無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置大量無線傳感器節(jié)點[1]，每個節(jié)點均具備感知能力、信息處理能力和無線通信能力，在煤礦安全管理方面，具有顯著的實用優(yōu)勢。近年來國內(nèi)也提出許多解決方案，但由于受傳感器節(jié)點功耗、無線帶寬、內(nèi)存和計算處理能力以及現(xiàn)實煤礦監(jiān)測環(huán)境、傳感器節(jié)點布置等的局限，如何實現(xiàn)煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器節(jié)點的高效性定位是一個具有現(xiàn)實意義的研究課題。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點定位算法評價標(biāo)準(zhǔn)
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)[2]是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，它是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。微電子技術(shù)、計算技術(shù)、無線通信和微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS(Micro Electromechanical System)等技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，極大地推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和短距離無線通信等多種功能[3]，并日益走向成熟和實用化。
    典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點三類。傳感器所感知的信息通過網(wǎng)絡(luò)以多跳的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播，并可能被多個傳感器節(jié)點處理，最終到達(dá)匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)或其他通信線路將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給管理節(jié)點，負(fù)責(zé)監(jiān)控的工作人員通過管理節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理[4]，發(fā)布監(jiān)控任務(wù)，收集監(jiān)控數(shù)據(jù)。
    由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有面向應(yīng)用的特點，其體系結(jié)構(gòu)一般十分復(fù)雜。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成也不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這四部分組成。傳感器節(jié)點的組成如圖1所示。

    被監(jiān)測的物理信號決定了傳感器的類型。節(jié)點具有有限的物理并行性與控制器層次結(jié)構(gòu)：傳感器網(wǎng)絡(luò)中獨立的控制器的數(shù)量與功能、以及控制器與存儲器互連的復(fù)雜度都大大低于傳統(tǒng)的通用系統(tǒng)。處理單元(通常內(nèi)置存儲器)對傳感器節(jié)點進(jìn)行控制，使其與其他節(jié)點協(xié)作，共同完成賦予的感知任務(wù)，其一般采用低功耗的微控制器，通常運(yùn)行于TinyOS、MANTIS等專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定制的微型化操作系統(tǒng)。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法評價標(biāo)準(zhǔn)
    傳感器網(wǎng)絡(luò)中,位置信息對其監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置和獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點中所包含的重要信息,對傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用起著關(guān)鍵作用。定位算法的性能直接影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性[5]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身及其應(yīng)用環(huán)境的特殊性，其定位算法需要考慮以下幾方面問題：
    (1)定位精度。一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例來表示。
    (2)規(guī)模。一個定位算法也許僅可以在某一特定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)定位。另外，在給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或一段時間內(nèi)，可以定位多少目標(biāo)也是一個重要的評價指標(biāo)。
    (3)錨節(jié)點密度。錨節(jié)點(預(yù)先部署位置已知的節(jié)點)定位通常依賴人工部署或GPS實現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制，還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。
    (4)節(jié)點密度。節(jié)點密度的增大不僅意味著部署成本的增加，同時節(jié)點間的通信沖突也帶來了WSN有限帶寬的阻塞問題。
    (5)功耗。傳感器節(jié)點的電池能量有限，WSN的節(jié)點功耗直接影響到整個傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的長短。
    (6)綜合代價。具體到實際應(yīng)用環(huán)境，定位算法的代價可從幾個不同方面綜合評價：時空代價，算法定位所需時間與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量；資金代價，實現(xiàn)定位算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點設(shè)備的總費用。
    以上幾個性能指標(biāo)不僅是評價WSN定位算法的標(biāo)準(zhǔn)，也是算法本身設(shè)計和優(yōu)化要實現(xiàn)的目標(biāo)。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法
2.1 基于錨節(jié)點數(shù)目較多的算法
    目前提出的傳感器節(jié)點定位算法[6-7]有很多。在多跳環(huán)境中，RSSI(Received Signal Strength Indication）[8]測距、APIT(Approximate Point In Triangle)[9]定位算法與DV-Distance(Distance Vector)定位算法的應(yīng)用較多。RSSI 測距算法的原理是：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)接收到的信號強(qiáng)度，計算出信號的傳播損耗，利用無線電傳播理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鞑p耗轉(zhuǎn)化為距離。其優(yōu)勢在于較低的通信負(fù)載以及不需要額外的硬件設(shè)備，但誤差較大。APIT[5]算法的理論基礎(chǔ)是三角形的內(nèi)點PIT(Point-in-triangulation Test)測試，PIT測試主要用來測試一個節(jié)點是在其他3個節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部。假如存在一個方向，沿著這個方向某點會同時遠(yuǎn)離或者同時接近3個點，則這個點位于三點組成的三角形外。DV-HOP定位算法原理是[10]：每個錨節(jié)點都計算平均單跳長度，未知節(jié)點利用平均單跳長度來估計多跳距離，然后利用多邊交叉實現(xiàn)定位。ROCRSSI定位算法是一種完全的分布式的工作機(jī)制，首先一個錨節(jié)點發(fā)送定位控制信號(自身ID，位置坐標(biāo))，可以被位于其通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點(錨節(jié)點和未知節(jié)點)接收，隨后接收到該信號的錨節(jié)點再廣播所測的信號強(qiáng)度；通過這種方式，每一個未知節(jié)點就能夠收集足夠的信息生成一系列的其存在的環(huán)形區(qū)域，通過疊加產(chǎn)生其可能存在的最小區(qū)域，再求其質(zhì)心作為其位置的估計值。
2.2 基于錨節(jié)點數(shù)目較少的算法
　基于APIT與DV-HOP算法的定位方法[5,11]均假設(shè)節(jié)點能直接與幾個錨節(jié)點直接通信來確定自身的位置，對錨節(jié)點的依賴性較強(qiáng)，而錨節(jié)點通常依賴人工部署，且錨節(jié)點的成本比普通節(jié)點要高兩個數(shù)量級。為了解決錨節(jié)點少這種定位應(yīng)用的限制，參考文獻(xiàn)[9]中提出可以通過共享節(jié)點向錨節(jié)點的轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)未知節(jié)點的定位，其具體過程如下：首先錨節(jié)點廣播自身的位置信息，未知節(jié)點根據(jù)接收到的錨節(jié)點的位置信息進(jìn)行定位，定位原理如圖2所示，圖中2、4節(jié)點的位置信息是未知的，1、3、5、6為錨節(jié)點。由于2、4兩節(jié)點都有三個鄰節(jié)點，根據(jù)圖中節(jié)點之間的5條邊，可以列出5個方程進(jìn)行求解，以此確定2、4節(jié)點的位置。在2、4節(jié)點的位置確定以后，利用共享節(jié)點的思想就可以為其他節(jié)點提供定位服務(wù)。

    共享節(jié)點的思想[2]通過增加共享節(jié)點不斷地將共享節(jié)點轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點，以此來幫助更多的未知節(jié)點實現(xiàn)定位，任何未知節(jié)點一旦確定了位置，立即實現(xiàn)信息資源共享，成為共享節(jié)點，進(jìn)而像錨節(jié)點一樣執(zhí)行信息廣播。從數(shù)學(xué)角度講，共享節(jié)點思想是通過不斷迭代來實現(xiàn)位置未知節(jié)點的定位。從通信角度講，共享節(jié)點思想通過增加廣播源為未知節(jié)點定位提供更多的定位信息。在實際應(yīng)用中，該思想在提高錨節(jié)點密度的同時，也增加了通信開銷與能量消耗，進(jìn)而降低了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命?？紤]到低功耗與降低網(wǎng)絡(luò)代價，應(yīng)選擇最少的迭代次數(shù)及最小的通信開銷，因此找到一種能量高效的錨節(jié)點轉(zhuǎn)化定位算法是十分必要的。
3 改進(jìn)的能量高效的錨節(jié)點轉(zhuǎn)化定位算法
    根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法的評價指標(biāo)，有選擇地將共享節(jié)點轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點是一個值得研究的問題。在解決節(jié)點有效定位的基礎(chǔ)上，一方面要減少算法的迭代次數(shù)與信息廣播的通信代價；另一方面也要考慮到整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。能量高效的錨節(jié)點轉(zhuǎn)化定位算法的基本思想是：以盡量小的通信與耗能代價有選擇性地將共享節(jié)點轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點，被選出的共享節(jié)點轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點之后，進(jìn)行位置信息廣播，其他已定位節(jié)點則不需廣播定位信息，該算法的實現(xiàn)流程如圖3所示。

    對于可轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點的共享節(jié)點的選擇是本文關(guān)注的重點。改進(jìn)的共享節(jié)點轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點算法描述如下：檢測定位區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點收到錨節(jié)點位置廣播信息之后，判斷是否是已定位節(jié)點。如果節(jié)點沒有定位，則計算自己的位置，并進(jìn)行是否要執(zhí)行位置廣播的評估（因為并不是每個節(jié)點在位置確定以后都有信息廣播的必要）。評估過程為：首先判斷接收到的定位信息的信號強(qiáng)度，若接收到的信號強(qiáng)度在某一范圍內(nèi)，則繼續(xù)檢查節(jié)點剩余電量，若剩余電量也符合要求，才進(jìn)行信息廣播，即實施錨節(jié)點轉(zhuǎn)化。否則將視為普通節(jié)點跳過錨節(jié)點轉(zhuǎn)化，不進(jìn)行信息廣播。由于對接收到的廣播信號強(qiáng)度進(jìn)行評估實際上就是對物理距離的評估，且評估判斷包含在ROCRSSI算法之中，所以本評估過程不需要額外耗費能量[11]，在綜合考慮節(jié)點能量和位置因素的基礎(chǔ)上，選出某一共享節(jié)點來轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點，該錨節(jié)點才進(jìn)行信息廣播，其他節(jié)點則保持原狀態(tài)以節(jié)省通信與能量開銷。
4 仿真分析
   本文選擇煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[12]對能量高效的錨節(jié)點轉(zhuǎn)化定位算法的性能進(jìn)行了驗證[4]。根據(jù)煤礦監(jiān)測環(huán)境實際應(yīng)用的需要，將傳感器節(jié)點分為兩類：一類是撒在礦井地面位置固定的傳感器節(jié)點；另一類是穿戴在礦工身上或運(yùn)輸工具上的移動傳感器節(jié)點。兩類傳感器節(jié)點均包括瓦斯?jié)舛葯z測與溫濕度檢測等功能[7]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用有中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，射頻模塊采用挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2430模塊，無線介質(zhì)將終端傳感器收集的各種參數(shù)傳至網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點，再采用已有的有線方式將網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸至地面上的監(jiān)控中心。在50×50的仿真區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)分配150個需定位的節(jié)點，選擇較小的ANR(Anchor to Node Range Ratio)。
4.1 定位算法可行性驗證
   首先從定位精度與規(guī)模兩個基礎(chǔ)角度來對改進(jìn)的有選擇轉(zhuǎn)化錨節(jié)點定位算法的性能進(jìn)行仿真驗證。在ANR=5%的情況下，分別對原始和共享節(jié)點轉(zhuǎn)化算法平均定位誤差與覆蓋率進(jìn)行仿真，如圖4和圖5所示。
   通過對網(wǎng)絡(luò)定位誤差、覆蓋率性能的仿真分析可以看出，能量高效的錨節(jié)點算法在定位精度與定位覆蓋率上基本可以達(dá)到未進(jìn)行錨節(jié)點選擇性轉(zhuǎn)換原始算法的效果。選距離錨節(jié)點最遠(yuǎn)的定位節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)化的節(jié)點，符合實際礦井監(jiān)測環(huán)境中錨節(jié)點較少的實際情況。

4.2 網(wǎng)絡(luò)平均壽命分析
　下面對改進(jìn)的有選擇轉(zhuǎn)化錨節(jié)點定位算法的整個網(wǎng)絡(luò)壽命做一個評估，改進(jìn)算法與原始算法的網(wǎng)絡(luò)平均壽命仿真結(jié)果如圖6所示。

    從仿真圖可以看出，在采用選擇性共享節(jié)點的轉(zhuǎn)化算法之后，整個WSN的網(wǎng)絡(luò)平均壽命下降速度明顯減慢，且隨著共享節(jié)點轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點的數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)壽命下降速度越緩慢。
4.3 改進(jìn)定位算法網(wǎng)絡(luò)開銷
    由于網(wǎng)絡(luò)通信開銷是一個動態(tài)疊加的過程，取出典型的改進(jìn)的高能效錨節(jié)點轉(zhuǎn)化算法的通信開銷仿真比較困難，這里從數(shù)學(xué)角度給出算法的定性分析。假設(shè)一個WSN網(wǎng)絡(luò)中原有M個錨節(jié)點和N個未知節(jié)點(M<<N)，最后選取n個共享節(jié)點(n<<N)，僅錨節(jié)點才廣播定位控制信息。假定未知節(jié)點間采用短信標(biāo)通信，而未知節(jié)點與錨節(jié)點間采用ANR限定下的長信標(biāo)通信，長信標(biāo)通信開銷為短信標(biāo)通信的ANR2倍，且未知節(jié)點在轉(zhuǎn)換為共享節(jié)點之前相互之間不需要交換任何定位信息，故得到總的通信信號量為a(M)&times;ANR2&times;a(n)，可見n越小，通信信號量越小。所以改進(jìn)算法的網(wǎng)絡(luò)通信開銷與能耗相對較低，這有利于延長整個WSN網(wǎng)絡(luò)的壽命。
    設(shè)計合理易于實現(xiàn)且優(yōu)化的WSN節(jié)點定位算法是需要長期研究的一個熱點問題。本文在共享節(jié)點思想的基礎(chǔ)上，綜合考慮通信開銷與節(jié)能兩方面的指標(biāo)，有效利用共享節(jié)點來實現(xiàn)對未知節(jié)點的定位，算法在保證較小定位誤差和較大覆蓋率的同時，沒有增加網(wǎng)絡(luò)的額外開銷，達(dá)到了低網(wǎng)絡(luò)配置成本、低功耗和高精度的要求。針對煤礦監(jiān)測環(huán)境中傳感器節(jié)點布設(shè)的特點，進(jìn)行了探索驗證，可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全管理應(yīng)用方面提供參考和借鑒。由于實驗條件的限制，對于節(jié)點數(shù)很多的情況該算法的可靠性有待于進(jìn)一步的研究。在煤礦突發(fā)事故后，利用WSN網(wǎng)絡(luò)通過該算法也可在對工礦人員進(jìn)行及時營救方面提供幫助。
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