【文章內容簡介】 網(wǎng)絡中，節(jié)點通常是靜止的。為了在靜態(tài)的環(huán)境中實現(xiàn)三角形內點測試，提出了近似的三角形內點測試法：假如在節(jié)點M的所有鄰居節(jié)點中，相對于節(jié)點M沒有同時遠離或靠近三個信標節(jié)點，，那么節(jié)點M在內；否則，節(jié)點在外。近似的三角形內點測試利用網(wǎng)絡中相對較高的節(jié)點密度來模擬節(jié)點移動，利用無線信號的傳播特性來判斷是否遠離或靠近信標節(jié)點，通常在給定方向上，一個節(jié)點距離另一個節(jié)點越遠，接收到信號的強度越弱。鄰居節(jié)點通過交換各自接收到信號的強度，判斷距離某一信標節(jié)點的遠近，從而模仿PIT中的節(jié)點移動。APIT定位具體步驟(1) 收集信息：未知節(jié)點收集鄰近信標節(jié)點的信息，如位置、標識號、接收到的信號強度等，鄰居節(jié)點之間交換各自接收到的信標節(jié)點的信息；(2) APIT測試：測試未知節(jié)點是否在不同的信標節(jié)點組合成的三角形內部；(3) 計算重疊區(qū)域：統(tǒng)計包含未知節(jié)點的三角形，計算所有三角形的重疊區(qū)域；(4) 計算未知節(jié)點位置：計算重疊區(qū)域的質心位置，作為未知節(jié)點的位置。在無線信號傳播模式不規(guī)則和傳感器節(jié)點隨機部署的情況下，APIT算法的定位精度高，性能穩(wěn)定，但APIT測試對網(wǎng)絡的連通性提出了較高的要求。相對于計算簡單的類似的質心定位算法，APIT算法精度高，對信標節(jié)點的分布要求低。 距離無關的定位算法目前的算法大都在能耗、成本和精度上作了折中考慮。由于各種應用差別很大，沒有普遍適合于各種應用的定位算法，因此要針對不同的應用，通過綜合考慮節(jié)點的規(guī)模、成本及系統(tǒng)對定位精度的要求，來選擇最適合的定位算法?；诰嚯x的定位機制由于實際測量節(jié)點間的距離或角度，通常定位精度相對較高，但對節(jié)點的硬件也提出了很高的要求，定位過程中消耗的能量相對多。使用聲波、超聲波、無線電波等進行距離或角度的測量，使得基于距離的定位算法易受溫度、濕度、障礙物等環(huán)境因素的影響。基于TOA的定位精度高，但要求節(jié)點間保持精確的時間同步，因此對傳感器節(jié)點的硬件和功耗提出了較高的要求。TDOA技術對硬件的要求高，成本和能耗使得該種技術對低能耗的傳感器網(wǎng)絡提出了挑戰(zhàn)。但是TDOA技術測距誤差小，有較高的精度。AOA定位不僅能確定節(jié)點的坐標，還能提供節(jié)點的方位信息。但AOA測距技術易受外界環(huán)境影響，且AOA需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡。距離無關的定位機制無需實際測量節(jié)點間的絕對距離或方位就能夠計算未知節(jié)點的位置，目前提出的定位機制主要有質心算法、APIT算法等。由于無需測量節(jié)點間的絕對距離或方位，因而降低了對節(jié)點硬件的要求，使得節(jié)點成本更適合于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡。距離無關的定位機制定位性能受環(huán)境因素的影響小，雖然定位的誤差相應有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡應用的要求，是目前大家普遍重點關注的定位機制。用質心作為實際位置本身就是一種估計，這種估計的精確度與信標節(jié)點的密度以及分布有很大關系，密度越大，分布越均勻，定位精度越高。距離向量算法使用平均每跳距離計算實際距離，對節(jié)點的硬件要求低，實現(xiàn)簡單。其缺點是利用跳段距離代替直線距離，存在一定的誤差。在無線信號傳播模式不規(guī)則和傳感器節(jié)點隨機部署的情況下，APIT算法的定位精度高，性能穩(wěn)定，但APIT對網(wǎng)絡的連通性提出了較高的要求。相對于計算簡單的類似的質心定位算法，APIT算法精度高，對信標節(jié)點的分布要求低。 3 算法實現(xiàn)與仿真 仿真的硬件平臺用于仿真的硬件平臺是基于ATmega128L處理器和CC1000通訊芯片的Mica2節(jié)點。Mica2 節(jié)點是第三代 mote 模塊，用 于 低 功 耗 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 。MICA2 是在原有 MICA 系列基礎上進行開發(fā)的，以下幾個特性：● 868/916MHz ，433MHz 或315MHz 多通道發(fā)射器，范圍可擴展● TinyOS（TOS）分布式軟件操作系統(tǒng) ，改進了網(wǎng)絡協(xié)議棧和調試環(huán)境● 支持無線遠程重編程● 種類繁多的傳感器板和數(shù)據(jù)采集附加板● 兼容 MICA2DOT（MPR500）四分之一大小 Mote● 與每個節(jié)點進行無線通信，還具有路由功能● 可擴展連接傳感器板，如光、溫度、RH、氣壓、加速度/振動和磁環(huán)境等 TinyOS集成開發(fā)環(huán)境與nesC編程語言 nesC編程語言TinyOS是一種面向傳感器網(wǎng)絡的新型操作系統(tǒng)，它最初是用匯編和C語言編寫的。但科研人員的進一步的研究發(fā)現(xiàn)，C語言不能有效、方便地支持面向傳感器網(wǎng)絡的應用和操作系統(tǒng)的開發(fā)。為此，他們經(jīng)過仔細研究和設計，對C語言進行了一定擴展，提出了支持組件化編程的nesC語言[7]，把組件化／模塊化思想和基于事件驅動的執(zhí)行模型結合起來。TinyOS和基于TinyOS的應用基本上用nesC編寫，與以前相比，提高了應用開發(fā)的方便性和應用執(zhí)行的可靠性。了解nesC語言的規(guī)范和組成，有助于了解TinyOS的內部實現(xiàn)機制和應用程序的編寫方式，從而可加快傳感器網(wǎng)絡的應用開發(fā)。nesC語言是由C語言擴展而來的，意在把組件化/模塊化思想和TinyOS基于事件驅動的執(zhí)行模型結合起來。我們可以把TinyOS和在其上運行的應用程序看成是一個大的“執(zhí)行程序”，它是由許多功能獨立且相互有聯(lián)系的軟件組件(ponent)構成的，如圖13所示。一個組件（假定組件名為ComA）一般會提供一些接口(interfaces)。接口可以看作是這個軟件組件實現(xiàn)的一組函數(shù)的聲明。接口既可以是命令和事件，也可以是單獨定義的一組命令事件。圖13 基于nesC語言的一般應用程序框架其他組件通過引用相同接口聲明，就可以使用這個組件(ComA)的函數(shù)，從而實現(xiàn)組件間的功能相互調用。這里需要注意是，組件的接口是實現(xiàn)組件間聯(lián)系的通道，如果組件實現(xiàn)的函數(shù)沒有在它的接口中說明，就不能被其他組件使用，這實際上也是組件化編程的一個重要特征。在nesC語言的定義中，存在兩種不同功能的組件：不同組件接口之間的關系是專門通過稱為配件(configuration)的組件文件來描述的；而組件提供的接口中的函數(shù)功能專門在稱為模塊(Module)的組件文件中描述其實現(xiàn)過程。理解接口、組件、模塊、配件的含義和相互之間的關系是掌握nesC語言的關鍵。 TinyOS系統(tǒng)TinyOS(Tiny Micro threading Operating System)是美國加州大學伯克利分研發(fā)的面向無線嵌入式傳感網(wǎng)絡的新型操作系統(tǒng)[8]，其目標是用最少的硬件持無線傳感器網(wǎng)絡的并發(fā)密集型操作。TinyOS最初使用匯編語言和C語言編的。但科研人員的進一步研究發(fā)現(xiàn)，C語言不能有效、方便地支持面向無線傳器網(wǎng)絡的應用和操作系統(tǒng)開發(fā)。為此，提出了支持組件化編程的nesC語言。nesC語言可以把組件化和模塊化思想和基于事件驅動的執(zhí)行模型結合起來。TinyOS包含了經(jīng)過特殊設計的組件模型，其目標是高效率的模塊化和易于構造組建應用軟件。Tiny0S的核心程序非常小(僅400Bytes左右)，非常適合傳感器節(jié)點存儲資源有限的限制，能夠讓操作系統(tǒng)有效地運行在無線傳感器網(wǎng)絡上并執(zhí)行相應的管理工作[9]。圖14 Tinyos體系結構圖TinyOS體系結構如圖14所示。完整的TinyOS由一個調度器和一系列組構成，應用程序與組件一起編譯成系統(tǒng)。調度器具有兩層結構，第一層維護著令和事件，它主要是在硬件中斷發(fā)生時對組件的狀態(tài)進行處理。第二層維護著務，只有當組件狀態(tài)維護工作完成后，任務才能被調度[10]。組件由上到下從Main組件到Application組件直到底層的硬件抽象組件。底層組件負責接收和發(fā)送原始的數(shù)據(jù)，上層組件負責數(shù)據(jù)的壓縮、路由和傳輸。TinyOS操作系統(tǒng)主要包括4種技術:微線程、主動消息(AM)、事件驅動和組件化編程[11]。微線程主要是針對節(jié)點并發(fā)操作比較頻繁，線程比較短，而傳統(tǒng)的進程/線程調度又無法滿足的前提下提出的(使用傳統(tǒng)調度算法在無效的進程切換過程中將會產(chǎn)生大量的能量消耗)。主動消息是并行計算機中的概念。在發(fā)送消息的同時還傳送這個消息的相應處理函數(shù)ID和處理數(shù)據(jù)，接收方得到消息后可立即進行處理，從而減少通信量。整個系統(tǒng)的運行是基于事件驅動的，沒有事件發(fā)生時，微處理器進入睡眠狀態(tài)，從而可以達到節(jié)能的目的。組件就是對軟硬件進行的功能抽象。整個系統(tǒng)是由組件構成的，通過組件提高軟件重用度和兼容性，程序員只關心組件的功能和自己的業(yè)務邏輯，而不必關心組件的具體實現(xiàn)，從而提高編程效率。TinyOS中一個非常重要的特征是使用組件，整個應用程序是不同的組件集合，一個組件有四個相關的部分：命令處理集合、事件處理程序集合、固定大小的幀(如me)、大量任務集。組件中實現(xiàn)了相應接口的操作，包括命令處理和事件通知；高層組件向低層組件發(fā)出命令，低層組件執(zhí)行命令定義的操作，操作完成之后向高層組件發(fā)送事件信號通知高層組件并且返回相關的數(shù)據(jù)信息，高層組件處理低層組件發(fā)出的事件。TinyOs的這種特征，大大增強了應用程序的模塊化，使得開發(fā)人員很容易將不同的組件結合在一起形成完整的應用程序。 基于RSSI信號傳播的理論模型的DVHOP定位算法由于時間和能力有限，畢業(yè)設計只實現(xiàn)了基于RSSI測距的DVHOP定位算法，現(xiàn)對程序設計和代碼做一些說明。定位算法實現(xiàn)流程圖如下所示圖 15：圖15 定位算法流程圖此定位算法主要由錨節(jié)點和未知節(jié)點(非錨節(jié)點)兩大模塊組成。它是在TinyOS環(huán)境中，利用nesC語言實現(xiàn)的。錨節(jié)點主要負責產(chǎn)生合理的平均每跳距離值(Correction)，并將自己的坐標位置信息發(fā)送到未知節(jié)點，所有的未知節(jié)點都是依靠錨節(jié)點來定位的。未知節(jié)點根據(jù)接收到的合理跳數(shù)值和平均每跳距離值，通過使用的定位算法，計算自己的估計位置。下面，將分別對這兩大模塊的詳細功能進行介紹。錨節(jié)點錨節(jié)點的所有數(shù)據(jù)是由GenericCommPromiscuous(通用通信接口組件)接口SendMsg的Send命令來實現(xiàn)發(fā)送的，為了產(chǎn)生DVHOP算法所需要的跳數(shù)信息，必須使用GenericComm來發(fā)送CoordMsg數(shù)據(jù)包；同時，為了將LandmarklnforMsg、CoordMs