1，2，n） （1） 再给出坐标计算公式，令待测End_device的位置坐标为（x，y），每个参考End_device的位置坐标为（xi，yi），其中i1，2，n。则有： ， （2） 公示中的wi是权重，一般以下面的形式给出： ， （3）根据以上的公式，结合前面的实验数据，便可以得出一个测算出来的待测End_device的位置坐标。由此可见，这里是根据能量差值的大小来判断各参考End_device对待测End_device位置的影响力大小的，即距离待测End_device越近，自身的位置坐标对最后结果的影响力就越大，反之就越小。将前面实验中所获得的数据代入到公式中，可得E13dBm、E24dBm、E37dBm、E41dBm，分别根据（3）式得出各自的权重，最后根据（2）式得出最终的待测End_device近似坐标。这里直接给出这次实验的计算结果(4.7,2.3)，与待测End_device实际位置（4,3）差距不大。 这种方法便是在RFID定位技术中所采用的“权重法”。这里要说明的是，我们只是采用RFID这一套计算方法，而二者的原理还是有些区别，首先我们采用的是基于IEEE 802.15.4协议标准的星型网络，网络中只有一个相当于RFID技术核心读卡器 的Coordinator，后者在RFID定位系统中可以有多个，从而通过不同读卡器上得到的RSSI值进行计算，得以提高精度。另一方面，RFID定位系统中可以放置大量的标签作为参考点，从而在选择代入计算的参考标签时有很大的余地。综上所述，想要提高精度，完全套用RFID的东西是不可行的，只能在尽量精确地计算信号强度值的同时，看能否从其他技术中获得新的解决途径，这也是我们今后一段时间的探索方向。(8) 实验参考程序与前面实验相同的程序这里不再给出，主要是给读者看一下打印收到信号RSSI值的部分代码。程序清单 Error! No text of specified style in document.1基于IEEE 802.15.4 协议标准的星型定位网络 Coordinator部分参考程序 /* 名 称：cc2420_fifopintr()* 功 能：FIFOP中断处理中转* 入口参数：无* 出口参数：SUCCESS */inline uint8_t cc2420_fifopintr(void) if (!OS_READ_CC_FIFO_PIN() /printf(收到一个包,但芯片缓存 溢出n); cc2420_readreg(0x3F); rfpackernum=0; cc2420_sendcmd(0x08); cc2420_sendcmd(0x08); return SUCCESS; rfpackernum+; receive_timestamp=get_timestamp32(); /printf(=succeed received a physical packet=n); if (cc2420_rxbufuse1) /printf(nno available ram buffern); return SUCCESS; else cc2420_rxbufuse+;cc2420_readrxfifo(); return SUCCESS; /* 名 称：cc2420_RSSI_info ()* 功 能：取得收到的信号RSSI值* 入口参数：无* 出口参数：无 */void cc2420_RSSI_info(void) RSSI_STATE temp;temp.rssivalue=0;temp.rssivalue=(int8_t) (cc2420_readreg(cc2420_RSSI)&0x00ff