無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)通過在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)[1],，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)用優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)功耗,、無線帶寬、內(nèi)存和計(jì)算處理能力以及現(xiàn)實(shí)煤礦監(jiān)測(cè)環(huán)境,、傳感器節(jié)點(diǎn)布置等的局限,，如何實(shí)現(xiàn)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的高效性定位是一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點(diǎn)定位算法評(píng)價(jià)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(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)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(jì)算技術(shù),、分布式信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。微電子技術(shù),、計(jì)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(dòng)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(shí)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(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處理，最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn),。匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn),，負(fù)責(zé)監(jiān)控的工作人員通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)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?cái)?shù)據(jù),。
    由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有面向應(yīng)用的特點(diǎn),，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(diǎn)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(diǎn)的組成如圖1所示。

    被監(jiān)測(cè)的物理信號(hào)決定了傳感器的類型,。節(jié)點(diǎn)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(dú)立的控制器的數(shù)量與功能,、以及控制器與存儲(chǔ)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(chǔ)器)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,，使其與其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)定位算法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    傳感器網(wǎng)絡(luò)中,位置信息對(duì)其監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要,，事件發(fā)生的位置和獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)中所包含的重要信息,對(duì)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(diǎn)無線射程的比例來表示。
    (2)規(guī)模,。一個(gè)定位算法也許僅可以在某一特定區(qū)域內(nèi)實(shí)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(shí)間內(nèi),，可以定位多少目標(biāo)也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo),。
    (3)錨節(jié)點(diǎn)密度。錨節(jié)點(diǎn)(預(yù)先部署位置已知的節(jié)點(diǎn))定位通常依賴人工部署或GPS實(shí)現(xiàn),。人工部署錨節(jié)點(diǎn)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(diǎn)密度,。節(jié)點(diǎn)密度的增大不僅意味著部署成本的增加,，同時(shí)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的電池能量有限,，WSN的節(jié)點(diǎn)功耗直接影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的長短,。
    (6)綜合代價(jià)。具體到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,，定位算法的代價(jià)可從幾個(gè)不同方面綜合評(píng)價(jià)：時(shí)空代價(jià),，算法定位所需時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；資金代價(jià),，實(shí)現(xiàn)定位算法的基礎(chǔ)設(shè)施,、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總費(fèi)用。
    以上幾個(gè)性能指標(biāo)不僅是評(píng)價(jià)WSN定位算法的標(biāo)準(zhǔn),，也是算法本身設(shè)計(jì)和優(yōu)化要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法
2.1 基于錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多的算法
    目前提出的傳感器節(jié)點(diǎn)定位算法[6-7]有很多。在多跳環(huán)境中,，RSSI(Received Signal Strength Indication）[8]測(cè)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(cè)距算法的原理是：已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度,，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用無線電傳播理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鞑p耗轉(zhuǎn)化為距離,。其優(yōu)勢(shì)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(diǎn)PIT(Point-in-triangulation Test)測(cè)試,，PIT測(cè)試主要用來測(cè)試一個(gè)節(jié)點(diǎn)是在其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部,。假如存在一個(gè)方向，沿著這個(gè)方向某點(diǎn)會(huì)同時(shí)遠(yuǎn)離或者同時(shí)接近3個(gè)點(diǎn),，則這個(gè)點(diǎn)位于三點(diǎn)組成的三角形外,。DV-HOP定位算法原理是[10]：每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)都計(jì)算平均單跳長度，未知節(jié)點(diǎn)利用平均單跳長度來估計(jì)多跳距離,，然后利用多邊交叉實(shí)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(gè)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位控制信號(hào)(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(diǎn)(錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn))接收,，隨后接收到該信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)再廣播所測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度,；通過這種方式，每一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)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(jì)值。
2.2 基于錨節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能直接與幾個(gè)錨節(jié)點(diǎn)直接通信來確定自身的位置,，對(duì)錨節(jié)點(diǎn)的依賴性較強(qiáng),，而錨節(jié)點(diǎn)通常依賴人工部署,，且錨節(jié)點(diǎn)的成本比普通節(jié)點(diǎn)要高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。為了解決錨節(jié)點(diǎn)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(diǎn)向錨節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位,，其具體過程如下：首先錨節(jié)點(diǎn)廣播自身的位置信息，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的錨節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的位置信息是未知的,，1,、3、5,、6為錨節(jié)點(diǎn),。由于2、4兩節(jié)點(diǎn)都有三個(gè)鄰節(jié)點(diǎn),，根據(jù)圖中節(jié)點(diǎn)之間的5條邊,，可以列出5個(gè)方程進(jìn)行求解，以此確定2,、4節(jié)點(diǎn)的位置,。在2、4節(jié)點(diǎn)的位置確定以后,，利用共享節(jié)點(diǎn)的思想就可以為其他節(jié)點(diǎn)提供定位服務(wù),。

    共享節(jié)點(diǎn)的思想[2]通過增加共享節(jié)點(diǎn)不斷地將共享節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)，以此來幫助更多的未知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位,，任何未知節(jié)點(diǎn)一旦確定了位置,，立即實(shí)現(xiàn)信息資源共享，成為共享節(jié)點(diǎn),，進(jìn)而像錨節(jié)點(diǎn)一樣執(zhí)行信息廣播,。從數(shù)學(xué)角度講，共享節(jié)點(diǎn)思想是通過不斷迭代來實(shí)現(xiàn)位置未知節(jié)點(diǎn)的定位,。從通信角度講,，共享節(jié)點(diǎn)思想通過增加廣播源為未知節(jié)點(diǎn)定位提供更多的定位信息。在實(shí)際應(yīng)用中,，該思想在提高錨節(jié)點(diǎn)密度的同時(shí),，也增加了通信開銷與能量消耗，進(jìn)而降低了整個(gè)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(jià)，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(diǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)化定位算法
    根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法的評(píng)價(jià)指標(biāo),，有選擇地將共享節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)是一個(gè)值得研究的問題。在解決節(jié)點(diǎn)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(jià),；另一方面也要考慮到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。能量高效的錨節(jié)點(diǎn)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(jià)有選擇性地將共享節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn),，被選出的共享節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)之后,，進(jìn)行位置信息廣播，其他已定位節(jié)點(diǎn)則不需廣播定位信息,，該算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示,。

    對(duì)于可轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)的共享節(jié)點(diǎn)的選擇是本文關(guān)注的重點(diǎn)。改進(jìn)的共享節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)算法描述如下：檢測(cè)定位區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)位置廣播信息之后,，判斷是否是已定位節(jié)點(diǎn),。如果節(jié)點(diǎn)沒有定位，則計(jì)算自己的位置,，并進(jìn)行是否要執(zhí)行位置廣播的評(píng)估（因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)節(jié)點(diǎn)在位置確定以后都有信息廣播的必要）,。評(píng)估過程為：首先判斷接收到的定位信息的信號(hào)強(qiáng)度，若接收到的信號(hào)強(qiáng)度在某一范圍內(nèi),，則繼續(xù)檢查節(jié)點(diǎn)剩余電量,，若剩余電量也符合要求，才進(jìn)行信息廣播,，即實(shí)施錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化,。否則將視為普通節(jié)點(diǎn)跳過錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化，不進(jìn)行信息廣播,。由于對(duì)接收到的廣播信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估實(shí)際上就是對(duì)物理距離的評(píng)估,，且評(píng)估判斷包含在ROCRSSI算法之中，所以本評(píng)估過程不需要額外耗費(fèi)能量[11],，在綜合考慮節(jié)點(diǎn)能量和位置因素的基礎(chǔ)上,，選出某一共享節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)，該錨節(jié)點(diǎn)才進(jìn)行信息廣播,，其他節(jié)點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)[12]對(duì)能量高效的錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化定位算法的性能進(jìn)行了驗(yàn)證[4]。根據(jù)煤礦監(jiān)測(cè)環(huán)境實(shí)際應(yīng)用的需要,，將傳感器節(jié)點(diǎn)分為兩類：一類是撒在礦井地面位置固定的傳感器節(jié)點(diǎn),；另一類是穿戴在礦工身上或運(yùn)輸工具上的移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)。兩類傳感器節(jié)點(diǎn)均包括瓦斯?jié)舛葯z測(cè)與溫濕度檢測(cè)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(diǎn),，再采用已有的有線方式將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(gè)需定位的節(jié)點(diǎn),，選擇較小的ANR(Anchor to Node Range Ratio),。
4.1 定位算法可行性驗(yàn)證
   首先從定位精度與規(guī)模兩個(gè)基礎(chǔ)角度來對(duì)改進(jìn)的有選擇轉(zhuǎn)化錨節(jié)點(diǎn)定位算法的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在ANR=5%的情況下,，分別對(duì)原始和共享節(jié)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)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(diǎn)選擇性轉(zhuǎn)換原始算法的效果。選距離錨節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的節(jié)點(diǎn),，符合實(shí)際礦井監(jiān)測(cè)環(huán)境中錨節(jié)點(diǎn)較少的實(shí)際情況,。

4.2 網(wǎng)絡(luò)平均壽命分析
　下面對(duì)改進(jìn)的有選擇轉(zhuǎn)化錨節(jié)點(diǎn)定位算法的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命做一個(gè)評(píng)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(diǎn)的轉(zhuǎn)化算法之后，整個(gè)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(diǎn)轉(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)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(gè)動(dòng)態(tài)疊加的過程,，取出典型的改進(jìn)的高能效錨節(jié)點(diǎn)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(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)中原有M個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和N個(gè)未知節(jié)點(diǎn)(M<<N),，最后選取n個(gè)共享節(jié)點(diǎn)(n<<N),，僅錨節(jié)點(diǎn)才廣播定位控制信息。假定未知節(jié)點(diǎn)間采用短信標(biāo)通信,，而未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在轉(zhuǎn)換為共享節(jié)點(diǎn)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(hào)量為a(M)&times;ANR2&times;a(n),，可見n越小，通信信號(hào)量越小,。所以改進(jìn)算法的網(wǎng)絡(luò)通信開銷與能耗相對(duì)較低,，這有利于延長整個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)的壽命。
    設(shè)計(jì)合理易于實(shí)現(xiàn)且優(yōu)化的WSN節(jié)點(diǎn)定位算法是需要長期研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題,。本文在共享節(jié)點(diǎn)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(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位，算法在保證較小定位誤差和較大覆蓋率的同時(shí),，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(duì)煤礦監(jiān)測(cè)環(huán)境中傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)的特點(diǎn),，進(jìn)行了探索驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件的限制,，對(duì)于節(jié)點(diǎn)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(duì)工礦人員進(jìn)行及時(shí)營救方面提供幫助,。
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