无线传感器网络智能技术与应用 课件 第9章 WSN的应用

无线传感器网络智能技术与应用武汉理工大学清华大学出版社2025.8

无线传感器网络武汉理工大学人工智能与计算机学院

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第9章WSN的应用

第9章WSN的应用◆掌握路面参数监测传感器选择◆了解道路车流量监测的传感器◆掌握交通参数监测技术◆了解交通参数监测的实施方案◆掌握智能家居的基本描述◆了解智能家居系统整体架构◆掌握ZigBee节点硬件设计◆了解节点软件部分设计◆掌握ZigBee节点功能的实现◆掌握节点能量控制◆了解智能家居网关分析◆掌握智能家居网关通信技术◆了解智能家居网关总体设计◆掌握智能家居网关硬件设计◆了解智能家居网关操作系统及驱动移植◆掌握智能家居网应用软件设计◆了解智能家居系统演示平台搭建◆WSN的移动机器人的定位学习目标9.1基于WSN路况信息监测技术的实现9.1.1路面参数监测传感器选择

图9-1所示为Mica节点配备的可用于道路状况参数监测的微传感器板，电路板集成了温度传感器（可用于积冰和雪测量）、湿度传感器（可用于雨和雾测量）、光强度传感器（道路光线测量）和气体压强传感器。此外,微传感器板上的声传感器可用来估算风速，加速度传感器可用来估算车辆载质量。

所有的传感器及其信号处理电路,都集成在一块名片大小的电路板上。从节能角度考虑,单个传感器的测量电路是可关断的，考虑到道路状况参数变化的特点，可以每隔30min或15min测量一次道路状况参数，其余时间内传感器的测量电路完全关断。图9-19.1.1路面参数监测传感器选择1.温度传感器2.湿度传感器3.光强度传感器4.大气压力传感器5.加速度传感器6.路面参数传感器的设计方法如图9-６所示为AD７７４５的内部结构示意图图８-６

1.声响传感器

1）声响传感器简介

声响传感器是一种将声信号转换为电信号的换能器件。它的种类很多,按换能原理可分为电动式、电容式、电磁式、压电式、半导体式传声器。按接收声波的方向性可分为无方向性和有方向性两种，有方向性传声器包括心型指向性、强指向、双指向性等。

2）声响传感器车辆探测信号如图8-7(a)所示为Mica２、MicaDOT节点及其传感器板MTS310(图9-7(b)).9.1.2道路车流量监测的传感器图9-7

9.1.2道路车流量监测的传感器2.磁阻传感器

(1)磁阻传感器简介

磁传感器按照所感测的磁场范围不同可分为3类,即低磁场、中磁场和高磁场。

检测低于lmGs(lGs=10-4T)磁场的传感器定义为低磁场传感器,检测从1mGs到10Gs磁场的传感器定义为地球磁场传感器,检测高于10Gs磁场的传感器定义为附加磁场传感器。表9-7所列为各种磁传感器的检测磁场范围。（2）磁阻传感器信号漂移

车辆检测是利用AMR传感器检测磁场数据的变化来实现的,这里设在没有车辆经过检测区域时，磁场的数据是稳定的。

在实际情况下地球的磁场是变化的，所以，在进行车辆探测时,需要使用模拟信号处理,或者采用车辆探测算法去消除地球磁场缓慢小幅度的变化。

软件算法可以通过不断更新磁场数据的基准值，保证车辆判断阈值在正确的范围。

模拟信号电路可通过缓慢修正车辆探测比较信号处理中的阈值电压,来消除信号漂移。

(3)磁阻传感器的车辆探测信号分析

地球的磁场在很广阔的区域内是恒定的,可以看做是均匀磁场。

大的铁磁物体的磁扰动，例如,对于一辆汽车,可看做多个双极性磁铁组成的模型。这些双极性磁铁具有北一南的极化方向,引起地球磁场的扰动。2.磁阻传感器9.1.3交通参数监测技术

1.监测原理

车辆的每个部分都产生一个可重复的对地球磁场的扰动，这种特性具有的磁场扰动可作为这种车辆或这类车辆的特性。不管车辆向哪个方向行驶,这个特征都会被可靠地监测到。

2.车辆参数监测算法

(1)磁阻信号处理

(2)车辆监测算法

(3)车速和车长测量算法9.1.4交通参数监测的实施方案

1.单磁阻传感器的交通参数监测

为验证单磁阻传感器节点监测交通参数的性能，设置如图9-30所示实验。将单磁阻传感器节点安置在车道中间,节点在十字路口红绿灯后方,传感器节点以每秒128次速率采集磁阻信号,所有的车辆监测都是由传感器节点实时完成,试验者观察有332辆车辆从节点旁边经过,传感器节点实时监测到330辆，表明磁阻传感器节点的监测车辆成功率为99%,没有监测到的两辆车是摩托车,所有的非摩托车都实时监测到，传感器节点也监测到3辆摩托车。如果在车道上布置多个节点的话,所有的车辆包括摩托车也可以监测到。

图9-30

2.双磁阻传感器的交通参数监测

双磁阻传感器节点测量交通参数的方案如图9-35和图9-36所示。

前者使用了两个无线节点，每个节点中安置了一个磁阻传感器，而后者在单节点中安置两个磁阻传感器。

这两种方案都可以监测交通参数信息,但是两者的区别是在双节点方案中节点的间距普遍较远约为1.5m,而单节点方案中节点间距约为15cm,两者相差10倍。9.1.4交通参数监测的实施方案图9-35

图9-369.2基于WSN的智能家居系统设计与实现9.2.1智能家居的基本描述

网络化的智能家居系统可以为人们提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警，以及可编程定时控制等多种功能和手段，使人们的生活更加舒适、便利和安全。

1.智能家居定义

2.智能家居的主要功能

3.智能家居所采用的技术和布线方式

现有的智能家居所采用的技术和布线方式可分为以下四种。

①集中控制技术：

②现场总线技术：

③电力载波技术：

④RF无线射频技术9.2.2智能家居系统整体架构（1）

1.系统整体架构设计

图9-37为一般家庭内部结构图。

在家庭外部通过互联网将每家每户的智能网关连接到同一个服务器,电脑或手持移动设备通过互联网与智能家居服务器相连,进而可以获得获得用户所需的信息或者对智能家居设备实施控制。图9-379.2.2智能家居系统整体架构（2）2.智能家居系统主要功能模块（1）无线智能网关：（2）无线智能开关：（3）无线温湿度传感器：（4）无线智能电力计量插座：（5）无线人体红外探测器：（6）无线空气质量传感器：（7）无线火灾预防及监测模块：（8）无线门磁、窗磁：（9）无线窗帘控制器：（10）无线光强度传感器：整个智能家居系统架构如图9－38所示。图9－389.2.2智能家居系统整体架构（3）3.智能家居系统的网络结构智能家居系统可选择的网络拓扑结构有三种：星型、树状和网状。一个基于ZigBee技术的智能家居系统应包括以下六个部分，如图9-39所示。4.ZigBee网络设备类型根据ZigBee网络设备的功能是否完整，可以将ZigBee设备分为全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)，全功能设备包含了完善的功能，而简化功能设备则精简了一部分功能。图9-399.2.3节点硬件设计

1.节点芯片选型

现在的ZigBee核心芯片通常具有：MCU模块、发现发射接收模块、串口模块、AD转化模块等。

2.ZigBee控制节点核心电路设计

由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，而核心板主要为了独立RF系统，并合理的处理分布外设资源。根据TI公司官方提供的参考原理图，可以看出ZigBee核心电路的原理图非常的简单。

3.ZigBee节点天线设计

对于短距离无线通信设备(SRD，shortrangedevices)来说，天线的设计关系到通信距离的问题。9.2.4终端节点硬件设计(1)

智能家居系统在家庭内部使用ZigBee进行组网，组网硬件使用TI公司的

CC2530无线片上系统。

1.终端节点硬件电路详细设计

（1）温湿度传感器电路模块（2）光照传感器电路模块（3）人体红外传感器电路模块（4）可燃气体传感器电路模块（5）电动窗帘遥控器电路模块（7）报警器电路模块9.2.4终端节点硬件设计(2)2.基于Z-Stack的终端节点应用层设计实现ZigBee协议的体系结构如图9-50所示。图9-502.基于Z-Stack的终端节点应用层设计实现(1)操作系统的初始化流程如图9-51

所示。图9-512.基于Z-Stack的终端节点应用层设计实现(2)最终对该事件做出里，操作系统的执行流程如图9-52所示。图9-52(2)基于CC2530的Z-Stack应用设计(1)

应用层位于Z-Stack协议栈的最上层。在基于Z-Stack下，设计实现了基于ZigBee协议的智能家居系统的终端节点。终端节点在完成硬件初始化和协议栈初始化之后开始启动协议栈。启动协议栈后的首要任务是将终端节点与协调器绑定。绑定通过调用协议栈绑定API函数进行,接下由协议栈处理绑定过程,这一过程不需要用户参与。(2)基于CC2530的Z-Stack应用设计(2)无线接收处理函数执行流程如图9-54所示。图9-549.2.5节点软件部分设计

1.软件开发环境IAR

系统使用IAREmbeddedWorkbench用于Z-stack协议栈的开发，这是TI公司为ZigBee芯片CC2530提供了很好的软件开发平台。

只需要在IAR系统上就可以进行协议栈Z-Stack的开发。而且开发非常的简单，只需要开发者调用API接口函数即可以进行开发，而底层的程序已经由TI公司进行开发。

IAR8.1.0软件是针对C语言的调试和编译，可以兼容多种微处理器，目前可支持30多种微处理器，其中包括8位的、32位的微处理器。并且用户界面非常的直观的易用，如图9-55所示为IAR软件主要5个功能。图9-552.IAR工程文件的快速建立

①先打开IAR软件，在软件的工具栏中，选取Project选项，新建一个Project-CreateNewProject，选择默认选项可以了，点击OK。并且选择8051内核。

②打开上次已经安装好的IAR软件，新建一个

Project-CreateNewProject，选择默认选项可以了，点击OK,并保存在自己希望的路径。

③在文件栏选项里选择新建文件选项，这时空白的文件出现在操作栏。在此文件中输入#include<ioCC2530.h>这个头文件，并且点击保存，在对话框中输入名字并保存为.c格式文件。

④还需要在IAR里配置几个选项。打开Project---Options，GeneralOptions配置如图，单击圆圈所示按钮，先向上返回上一级目录，然后打开TexasInstruments文件夹，选择CC2530F256芯片。选择Linker—Config—Linkercommandfile选项。导出配置文件，先向上返回上一级目录，然后打开TexasInstruments文件夹，选择nk51ew_cc2530F256.xcl（这里是使用CC2530F256芯片）。

⑤然后在Debugger选项的Driver里选择TexasInstrument（s使用编程器仿真），至此，已经完成了ZigbeeCC2530

基于IAR开发环境的操作流程。

3.Z-Stack协议栈简介

Z-Stack是TI公司在IEEE802.15.4标准和ZigBee联盟所推出的ZigBee2006规范的基础上，推出的功能强大的ZigBee协议栈，最新的Z-Stack版本基于了ZigBee2007/PRO规范，适用于TI的CC2430/2431/2520/2530/2531系列芯片。Z-Stack完全实现了ZigBee规范规定的MAC层、网络层、应用层、安全服务层框架，Z-Stack配合OSAL完成整个协议栈的运行，支持多种平台。在最左边的Workspace栏中的可以看到整体个协议栈程序设架构，如图9-56所示。图9-564.Z-Stack的运行机制

Z-Stack协议栈基于操作系统的思想来构建，通过轮转查询机制实现系统任务的处理。系统在完成各层初始化随后开启低功耗模式，当有事件唤醒系统则进入中断完成事件处理，事件处理结束之后，系统将重新回到低功耗模式，这种机制起到了很好的降低节点功耗作用，针对多个事件同时发生的情况，系统会先判断事件的优先级，然后从高到低依次处理。

Z-Stack的工作流程包括了系统启动，初始化各层和操作系统，以及操作系统的任务轮转查询处理等步骤，具体如图9-57所示：5.Z-Stack的寻址模式

ZigBee设备有两种地址:一种是64位的IEEE地址,又叫做MAC地址或者扩展地址(ExtendedAddress);另一种是16位的网络地址,又叫做逻辑地址或者短地址。MAC地址是全球唯一的地址,由IEEE提供,一般在出厂时由制造商设置好或者在安装的时候设置。而网络地址通常是设备加入网络后被分配的地址,这个地址在其加入的网络中是唯一的,用来进行网络通信。在ZigBee网络中,网络协调器的逻辑地址被唯一确定为0000H,路由节点和终端节点的逻辑地址是由协调器分配的。Z-Stack中为了保证在一个网络节点逻辑地址的唯一性,规定了参数配置和一些算法来用于分配,所遵循的寻址算法本身具有分布特性,确保每个设备只能与它的父辈设备通信,接受一个网络地址,而不需要整个网络范围内的地址分配。9.2.6节点功能的实现1.协调器节点程序设计ZigBee网络软件设计主要包括ZigBee网络协调器、路由器和终端设备的软件设计。

ZigBee协调器在网络中的主要任务包括网络建立、数据收发和串口通信。图8-58

所示是协调器的工作流程图。（1）网络建立（2）数据收发（3）串口通信图9-58

2路由器程序设计ZigBee路由器上电之后无需按键就会加入网络，路由器仅仅负责数据转发的任务，所以程序比较简单。工作流程如图9-59

所示。图9-593终端节点程序设计根据功能可将终端节点分为三类：

一类是与环境感知类传感器相连，采集环境数据，并定时发送给协调器；

一类是与安防监测节点相连，当监测到报警，就向协调器发送警报信息；还有一类是与控制设备相连，通过接收协调器的控制命令，实现对所连设备的控制。(1)温湿度采集驱动设计实现；(2)光照采集驱动设计实现；(3)人体红外采集驱动设计实现；(4)可燃气体浓度采集驱动设计实现。CC２５３０的ADC通用操作流程如图8-68所示。人体红外监测模块触发到被处理的程序流程图如图9-67所示。9.2.7节点能量控制1.能量控制的意义

在无线传感器网络中，节点能量的控制也显得尤为重要，特别是可供用户随身携带的中心节点。如果节点能量控制不好，就需要用户经常更换电池，这样势必降低整个系统的实用性。2.节点能量控制的实现

CC2530提供了包括激活态在内的5种工作模式，表9-4给出了各个工作模式下的SoC片上系统的高速振荡器、低速振荡器、CPU状态及数字电源整流器的配置情况。9.2.8智能家居网关分析1.工作原理

智能家居网关作为一种传输网关，它的作用在于在智能家居内部网络与外部Internet网络之间建立通信桥梁，完成不同网络的数据跨异构网络的传输。2.

功能要求

（1）家庭内部网络建立功能：

（2）家庭内部网络数据发送及汇聚功能：

（3）设备信息存储功能：

（4）Internet数据传输功能：

（5）内外网访问功能：

（6）状态显示功能：

（7）用户设置功能。9.2.9智能家居网关通信技术

1.内部网络通信技术

这几种典型的无线通信技术的比较如表9-16所示。

1.内部网络通信技术与其他短距离无线通信技术相比，ZigBee技术具有以下优势：（1）低功耗：（2）低成本：（3）短时延：（4）高容量：（5）高可靠：（6）高安全：

2.外部网络通信技术目前嵌入式系统接入Internet公网的方式有多种，包括：无线方式（Wi-Fi、GPRS、3G等），有线方式（ISDN、ADSL、Ethernet等），混合方式（HFC等）。在这众多的技术手段中，以太网以其高度灵活、相对简单、容易实现、方便管理、易于扩展、开放性高的特点，成为当今占主导地位的局域网组网技术。以太网不是一种具体的网络，它是一种技术规范，是当今局域网应用中最通用的通信协议标准，定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。

标准以太网（IEEE802.3）采用同轴电缆、双绞线、光纤等多种介质作为传输载体，传输速率可达10Mbps；

快速以太网（IEEE802.3u）采用双绞线、光纤作为传输载体，传输速率可达100Mbps；

千兆以太网（IEEE802.3z、IEEE802.3ab）采用光缆、双绞线作为传输载体，传输速率可达1000Mbps（1Gbps）；

万兆以太网（IEEE802.3ae）采用光纤作为传输载体，传输速率可达10Gbps。这四种以太网技术采用相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式、布线系统以及完全兼容的技术规范。因此它们之间能够很好地配合工作，并且使得以太网具有升级平滑、实施容易、性价比高、管理方便等优点。9.2.10智能家居网关总体设计

智能家居网关既要连接智能家居内部网络，又要连接Internet网络，同时需要提供足够的信息存储空间，基本的人工输入功能，状态输出功能。网关的总体框架如图9-71

所示。图9-718.2.10智能家居网关总体设计网关的整体解决方案如下：（1）智能家居内部网络汇聚功能（2）智能家居内外网访问功能（3）设备信息存储功能（4）网关中心控制功能9.2.11智能家居网关硬件设计1.硬件总体设计

设计的网关要求具有较强的数据处理、存储、内外网通信能力，作为家庭内部网络的数据汇聚节点，网关应该具备ZigBee网络协调器模块，作为外部Internet网络的接入点，网关应该具备以太网模块。在网关硬件的设计上还应考虑未来功能扩展的需要，预留一些可扩展接口。根据网关功能要求，智能家居网关硬件主要包括以下这些功能模块：处理器模块、存储器模块、ZigBee协调器模块、以太网模块、电源模块、按键指示灯模块。

智能家居网关硬件结构框架如图9-72

所示。图9-72

2.微处理器选型智能家居网关既要负责对内、对外的数据通信，还要负责数据的处理、存储和转发，因此对微处理器的性能有很高的要求。传统的

8位微处理器处理能力低、片上资源少、不利于扩展，且多任务处理能力低下，难以进行复杂的控制运算，因此达不到智能家居网关的要求。相较而言，32位微处理器支持更高速率的系统时钟，支持更宽的地址总线和数据总线，支持嵌入式操作系统，拥有更多的片上资源和扩展接口，满足智能家居网关的应用要求。现有智能嵌入式设备普遍采用基于ARM内核的32

位微处理器，从芯片性能、功耗、性价比、应用前景等方面综合考虑，网关选择韩国三星（Samsung）公司的ARM系列芯片

S3C6410。3.ZigBee协调器

作为智能家居内部ZigBee网络的汇聚节点，网关应该具备ZigBee网络协调器的功能。本网关选择TI公司的CC2530芯片完成ZigBee协调器的功能，CC2530是TI公司推出的用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个完整的片上系统解决方案。4.以太网电路嵌入式设备联网是业界发展的潮流和需要，智能家居网关选择以太网作为Internet公网接入方式，如图9-73所示。

5按键及指示灯电路

考虑到用户的设置需求，为网关设计了设置按键，按键一端接地，另一端接至S3C6410的中断管脚XEINT0，同时经10KΩ上拉电阻接至3.3V电源。

为了清楚地指示网关运行状态，为网关设计了4路LED状态指示灯。如图9-74

所示，LED正极接至3.3V电源，负极经10KΩ限流电阻接至S3C6410

的4路I/O管脚GPM0～GPM3。9.2.12智能家居网关操作系统及驱动移植1.软件总体设计按照网关的硬件设计，网关采用S3C6410+CC2530双处理器架构，CC2530作为家庭内部ZigBee网络协调器，运行Z-Stack协议栈，负责ZigBee网络的建立、节点的管理、数据的收发等工作；

S3C6410作为核心处理器，运行开源、成熟、应用广泛的嵌入式Linux操作系统，负责完成网关的核心功能，包括：处理和转发ZigBee网络数据、收发和处理以太网数据、操作网关数据库、整体功能控制等。本网关中，CC2530使用TI官方提供的基于Z-Stack协议栈的应用程序，S3C6410上运行的网关核心功能软件是设计的重点。2.Linux操作系统移植3.驱动移植9.2.13智能家居网关应用软件设计1.ZigBee协调器软件设计本网关的ZigBee协调器核心芯片CC2530移植TI公司的Z-Stack协议栈，Z-Stack协议栈体系结构参照OSI七层模型，根据职能的不同可以分为

4层：物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）。

Z-Stack采用事件轮询机制，工作流程如下：首先进行HAL（硬件抽象层）、MAC（介质访问控制层）、NWK（网络层）、OSAL（操作系统抽象层）的初始化，完成后执行轮询式操作系统的主体部分即任务轮询，并进入低功耗模式，当有事件发生时，系统被唤醒，处理中断事件，结束后又进入低功耗模式，当几个事件同时发生时，系统根据优先级逐个处理事件。2.Z-Stack组网配置3.Z-Stack程序实现4.以太网通信软件设计5.UART串口通信软件设计9.2.14智能家居系统演示平台搭建演示平台选择武汉创维特公司的CVT-WSN-II物联网综合教学实验板。1.实验设备（1）硬件：CVT-WSN物联网实验箱配套的网关协调器以及多个传感器模块，PC机。（2）软件：PC机操作系统WindowsXP，CVT物联网综合实验平台环境

2.基础知识在做本实验前，请务必熟悉各传感器实验的相关内容并理解其相关原理。

3.实验步骤，实验结果如下图所示。9.3基于TinyOS的WSN定位系统的设计8.3.1定位系统设计的原则要考虑以下原则。(1)可扩展性(2)事件驱动(3)简单和近似的操作(4)容错性和鲁棒性9.3.2定位系统算法选择前面章节已介绍了几种典型的基于距离的定位算法和基于距离无关的定位算法，表8-17

总结了WSN典型定位算法的优缺点。

就目前来说，没有一种定位算法能够满足所有无线传感器网络定位的应用需求，而且有的算法因为过于复杂不能应用到实际项目，因此，需要结合实际的应用场合来选取合适的定位算法。在实验室资源和定位环境允许的情况下，选取基于RSSI机制的算法作为基本定位算法，与其它算法比较，该算法具有以下特点：(1)算法简单易实现，能耗低(2)成本低(3)结合了三边测量法与质心算法，提高精度。

表9-17典型的WSN定位算法优缺点比较9.3.3

WSN节点硬件设计

在确定了WSN定位算法后，还需要设计相应的硬件节点和软件平台来实现。

WSN的节点系统是构成无线传感器网络的基础，是承载WSN信息感知、数据处理和网络传输的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等研究都需要在节点上得以实现才具有实际意义。

目前为止，WSN节点种类繁多，基于片上系统集成技术的低功耗、低成本节点是未来的发展趋势，传感器节点以设计参照前面章节所学内容。9.3.4.TinyOS程序编译与移植

一个完整的TinyOS应用程序不仅仅有组件与配件等nesC文件，还需要一个Makefile文件才能完成编译。Makefile文件是在程序编译的时候，指定ncc编译器去编译哪个程序，在TinyOS程序结构中配件是最顶层的程序，因此需要指定ncc去编译配件。

研究设计的TinyOS定位程序在Cygwin平台下进行编译与移植，编译过程如图9-91

所示。在Cygwin界面上观察到编译结果，如图9-92

所示，图中显示了TinyOS程序在Cygwin下成功编译并移植到cc2430以及在CC2430存储器中的分布情况。图9-91图9-929.3.5RSSI定位的TinyOS实现采用基于RSSI的测距原理来实现对未知节点的定位，根据定位原理，需要分别设计未知节点、信标节点以及网关节点TinyOS程序。在设计程序之前，首先分析定位过程，由于CC2430芯片内置RSSI寄存器，任何无线通信的接收节点都可以获取本身的RSSI寄存器值，基于此采用如下定位思想：(1)未知节点每隔一段固定时间对其通信半径内的所有节点发出广播信息，同时通信半径内的所有其它节点都侦听到未知节点发出的广播信息；(2)节点在侦听到未知节点的广播信息时，会进行节点类型判定，网关节点会丢弃信息包，而信标节点会接收广播信息包；(3)各信标节点接收到广播信息包后，会及时获取自身的RSSI寄存器值，并以多跳方式将RSSI寄存器值发送给网关节点，信标节点可能承担路由中转功能；(4)网关节点接收各信标节点发送的消息包，并通过RS232串行通信将消息包发送到上位机，消息包包括串口起始标志、有效负载长度、中继信标节点ID、源信标节点ID、总跳数、RSSI寄存器值、CRC等信息；(5)上位机接收到各信标节点的RSSI值后，通过无线电波传输衰减模型将RSSI值转化为距离，利用三边测量法估算出未知节点的坐标，定位算法在上位机软件中实现。根据以上定位思路分别设计了未知节点、信标节点与网关节点的

TinyOS应用程序。9.3.6未知节点程序设计未知节点主要负责定时广播，在节点上电并且初始化硬件后，开启CC2430内部的射频模块，在定时超时事件处理中将消息包无线广播，在广播时先进行获取信道访问权限检查，若成功获取信道访问权，则广播；若信道已被占用，获取失败，则等待信道空闲，再次获取；若发送成功，则等待定时器下次超时，若发送失败，则重新发送，并记录发送失败次数，当失败次数达到设定阈值时，表明节点出现了异常，这时启动看门狗定时器，重启节点。

未知节点程序流程如图9-93

所示。图9-939.3.7信标节点程序设计

信标节点在收到未知节点的广播信息后，读取自身的

RSSI寄存器值，将RSSI寄存器值、信标节点自身ID进行封装后按照最新路由表选择最佳路径发送到网关节点。由于无线传感器网络所处的环境一般比较恶劣，可能使网络的拓扑结构发生变化，因此信标节点要及时更新路由表。9.3.8网关节点程序设计

网关节点负责接收各信标节点发送的消息包，并通过串口发送到PC，网关节点程序工作流程如图9-95

所示。图9-959.3.9实验测试结果根据所设计的定位需求，需要1个网关节点、1个未知节点和至少3个信标节点组成无线传感器定位网络。

理论上，增加信标节点个数会提高RSSI定位精度，但由于受限于现有的节点资源，采用了4个信标节点。在实验中将测试节点编号定义如下：节点1为网关节点，节点2～5为信标节点，节点6为未知节点。对TinyOS定位程序进行编译与移植，在成功移植到CC2430芯片后，按下电池开关，对所有节点上电，应用串口调试助手显示网关节点发送到PC的消息包，消息包的数据帧如图9-96所示。实验测试结果，如图9-97所示。图9-96图9-979.3.10无线传输损耗模型分析与验证

在确定PC能够正确接收各信标节点的RSSI值后，还需要选取合适的无线信号传输的路径损耗模型，将接收到的RSSI值转化为距离。常见的无线电路径损耗模型有自由空间路径损耗模型、对数-常态路径损耗模型。

自由空间路径损耗模型如（9-24）式所示：

常态路径损耗模型如（9-25）式所示：如图８-９８所示,计算出平均值。图9-９８9.4WSN的移动机器人的定位9.4.1移动机器人的定位的基本概念

1.移动机器人的定位的定义

移动机器人定位,是指移动机器人通过内外部传感器获得自身和外部环境的数据,通过算法计算出自身坐标和朝向的过程,即在二维平面上需要计算出(x,y),在三维空间上需要加上高度信息(x,y,z)。机器人的定位方式取决于所采用的传感器。定位技术主要包括绝对定位技术和相对定位技术两类。绝对定位采用导航信标、主动或被动标识、地图匹配或全球定位系统进行定位,定位精度较高。相对定位是通过测量机器人相对于初始位置的距离和方向来确定机器人的当前位置