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)點定位算法評價標準
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)[2]是當前國際上備受關(guān)注的,、涉及多學(xué)科高度交叉,、知識高度集成的前沿熱點研究領(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)和計算機技術(shù)有機結(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械系統(tǒng)MEMS(Micro Electromechanical System)等技術(shù)的不斷發(fā)展與進步,，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,，負責監(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)點定位算法評價標準
    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),，可以定位多少目標也是一個重要的評價指標,。
    (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,，還嚴重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴展性。
    (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,。
    以上幾個性能指標不僅是評價WSN定位算法的標準,，也是算法本身設(shè)計和優(yōu)化要實現(xiàn)的目標。
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)射信號強度,，接收節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度，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),，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,，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[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，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度，若接收到的信號強度在某一范圍內(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，不進行信息廣播,。由于對接收到的廣播信號強度進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)拓撲結(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)角度來對改進的有選擇轉(zhuǎn)化錨節(jié)點定位算法的性能進行仿真驗證。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到未進行錨節(jié)點選擇性轉(zhuǎn)換原始算法的效果。選距離錨節(jié)點最遠的定位節(jié)點進行轉(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)點間采用短信標通信,，而未知節(jié)點與錨節(jié)點間采用ANR限定下的長信標通信,，長信標通信開銷為短信標通信的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，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行及時營救方面提供幫助。
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