李永新， 趙振民， 李雅蓮

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027;3.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 哈爾濱分公司，哈爾濱 150001)

煤礦井下基于RSSI校正測距的WSN節(jié)點定位算法

李永新1，2， 趙振民1， 李雅蓮3

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027;3.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 哈爾濱分公司，哈爾濱 150001)

針對煤礦井下人員及設(shè)備定位監(jiān)控嚴重不足的情況，提出了基于RSSI校正測距的WSN節(jié)點定位技術(shù)。模擬井下環(huán)境，使用協(xié)議分析儀Packed Sniffer嗅探節(jié)點接收RSSI值，以確定環(huán)境參數(shù);采用高斯理論模型過濾RSSI值，利用對數(shù)－正態(tài)分布理論模型計算距離;最后應(yīng)用改進的三邊質(zhì)心定位算法求得未知節(jié)點坐標。RSSI校正測距定位與CC2431定位引擎定位的誤差對比表明，文中所提算法的定位性能較好。該研究為井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

三邊質(zhì)心定位算法;RSSI校正測距;對數(shù)－正態(tài)分布模型;高斯理論模型

0 引言

煤礦安全生產(chǎn)問題日益得到重視，但發(fā)生重大災(zāi)難性事故時，整個救援仍處于被動局勢，其主要原因是不能準確獲取被困人員位置信息。井下環(huán)境復(fù)雜，難以實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)定位，且經(jīng)濟投入較高［1］。因此，煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)順勢而生，成為科學(xué)研究與工程實踐領(lǐng)域的熱點和重點問題。目前，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究較多，如:基于測距的定位技術(shù)(RSSI、TOA和TDOA等)和基于非測距的定位技術(shù)(質(zhì)心、DV－h(huán)op和Amorphous等)［2］。但還沒有一種方法可以適用于所有環(huán)境。所以，文中從煤礦井下應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)，研究了煤礦井下基于RSSI校正測距的三邊質(zhì)心定位技術(shù)。

1 煤礦定位系統(tǒng)

煤礦定位系統(tǒng)是集軟硬件設(shè)計于一體的綜合自動化系統(tǒng)，由井上網(wǎng)絡(luò)和井下網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。井下巷道分布ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有設(shè)備安裝施工簡單、布置靈活等優(yōu)點;直井和井上等長距離數(shù)據(jù)傳輸可采用光纖網(wǎng)絡(luò)［3］。文中主要研究井下定位系統(tǒng)問題。

圖1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Location system architecture

煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)定位過程通常包括兩個步驟:一是確定盲節(jié)點(未知位置)到參考節(jié)點(已知位置)的距離或方位;二是使用某種位置計算方法計算未知節(jié)點坐標。節(jié)點位置計算方法包括:三邊測量法、三角測量法和極大似然法等［4］。因煤礦井下巷道總體呈狹長特點，文中采用適用于封閉環(huán)境，實現(xiàn)簡單，且工程實踐應(yīng)用較多的基于RSSI測距的三邊測量定位技術(shù)。

2 井下WSN節(jié)點定位算法

2.1 RSSI測距理論模型

其中，PR為接收信號功率;PT為發(fā)送信號功率;r為收發(fā)節(jié)點間距離;n為信號傳播因子，其數(shù)值大小取決于無線信號傳播環(huán)境。

假設(shè)已知存在兩個接收節(jié)點，距離發(fā)射節(jié)點分別為d和d0m，則有

令PLd、PLd0分別為無線信號傳播距離為d和d0時的路徑損耗，xσ是均值為0的高斯分布隨機變量。則可得出RSSI無線信號傳播路徑損耗模型，即對數(shù)－正態(tài)分布模型:

此時，若設(shè)RSSI為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點接收功率PR，則有PT－PR=PLd－xσ，由Pd0=PTPLd0可得

2.2 RSSI校正測距理論模型

經(jīng)實驗測量可知，參考節(jié)點接收到盲節(jié)點發(fā)出的RSSI值中，部分偏離實際值較多，且為小概率事件。若直接求平均值，并代入公式求解距離誤差較大。所以，文中采用高斯校正理論模型，過濾小概率事件，選取高概率發(fā)生區(qū)的RSSI值，使接收信號強度指示值RSSI服從高斯分布，即PR～N(μ，σ2)。高斯分布密度函數(shù)和方差為:

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，選0.6為臨界值，若使正態(tài)分布密度函數(shù)［5］

則認為該事件是高概率事件。

2.3 改進的井下定位算法

三邊測量法(Tri1ateration)以坐標為A(xa，ya)、B(xb，yb)、C(xc，yc)的三個參考節(jié)點為圓心，以各參考節(jié)點到未知盲節(jié)點O(x，y)的距離(da，db和dc)為半徑畫出三個圓，在理論情況下，三圓交點即為待定位盲節(jié)點位置坐標［6］:

最終可得到待定位節(jié)點O的位置坐標:

在此基礎(chǔ)上，為了得到較好的定位精度，在實現(xiàn)過程中對三邊定位方法進行改進和優(yōu)化組合［7］。由RSSI無線信號傳播路徑損耗理論模型(1)可知，RSSI與對應(yīng)距離間成反比。且由于環(huán)境因素造成信號在傳播過程中損耗過多，使測得相應(yīng)距離值變大，產(chǎn)生誤差。即，da、db和dc的測量值與實際距離有差別，則三圓只會相交于包含該未知節(jié)點的一個區(qū)域，如圖2所示。

圖2 三邊質(zhì)心定位模型Fig.2 Trilateral-centroid localization model

所以，文中在使用三邊測距定位基礎(chǔ)上，再結(jié)合一種非測距定位技術(shù)——質(zhì)心算法［8］，多邊形頂點橫縱坐標的平均值即為質(zhì)心，其表達式為

在實際應(yīng)用過程中，由式(2)可求得三圓兩兩相交后，各自有兩個交點，則最終選取離未知節(jié)點O(x，y)最近的三個交點A'(xbc，ybc)、B'(xac，yac)、C'(xab，yab)組成三角形。再求三角形區(qū)域質(zhì)心，即為盲節(jié)點位置坐標值。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)確定

由式(1)可知，若使用RSSI無線信號傳播路徑損耗模型進行測距，則必須知道隨環(huán)境變化的參數(shù)Pd0(d0=1 m)和n。

3.1.1 實驗平臺建立

受煤礦井下本質(zhì)防爆問題的限制，文中實驗均在類似于煤礦井下巷道環(huán)境的實驗室走廊中進行。走廊長50 m，寬2.2 m，高度近3 m。

搭建基于CC2430/CC2431片上系統(tǒng)［9］(SOC)的ZigBee定位開發(fā)實驗平臺。該平臺硬件系統(tǒng)包括:4個CC2430參考節(jié)點;1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點;1個盲節(jié)點CC2431;1個CC2430/CC2431仿真器，可以與ZigBee協(xié)議分析儀軟件Packed Sniffer配合使用。部分模塊如圖3所示。

圖3 定位開發(fā)實驗平臺Fig.3 Positioning experimental platform

3.1.2 環(huán)境參數(shù)確定及節(jié)點布置

由具體工程實踐可知，Pd0(1 m處接收信號強度)的取值范圍多在－30～－55 dBmW，n多在1～8，不同的應(yīng)用環(huán)境兩個參數(shù)的取值不同［6］。

(1)確定參數(shù)Pd0。在實驗環(huán)境中，使用ZigBee無線數(shù)據(jù)包嗅探器分析和解碼信息包［3］，可以直接顯示出每個接收到的數(shù)據(jù)包結(jié)尾處的RSSI值。

由于節(jié)點自身和外界因素的影響，使得每次測量的RSSI結(jié)果會有微弱差異，所以需經(jīng)多次測量求平均值。實現(xiàn)方法:以點O(接收節(jié)點)為圓心，1 m為半徑畫圓，在圓周上取E1～E12不同位置放置發(fā)射節(jié)點，發(fā)射節(jié)點依次或通過競爭機制獲取信道，發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收節(jié)點將記錄每個信息包對應(yīng)的RSSI值，再取平均值定為Pd0。經(jīng)過計算，該環(huán)境下Pd0為－50.083 3 dBmW。

(2)確定參數(shù)n。沿走廊直線方向，從接收節(jié)點O位置開始，每隔1 m放置一次無線傳感器發(fā)射節(jié)點，定義為di(i=1，2，…，40)。每放置一次，通過ZigBee無線數(shù)據(jù)包嗅探器，獲得該位置接收到的RSSI值，結(jié)果見表1。

表1 實驗室走廊環(huán)境距離－RSSI數(shù)據(jù)Table 1 Distance－RSSI data in laboratory corridor environment

當d0=1 m，Pd0=－50.083 3 dBmW時，由式(1)可求出經(jīng)過40次測量之后，n的輸出曲線(圖4)，n的平均值為2.082 8。

圖4 實驗室走廊環(huán)境參數(shù)nFig.4 Environment parameter n of laboratory corridor

基于RSSI無線信號傳播路徑損耗理論模型，使用Matlab編程計算并顯示出不同Pd0和n的取值狀態(tài)下，RSSI值與傳輸距離d在實驗室走廊這種特定環(huán)境中的內(nèi)在關(guān)系，如圖5和6所示。

圖5 參數(shù)n變化RSSI衰減曲線Fig.5 RSSI decay curves based on different parameter n

已知環(huán)境參數(shù)Pd0、n和表1數(shù)據(jù)，可得RSSI與d的關(guān)系曲線(圖7)。由圖7可以看出，RSSI實際測值同樣隨著d的增加而衰減。超過15 m，RSSI衰減趨勢逐漸變緩。所以，在該實驗環(huán)境中排列參考節(jié)點間的距離應(yīng)該在15 m左右，因為15 m以內(nèi)隨著距離的增加RSSI值衰減明顯，由此測量得到的距離誤差明顯降低。

圖6 參數(shù)Pd0變化RSSI衰減曲線Fig.6 RSSI decay curves based on different parameter Pd0

圖7 RSSI衰減曲線Fig.7 RSSI decay curves

3.2 RSSI測距

(1)節(jié)點布置。按實驗室走廊環(huán)境建立平面直角坐標系，四個參考節(jié)點坐標為:q1(0，0);q2(0，2.2);q3(15，0);q4(15，2.2)。盲節(jié)點從坐標(1，0.8)開始沿走廊直線方向移動，每次移動1 m(i= 1，2，…，15)，縱坐標始終確定為0.8 m。

(2)嗅探RSSI值。使用協(xié)議分析儀軟件Packet Sniffer嗅探每個位置的盲節(jié)點到參考節(jié)點的RSSI值;且每個位置RSSI值記錄8次。

(3)高斯濾波。使用高斯濾波理論模型把嗅探到的RSSI數(shù)據(jù)進行高斯過濾，去掉偏離實際值較大的小概率事件［8］。并把符合要求的RSSI值代入對數(shù)－正態(tài)分布模型，每移動一次盲節(jié)點q，均可得到盲節(jié)點到每個參考節(jié)點間的距離(表2)。

表2 盲節(jié)點到qi的濾波校正dTable 2 Filter correction d record of blind node to qi /m

3.3 性能分析

把環(huán)境參數(shù)Pd0、n和d(表2)代入三邊質(zhì)心定位理論模型，即可得到盲節(jié)點q在每個位置上的測量坐標值，記為q(xq，yq)，而實際坐標值記為q(x，y)，并把測量坐標和實際坐標之間的線段長度記為基于RSSI校正測距的三邊質(zhì)心定位算法的測量誤差e1。如表3所示。

表3 校正RSSI坐標值和定位誤差Table 3 Coordinate data and localization error based on corrected RSSI /m

為了驗證三邊質(zhì)心定位算法的效果，將實驗開發(fā)平臺CC2431定位引擎定位和RSSI校正測距的三邊質(zhì)心定位的性能作對比，如圖8所示。由圖8可見，提出算法的誤差均小于0.4 m，算法的定位性能明顯優(yōu)越于CC2431定位引擎定位性能。即三邊質(zhì)心定位算法能夠準確實現(xiàn)井下環(huán)境節(jié)點定位。且與DV－h(huán)op、Amorphous等定位技術(shù)相比，基于RSSI校正測距的三邊質(zhì)心定位算法復(fù)雜度低、更簡單可行。

圖8 兩種方法定位誤差對比Fig.8 Two methods positioning error comparison

4 結(jié)束語

文中主要針對煤礦井下特定環(huán)境，運用CC2430/CC2431定位開發(fā)實驗平臺，研究了基于RSSI校正測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三邊質(zhì)心定位技術(shù)。在研究過程中，著重討論了對數(shù)－正態(tài)分布理論模型、高斯濾波理論模型和三邊質(zhì)心定位技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)，通過Packed Sniffer嗅探器，結(jié)合實驗環(huán)境，實現(xiàn)未知節(jié)點的準確定位。并通過與CC2431定位引擎的定位誤差相比較，可知該技術(shù)具有實現(xiàn)簡單，定位準確性好的特點。該研究可為煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的理論借鑒。

［1］王李管，曾慶田，賈明濤.數(shù)字礦山整體實施方案及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.采礦技術(shù)，2006，6(3):493－498.

［2］唐 宏，謝 靜，魯玉芳，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［3］吳功宜，吳 英.計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程自頂向下分析與設(shè)計方法［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［4］孫利民，李建中，陳 渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［5］章堅武，張 璐，應(yīng) 瑛，等.基于ZigBee的RSSI測距研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2009，22(2):285－288.

［6］楊 超，栗科峰，苗鵬豪.CC2431無線定位系統(tǒng)及改進［J］.南陽理工學(xué)院學(xué)報，2009，1(3):33－35.

［7］RAGHAVENDRA C S，SIVALINGAM K M，ZNATI T.Wireless sensor networks［M］.Boston(MA，USA):Kluwer Academe Publishers，2004.

［8］劉艷文.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［9］孔慶臣，李永新，張廣蘭，等.SOPC大規(guī)模可編程專用集成電路的快速開發(fā)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11 (2):8－10.

WSN node location algorithm based on RSSI correction ranging in underground coal mine

LI Yongxin1，2，ZHAO Zhenmin1，LI Yalian3
(1.College of Electric＆Information Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China; 2.College of Computer＆Information Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China;
3.Harbin Branch，China United Network Communication Company Limited，Harbin 150001，China)

Aimed at addressing the serious shortage of positioning and monitoring of staff or equipment in the underground coal mine，this paper proposes WSN node location algorithm based on the RSSI correction ranging.The process consists of firstly simulating environment of the underground coal mine and determining the environment parameters by receiving RSSI value using Protocol analyzer，Packed Sniffer，secondly，filtering out the RSSI value by Gaussian theory model and calculating the distance using logarithm-normal distribution model，and finally calculating a blind node coordinates by the trilateral-centroid localization algorithm.The comparison the positioning error between the range-base correction RSSI and CC2431 positioning engine proves a better positioning performance for the localization algorithm.The research provides a better reference for designing WSN positioning system in the underground coal mine.

trilateral-centroid localization algorithm;RSSI correction ranging;logarithm-normal distribution model;Gaussian theory model

signal strength indicator，RSSI)是一種成本和復(fù)雜度均較低的實用測距技術(shù)。主要通過發(fā)射功率(發(fā)射節(jié)點)和接收功率(接收節(jié)點)計算出無線信號傳播路徑損耗，再使用成熟的經(jīng)驗或理論模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)距離。文中研究使用的是“對數(shù)－正態(tài)分布模型”。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無線信號的發(fā)射功率與接收功率間存在如下關(guān)系［5］:

TP393.03

A

1671－0118(2012)02－0172－05

2012－02－15

黑龍江省教育廳研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2011－172HLJ);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(11551443)

李永新(1976－)，男，遼寧省錦州人，副教授，碩士，研究方向:計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能控制，E-mail:lyxemail@163.com。

(編輯王 冬)