無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)是21世紀信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱(計算機、通信和傳感器)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛的學科交叉性以及明確的應(yīng)用性和實踐性技術(shù)特征，使得WSN技術(shù)在學術(shù)界和應(yīng)用領(lǐng)域均受到了廣泛的關(guān)注。由于WSN網(wǎng)絡(luò)的自組織性、高魯棒性，使得WSN技術(shù)在目標跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、智能家居、醫(yī)療健康等方面有著良好的應(yīng)用前景。該文利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本體系架構(gòu)，在井下惡劣多變的環(huán)境下實現(xiàn)人員定位跟蹤，同時對井下WSN的關(guān)鍵技術(shù)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(gòu)。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(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(fā)生往往具有突發(fā)性和不可確定性的特點，一旦煤礦發(fā)生事故，如何快速有效地獲取相關(guān)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(fā)生后準確判斷井下被困人員的具體位置，再結(jié)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(zāi)后救援的成功率。所以在井下安全系統(tǒng)中實現(xiàn)人員定位將會滿足煤礦安全生產(chǎn)需求。

現(xiàn)有應(yīng)用于井下定位的技術(shù)主要有:1)基于GPS的人員定位系統(tǒng)， 該技術(shù)是運用衛(wèi)星通訊技術(shù)實現(xiàn)移動目標定位，但是GPS對使用環(huán)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(nèi)時，定位精度和可用性大大降低，如在水下，礦井下等惡劣環(huán)境中;2)基于紅外(IR)信號的井下人員定位技術(shù)，該技術(shù)也是利用固定在移動目標上的紅外發(fā)射器向探測器發(fā)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(shè)密度，進而導致系統(tǒng)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(jié)點定位在探測器附近的區(qū)域，定位精度也比較低;3)基于RFID技術(shù)的井下人員定位技術(shù)。該技術(shù)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(shù)據(jù)讀入讀卡器中，實現(xiàn)人員定位。但是RFID技術(shù)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(tǒng)的情況，而且讀卡器價格都比較貴，一般RFID技術(shù)都只應(yīng)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(shù)。該技術(shù)是利用大量布置在井下的傳感器節(jié)點與攜帶著移動人員身上的傳感器節(jié)點通信，利用一定算法實現(xiàn)目標定位。WSN網(wǎng)絡(luò)布設(shè)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(jié)點易失效，節(jié)點數(shù)量大，能量有限等特點，這就要求相應(yīng)的算法具有高魯棒性，低能耗和高網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性，同時適應(yīng)于井下的惡劣環(huán)境。

由于WSN良好的實踐性技術(shù)特征，基于其定位技術(shù)的應(yīng)用研究也受到了國內(nèi)外研究人員的重點關(guān)注，在礦井信息化系統(tǒng)中，實現(xiàn)WSN在煤礦井下的應(yīng)用也是一個重要的方面。從當前研究來看，WSN技術(shù)在煤礦井下的可適用性已經(jīng)取得了普遍認同，但由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境和自然環(huán)境的特殊性，使得WSN定位技術(shù)在井下的應(yīng)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(huán)境的適應(yīng)性、WSN系統(tǒng)的布設(shè)、通信鏈路的建立和動態(tài)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(yīng)用關(guān)注的焦點，在這方面開展前瞻性的研究工作對于一些應(yīng)用基礎(chǔ)問題的解決具有重要的意義。

1 井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)建立

在礦井人員定位系統(tǒng)中包括井下WSN網(wǎng)絡(luò)和井上信息管理系統(tǒng)，本文主要研究井下WSN網(wǎng)絡(luò)。井下WSN網(wǎng)絡(luò)由大量的WSN節(jié)點隨機散布組成，由于井下環(huán)境復雜多變，節(jié)點易失效，所以在井下系統(tǒng)中節(jié)點布設(shè)冗余度較大。根據(jù)WSN節(jié)點實現(xiàn)功能的不同，可將布設(shè)于巷道邊的WSN節(jié)點分為三類:1)匯聚節(jié)點(sink節(jié)點)，多跳傳輸?shù)慕K端節(jié)點，將普通節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚至該節(jié)點，一般來說該節(jié)點不受硬件和能耗的限制;2)普通固定節(jié)點，收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并作為多跳路由的終端節(jié)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(jié)點，一般攜帶在入井人員身上作為目標節(jié)點，該節(jié)點本身也具有收集環(huán)境數(shù)據(jù)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(jié)點選擇合適的固定節(jié)點進行通信，以完成移動目標的定位。

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常僅有一個匯聚節(jié)點，主要實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的匯聚于融合，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至PC機處理，但是當網(wǎng)絡(luò)龐大，并且網(wǎng)內(nèi)通信數(shù)據(jù)劇增時，這種單層架構(gòu)容易造成信息內(nèi)爆，在匯聚節(jié)點處造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，同時鄰近匯聚節(jié)點的普通節(jié)點能耗較高(承載過多的路由任務(wù))，導致網(wǎng)絡(luò)壽命降低。

本文提出了一種多層的WSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要在每個巷道口都布置一個匯聚節(jié)點，這樣就減緩了單個sink節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚任務(wù)，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率，同時也較好的實現(xiàn)了節(jié)點的公平性問題，降低網(wǎng)絡(luò)延時。我們將井下WSN網(wǎng)絡(luò)分為三層:第一層為主終端服務(wù)器，主要通過Internet或者局域網(wǎng)接收各個子終端服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，同時在主服務(wù)器上實現(xiàn)井上信息管理系統(tǒng);第二層為sink節(jié)點和PC機組成的子終端服務(wù)器，主要接受WSN網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)，并進行存儲和備份;第三層為普通節(jié)點和移動目標節(jié)點組成的WSN監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，主要實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、人員定位跟蹤和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。井下WSN網(wǎng)絡(luò)的具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，在巷道1中布設(shè)了大量WSN固定節(jié)點，實現(xiàn)對移動目標節(jié)點的定位與環(huán)境變量的采集。

2 井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于移動目標的MAC層協(xié)議

由于WSN網(wǎng)絡(luò)的能量有限性，所以MAC層協(xié)議在WSN網(wǎng)絡(luò)占有較為重要的作用，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)有的WSN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議都是基于能耗問題進行提出的，典型的基于競爭的MAC協(xié)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(chǔ)上來減少網(wǎng)絡(luò)延時，TRAMA[2]協(xié)議的信道分配機制則能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)有的大部分MAC協(xié)議都適用于靜態(tài)的WSN網(wǎng)絡(luò)，當有移動目標產(chǎn)生時，數(shù)據(jù)包碰撞概率增加，網(wǎng)絡(luò)延時呈線性增長。

Katayoun Sohrabi提出的EAR[3]算法是建立在網(wǎng)絡(luò)中存在少量移動節(jié)點的基礎(chǔ)上的，EAR算法利用BI、MI、MR、MD4中控制數(shù)據(jù)包實現(xiàn)與固定節(jié)點的通信，其基本流程圖2所示，其中固定節(jié)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(xiàn)有的已經(jīng)連接的固定節(jié)點的SNR值，若接收到的BI信號的SNR值大于現(xiàn)有的已經(jīng)連接的固定節(jié)點的SNR值，則移動節(jié)點發(fā)送MI信號建立連接，同時，發(fā)送MD信號給原有節(jié)點斷開連接，釋放信道。固定節(jié)點接收到MI后發(fā)送MR控制包給移動節(jié)點告知鏈路成功建立，然后開始傳輸數(shù)據(jù)包。接收到的BI信號的SNR值小于現(xiàn)有的已經(jīng)連接的固定節(jié)點的SNR值，則移動節(jié)點忽略BI信號。所以在移動節(jié)點中維護著一張SNR表，該表存儲著移動節(jié)點周圍固定節(jié)點的SNR值。

雖然EAR算法解決了移動節(jié)點與固定節(jié)點的動態(tài)通信問題，但是當網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點增加時，其數(shù)據(jù)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(xié)議是今后研究的重點。

2.2 基于移動目標的定位算法

WSN網(wǎng)絡(luò)是一種工作在2.4G頻段上的無線網(wǎng)絡(luò)，由于WSN節(jié)點資源有限，所以一種簡單的定位算法更適合WSN網(wǎng)絡(luò)。本文利用RSSI算法，實現(xiàn)對目標節(jié)點的實時定位。RSSI算法工作原理是已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)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(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，在利用三邊定位算法計算出節(jié)點的位置。

其中路徑損失模型為:

(1)

其中Pt 和Pr(d)分別為節(jié)點發(fā)射功率和距離發(fā)射節(jié)點d處節(jié)點的接收功率;Gr、Gt分別是發(fā)射天線和接收天線的增益;d是距離;L為與傳播無關(guān)的系統(tǒng)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(fā)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(fā)節(jié)點間的距離。雖然基于RSSI的定位算法實現(xiàn)簡單，但是其精度較低，而且定位精度易受環(huán)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(jié)

WSN技術(shù)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(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用。在WSN技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于WSN協(xié)議的井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計方案，該體系更加適應(yīng)井下環(huán)境惡劣、人員活動分散的特點。同時，本文創(chuàng)新性的提出了一種三層體系架構(gòu)的井下WSN網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)低功耗、低延時、高可靠度的井下人員定位網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上對井下WSN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，提出了今后關(guān)鍵領(lǐng)域的研究重點。

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