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     作者：張文

    研究井下WSN的定位算法來(lái)獲取人員或設(shè)備的位置信息是保障礦井安全性的重要指標(biāo)，尤其在事故發(fā)生時(shí)，對(duì)于逃生以及救援有著非常重要的意義。目前WSN井下定位有一些經(jīng)典算法，文獻(xiàn)基于ZigBee技術(shù)采用最鄰近的信號(hào)強(qiáng)度( NNSS)指紋匹配在井下進(jìn)行初步定位，然后用動(dòng)態(tài)三邊測(cè)量( DTN)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距定位，但未考慮節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度為動(dòng)態(tài)性，隨其電池能量下降而變?nèi)酰瑪?shù)據(jù)中心存儲(chǔ)的靜態(tài)信號(hào)強(qiáng)度將失去參照性。文獻(xiàn)[7]基于RSSI的質(zhì)心定位算法。首先通過(guò)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間RSSI值，然后把RSSI值轉(zhuǎn)換成質(zhì)心算法權(quán)值，最后采用質(zhì)心定位算法對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行估計(jì)，獲得節(jié)點(diǎn)的位置，也未考慮到RSSI值受WSN節(jié)點(diǎn)的電池能量影響，當(dāng)電池能量較低時(shí)對(duì)RSSI質(zhì)心定位算法影響較大。文獻(xiàn)提出了一種RSSI動(dòng)態(tài)獲取路徑衰落指數(shù)，準(zhǔn)確反映巷道不同區(qū)域?qū)π盘?hào)衰落的影響，然后通過(guò)RSSI加權(quán)質(zhì)心算法定位，增強(qiáng)了測(cè)距算法對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。相比定位精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但同樣也未考慮WSN節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間耗低電池能量，使RSSI值變小，影響定位精度。為了解決WSN節(jié)點(diǎn)能耗對(duì)SRRI的影響，提出了能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)電能變化的動(dòng)態(tài)接受信號(hào)強(qiáng)度分區(qū)定位(Received signal strength partition，RSSP)算法。

    1  信號(hào)強(qiáng)度分區(qū)

    礦井下巷道一般比較狹窄、障礙物多、環(huán)境復(fù)雜且會(huì)經(jīng)常性發(fā)生變化，且由于無(wú)線信號(hào)傳播存在衰減、非視距、多徑傳播等特點(diǎn)，因此定位算法需要具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性及容錯(cuò)性以適應(yīng)礦井復(fù)雜情況的變化。RSSP算法，在此只考慮巷道的長(zhǎng)度（寬度相對(duì)可忽略），一般礦井節(jié)點(diǎn)由人工等距離布設(shè)，并確定相對(duì)位置和信號(hào)強(qiáng)度，且都作為參考節(jié)點(diǎn)，將兩相鄰參考節(jié)點(diǎn)之間等距離分區(qū)，如圖1所示。另外由于巷道情況比較復(fù)雜，有些巷道并非筆直，故布設(shè)節(jié)點(diǎn)需合理。利用參考節(jié)點(diǎn)（如A，B，C和D）間的實(shí)際距離與信號(hào)強(qiáng)度已知條件，計(jì)算發(fā)射信號(hào)傳播到不同分區(qū)接收信號(hào)的強(qiáng)度，把接收信號(hào)強(qiáng)度劃分為若干等級(jí)，以等級(jí)定分區(qū)，再以此分區(qū)段的質(zhì)心作為定位坐標(biāo)。

    圖1所示，A、B、C和D任意相鄰兩參考節(jié)點(diǎn)間距為L(zhǎng)，把相鄰兩參考節(jié)點(diǎn)間劃分為6個(gè)分區(qū)，每一分區(qū)長(zhǎng)為//6。在此，以A到C節(jié)點(diǎn)段為例，B處于1’到1的中點(diǎn)，因此從A節(jié)點(diǎn)到1點(diǎn)間距為13//12．A節(jié)點(diǎn)到2間距為15L/12，A節(jié)點(diǎn)到3為17//12，C結(jié)點(diǎn)到1’、2’和3’的間距同理可知。假設(shè)參考節(jié)點(diǎn)B和i（表示1、2和3）點(diǎn)收到來(lái)自參考節(jié)點(diǎn)A的接收信號(hào)強(qiáng)度指示( Received signalstrength indicator，RSSI)值，根據(jù)RSSI公式有    

    式中：RSSIAB、RSSIA,分別為參考節(jié)點(diǎn)B和/(1、2和3)點(diǎn)接收到的由參考節(jié)點(diǎn)A發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度；ιAR、ιAi分別表示參考節(jié)點(diǎn)B和i至參考節(jié)點(diǎn)A的間距；A為經(jīng)過(guò)Im傳輸后的路徑損耗值；n代表傳播因子，其取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境，一般取2～6．

    井下巷道環(huán)境復(fù)雜，各段區(qū)域n都有所不同，但一旦巷道確定后n值幾乎不會(huì)變化，故可在節(jié)點(diǎn)布設(shè)后試運(yùn)行時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)求取各區(qū)段n值并記錄于接收信號(hào)的參考節(jié)點(diǎn)內(nèi)存，如果一些區(qū)域需進(jìn)行整改，則整改后需對(duì)整改區(qū)域再次實(shí)驗(yàn)求取n。

由式(1)可得：

    由公式(2)可以得出1、2和3點(diǎn)收到參考節(jié)點(diǎn)A的理論RSSI值：

    其中1點(diǎn)RSSIAl最高，RSSIA：次之，RSSIA，最低。因此，若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的RSSI值等于或高于RS-SIA1則記為一等強(qiáng)度，記為Al;小于RSSLA1并且大于或等于RSSIA2記為二等強(qiáng)度，記為A2;小于RSSIA：并且大于或等于RSSIA3為三等強(qiáng)度，記為A3;低于RSSIA3不記。以此分為三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)Al、A2和A3。

    同理，對(duì)于i節(jié)點(diǎn)接收到參考節(jié)點(diǎn)C的RSS1為：

    其中RSSIc1，最大，RSSIC2,次之，RSSIC3，最低。因此，若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的RSSI值等于或高于RS-Slc．，則記為一等強(qiáng)度，記為Cl;小于RSSIc1，并且大于或等于，RSSIC2,記為二等強(qiáng)度，記為C2;水于RS-SIc2并且大于或等于RSSIC3，記為三等強(qiáng)度，記為C3；低于RSSIC3，不計(jì)。以此分為三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)Cl、C2和C3。

    根據(jù)上述方法可以確定每個(gè)分區(qū)來(lái)自周圍參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，以此信號(hào)等級(jí)進(jìn)行分區(qū)信號(hào)強(qiáng)度編碼，并且可以確定每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值。如圖1移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在位置，可以分別接受到的信號(hào)強(qiáng)度分別為Al、Bl和C2，記編碼為AIBIC2。同理有AIBIC1、AIBIC3、A2BICl、A3BICl、AIB1、BIC1等，每個(gè)編碼對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值及分區(qū)都不同，參考節(jié)點(diǎn)記錄并存儲(chǔ)，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)的這些編碼及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度發(fā)送給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

    為了減小誤差，RSSIAB應(yīng)該多次測(cè)量去除異常值，并求取均值。同時(shí)，為了盡量反應(yīng)當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度分區(qū)狀態(tài)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每次定位都要向最近節(jié)點(diǎn)發(fā)送分區(qū)狀態(tài)請(qǐng)求，參考節(jié)點(diǎn)接收后按照上述方法確定信號(hào)強(qiáng)度分區(qū)，之后向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)回復(fù)。這樣雖然能提高定位精度，但卻需要付出代價(jià)：即增加通信開(kāi)銷，同時(shí)增加了延時(shí)。故可以根據(jù)實(shí)際需要，周期性的進(jìn)行強(qiáng)度分區(qū)計(jì)算，隨著參考節(jié)點(diǎn)能量的消耗，發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的下降，計(jì)算周期應(yīng)逐漸縮短。

    2  人員（移動(dòng)節(jié)點(diǎn)）定位

    假設(shè)這些參考節(jié)點(diǎn)在發(fā)射功率穩(wěn)定的情況下，由圖1可以看出，若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)分別接收到來(lái)自參考節(jié)點(diǎn)A、B和C信號(hào)強(qiáng)度，分別為A-等強(qiáng)度、B-等強(qiáng)度、C-等強(qiáng)度，即AIBIC1，以此信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)編碼進(jìn)行對(duì)比，找出相同編碼，故最終確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在位置在1’和1之間，直接以此分區(qū)中心點(diǎn)（質(zhì)心）作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，反饋給用戶端。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到某一分區(qū)時(shí)，只能收到相鄰兩參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，如圖1中別所標(biāo)記的AIB1、BIC1分

區(qū)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位流程如圖2所示。

    3  定位誤差模擬仿真與比較分析

    由于此實(shí)驗(yàn)在礦井下比較困難，故仿真設(shè)在一個(gè)假設(shè)如圖1的巷道環(huán)境，沿巷道等距離布置參考節(jié)點(diǎn)，設(shè)有8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，在此以模擬仿真軟件Mat-lab進(jìn)行模擬仿真，在模擬實(shí)驗(yàn)中，兩相鄰參考節(jié)點(diǎn)間的距離以20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m作為標(biāo)準(zhǔn)，參考節(jié)點(diǎn)以不同的發(fā)射功率發(fā)射信號(hào)進(jìn)行模擬，節(jié)點(diǎn)的通信半徑應(yīng)不小于兩相鄰參考節(jié)點(diǎn)間的距離的1.5倍，保證正常通信。為了確保模擬實(shí)驗(yàn)的正確性，在此進(jìn)行500次模擬仿真，并與傳統(tǒng)RSSI定位算法進(jìn)行比較，得到仿真結(jié)果如圖3和表1所示。其中誤差精度P為：

    由圖3可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)間的距離增加，各定位誤差都逐漸增大，但RSSP算法誤差增加趨勢(shì)比較平緩，幾乎呈線性增長(zhǎng)，而RSSI定位算法與RFID曲線增長(zhǎng)較快，在間距為50m時(shí)誤差就超過(guò)lOm以上。由表1可以看出RSSP算法比傳統(tǒng)RSSI定位算法以及RFID精度誤差明顯較低，傳統(tǒng)RSSI和RFID的定位平均誤差精度均超過(guò)20 010。而RSSP算法，其間距在20m時(shí)誤差小于2m，在間距50m時(shí)誤差小于5m，且定位誤差精度只是在小范圍波動(dòng)，平均定位誤差精度小于10%，比RSSI和RFID定位算法提高了最少一倍的定位精度，如圖4所示。RSSP算法可以采用改變相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)定位精度要求。

    4  結(jié)論與展望

    1) RSSP算法通過(guò)對(duì)巷道內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)等間距布設(shè)，并且把相鄰參考節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行等距離分區(qū)，采用區(qū)域劃分的思想，在滿足定位精度要求范圍內(nèi)，能對(duì)人員設(shè)備進(jìn)行定位與搜救。該方法特別適用于直線巷道和已掘進(jìn)巷道變化不大的礦井，對(duì)于多彎、彎曲度較大的巷道的節(jié)點(diǎn)布設(shè)問(wèn)題需將進(jìn)一步研究，可考慮研究非等距布設(shè)節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)型RSSP定位算法。

    2) RSSP算法和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)具有很好的兼容性，在未來(lái)的實(shí)際工作中，人員佩戴的定位節(jié)點(diǎn)可以安裝多種傳感器，在提供定位的同時(shí)，又可以對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，另外在事故發(fā)生時(shí)也可以感知受困人員的生命體征，對(duì)救援工作有很好的導(dǎo)向性。相對(duì)傳統(tǒng)RFID技術(shù)，該算法布設(shè)節(jié)點(diǎn)多一些，但現(xiàn)在國(guó)外一些WSN節(jié)點(diǎn)價(jià)格已低到幾美元，隨著微電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展節(jié)點(diǎn)成本將會(huì)更加低廉，本技術(shù)的推廣應(yīng)用前景較好。

    5摘要：

    針對(duì)井下工作人員的平時(shí)考勤以及發(fā)生井下事故時(shí)能夠?qū)κ芾�人員進(jìn)行及時(shí)有效的定位搜救，提出了一種接收信號(hào)強(qiáng)度分區(qū)( RSSP)定位算法。RSSP定位算法把井下相鄰參考節(jié)點(diǎn)間劃分為若干分區(qū)，根據(jù)井下人員（移動(dòng)節(jié)點(diǎn)）所在巷道位置的接收信號(hào)及強(qiáng)度情況對(duì)其進(jìn)行定位。此算法比較簡(jiǎn)單，功耗低。經(jīng)過(guò)MATLAB模擬仿真，得出RSSP算法比經(jīng)典的RSSI和RFID算法定位精度更高。