無線傳感器網絡在井下人員定位系統中的應用

摘要:無線傳感器網絡(WSN)技術是21世紀信息產業的三大支柱(計算機、通信和傳感器)相結合的產物，由于無線傳感器網絡技術廣泛的學科交叉性以及明確的應用性和實踐性技術特征，使得WSN技術在學術界和應用領域均受到了廣泛的關注。由于WSN網絡的自組織性、高魯棒性，使得WSN技術在目標跟蹤、環境監控、智能家居、醫療健康等方面有著良好的應用前景。該文利用無線傳感器網絡基本體系架構，在井下惡劣多變的環境下實現人員定位跟蹤，同時對井下WSN的關鍵技術進行分析，提出一種適用于井下人員定位的多層WSN拓撲架構。

關鍵詞:無線傳感器網絡(WSN);人員定位;MAC;定位算法

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)35-9960-02

當今煤炭依然是我國乃至全世界主要的能源之一，而煤礦安全事故的發生往往具有突發性和不可確定性的特點，一旦煤礦發生事故，如何快速有效地獲取相關信息，救出井下被困人員是事故搶險中的重中之重。若能在事故發生后準確判斷井下被困人員的具體位置，再結合礦井實際采掘工程平面制定出行之有效的營救路線，將大大提高災后救援的成功率。所以在井下安全系統中實現人員定位將會滿足煤礦安全生產需求。

現有應用于井下定位的技術主要有:1)基于GPS的人員定位系統， 該技術是運用衛星通訊技術實現移動目標定位，但是GPS對使用環境要求較高，必須有開闊的視野和能見度，當存在建筑物阻擋或在室內時，定位精度和可用性大大降低，如在水下，礦井下等惡劣環境中;2)基于紅外(IR)信號的井下人員定位技術，該技術也是利用固定在移動目標上的紅外發射器向探測器發送信號來確定目標在哪個探測器周圍。但是IR信號的作用非常有限，要求很高的接收器陣列布設密度，進而導致系統成本、維護費用昂貴，同時IR信號具有較強的方向性，必須在紅外光傳播的方向上才能接受到有效信號，而且IR信號只能將目標節點定位在探測器附近的區域，定位精度也比較低;3)基于RFID技術的井下人員定位技術。該技術是通過攜帶在人員身上的射頻識別卡通過電磁波的形式將數據讀入讀卡器中，實現人員定位。但是RFID技術使用的頻率較低，抗干擾能力差，讀卡器速度有限，不能處理多人同時快速通過讀卡系統的情況，而且讀卡器價格都比較貴，一般RFID技術都只應用于上、下礦井人員的考勤記錄;4)基于WSN的井下人員定位技術。該技術是利用大量布置在井下的傳感器節點與攜帶著移動人員身上的傳感器節點通信，利用一定算法實現目標定位。WSN網絡布設簡單，硬件開銷低，其工作在2.4GHz頻段，抗干擾能力強，定位精度相對較高，適用于井下人員定位，但是WSN具有節點易失效，節點數量大，能量有限等特點，這就要求相應的算法具有高魯棒性，低能耗和高網絡協調性，同時適應于井下的惡劣環境。

由于WSN良好的實踐性技術特征，基于其定位技術的應用研究也受到了國內外研究人員的重點關注，在礦井信息化系統中，實現WSN在煤礦井下的應用也是一個重要的方面。從當前研究來看，WSN技術在煤礦井下的可適用性已經取得了普遍認同，但由于煤礦井下生產環境和自然環境的特殊性，使得WSN定位技術在井下的應用性相對與地面還有一些特殊之處，主要在于定位算法對于復雜環境的適應性、WSN系統的布設、通信鏈路的建立和動態路由的建立等方面。因此，針對上述具體問題進行研究突破也逐漸成為WSN應用關注的焦點，在這方面開展前瞻性的研究工作對于一些應用基礎問題的解決具有重要的意義。

1 井下無線傳感器網絡拓撲架構建立

在礦井人員定位系統中包括井下WSN網絡和井上信息管理系統，本文主要研究井下WSN網絡。井下WSN網絡由大量的WSN節點隨機散布組成，由于井下環境復雜多變，節點易失效，所以在井下系統中節點布設冗余度較大。根據WSN節點實現功能的不同，可將布設于巷道邊的WSN節點分為三類:1)匯聚節點(sink節點)，多跳傳輸的終端節點，將普通節點的數據匯聚至該節點，一般來說該節點不受硬件和能耗的限制;2)普通固定節點，收集環境數據，并作為多跳路由的終端節點，受到硬件和能耗的限制，一般工作在LPL(low power listening)模式下;3)移動目標節點，一般攜帶在入井人員身上作為目標節點，該節點本身也具有收集環境數據功能(如檢測入井人員體溫等)，一般不受硬件和能耗的限制，不參與多跳路由選擇，該節點選擇合適的固定節點進行通信，以完成移動目標的定位。

傳統的無線傳感器網絡中通常僅有一個匯聚節點，主要實現網內數據的匯聚于融合，并將處理后的數據傳輸至PC機處理，但是當網絡龐大，并且網內通信數據劇增時，這種單層架構容易造成信息內爆，在匯聚節點處造成網絡擁塞，同時鄰近匯聚節點的普通節點能耗較高(承載過多的路由任務)，導致網絡壽命降低。

本文提出了一種多層的WSN網絡架構，主要在每個巷道口都布置一個匯聚節點，這樣就減緩了單個sink節點的數據匯聚任務，減少網絡擁塞的概率，同時也較好的實現了節點的公平性問題，降低網絡延時。我們將井下WSN網絡分為三層:第一層為主終端服務器，主要通過Internet或者局域網接收各個子終端服務器傳輸的數據，同時在主服務器上實現井上信息管理系統;第二層為sink節點和PC機組成的子終端服務器，主要接受WSN網絡傳輸來的數據，并進行存儲和備份;第三層為普通節點和移動目標節點組成的WSN監測網絡，主要實現環境數據采集、人員定位跟蹤和數據轉發的功能。井下WSN網絡的具體拓撲結構如圖1所示，在巷道1中布設了大量WSN固定節點，實現對移動目標節點的定位與環境變量的采集。

2 井下無線傳感器網絡關鍵技術

2.1 基于移動目標的MAC層協議

由于WSN網絡的能量有限性，所以MAC層協議在WSN網絡占有較為重要的作用，主要實現網絡的能量有效利用，同時完成通信信道接入、擁塞控制、睡眠機制等功能。現有的WSN網絡MAC協議都是基于能耗問題進行提出的，典型的基于競爭的MAC協議，如S-MAC[5]、T-MAC[4]、Sift[1]、P-MAC[7]等，都是在基于降低能耗的基礎上來減少網絡延時，TRAMA[2]協議的信道分配機制則能自適應網絡流量，其不僅能夠保證能量效率，而且對帶寬利用率、延遲和公平性也有很好的支持。但是現有的大部分MAC協議都適用于靜態的WSN網絡，當有移動目標產生時，數據包碰撞概率增加，網絡延時呈線性增長。

Katayoun Sohrabi提出的EAR[3]算法是建立在網絡中存在少量移動節點的基礎上的，EAR算法利用BI、MI、MR、MD4中控制數據包實現與固定節點的通信，其基本流程圖2所示，其中固定節點周期廣播BI信號，當移動目標接收到BI信號后，比較其接收到BI信號的SNR值與現有的已經連接的固定節點的SNR值，若接收到的BI信號的SNR值大于現有的已經連接的固定節點的SNR值，則移動節點發送MI信號建立連接，同時，發送MD信號給原有節點斷開連接，釋放信道。固定節點接收到MI后發送MR控制包給移動節點告知鏈路成功建立，然后開始傳輸數據包。接收到的BI信號的SNR值小于現有的已經連接的固定節點的SNR值，則移動節點忽略BI信號。所以在移動節點中維護著一張SNR表，該表存儲著移動節點周圍固定節點的SNR值。

雖然EAR算法解決了移動節點與固定節點的動態通信問題，但是當網絡中移動節點增加時，其數據包碰撞概率依然很大，所以提出一種高效的基于移動目標的MAC協議是今后研究的重點。

2.2 基于移動目標的定位算法

WSN網絡是一種工作在2.4G頻段上的無線網絡，由于WSN節點資源有限，所以一種簡單的定位算法更適合WSN網絡。本文利用RSSI算法，實現對目標節點的實時定位。RSSI算法工作原理是已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度，計算出信號的傳播損耗，并且利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，在利用三邊定位算法計算出節點的位置。

其中路徑損失模型為:

(1)

其中Pt 和Pr(d)分別為節點發射功率和距離發射節點d處節點的接收功率;Gr、Gt分別是發射天線和接收天線的增益;d是距離;L為與傳播無關的系統損耗因子;λ是波長。

由(1)可得:

(2)

可見，在自由空間中，接收機功率隨發射機與接收機距離的平方衰減，通過測量接收信號的強度利用式(2)就能計算出收發節點間的距離。雖然基于RSSI的定位算法實現簡單，但是其精度較低，而且定位精度易受環境因素而變化，所以提出一種高精度、高魯棒性的定位算法是今后研究的重點。

3 小結

WSN技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用。在WSN技術的基礎上，提出了基于WSN協議的井下人員定位系統的設計方案，該體系更加適應井下環境惡劣、人員活動分散的特點。同時，本文創新性的提出了一種三層體系架構的井下WSN網絡，用于實現低功耗、低延時、高可靠度的井下人員定位網絡，在此基礎上對井下WSN網絡的關鍵技術進行了分析，提出了今后關鍵領域的研究重點。

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