基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題的研究

1引言

Zigbee技術(shù)已日益受到重視。這種以低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低復(fù)雜度為顯著優(yōu)點(diǎn)的短距離無(wú)線通信協(xié)議，滿(mǎn)足了小型、低成本的同定、便攜或移動(dòng)設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的要求。由于Zigbee的收發(fā)模塊體積小，功耗低，很容易直接安放在設(shè)備或工作人員的器械上，而且它們使用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)。具有很好的抗十?dāng)_能力，能獲得更遠(yuǎn)的傳輸距離；此外，每個(gè)模塊都有接收強(qiáng)弱信號(hào)的指示功能(RSSI)，易于直接觀察網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)弱；用該技術(shù)建立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適合井下信息化管理系統(tǒng)的功能要求，通過(guò)使用覆蓋面積不同、功能不同的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可形成低成本的無(wú)線收發(fā)模塊，從而建立起一個(gè)適應(yīng)信息化管理系統(tǒng)的井下無(wú)線局部網(wǎng)絡(luò)．并隨時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布。所以，越來(lái)越多的應(yīng)用都已直接利用現(xiàn)成的Zigbee無(wú)線通訊模塊來(lái)測(cè)定節(jié)點(diǎn)位置。因此，在充分研究現(xiàn)有Zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要對(duì)Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的通信沖突和定位精度進(jìn)行分析，采用組團(tuán)協(xié)議，提出一種選取團(tuán)員的方法，使其更適合井下信息管理系統(tǒng)的要求。

2組團(tuán)協(xié)議

井下信息化管理系統(tǒng)的具體實(shí)施方法是。在坑道中每隔幾十米放置一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)礦工身上也都佩帶一個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)，礦工身上佩帶的節(jié)點(diǎn)和坑道中放置的節(jié)點(diǎn)可以自行組成一個(gè)大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在礦井入口處放置一個(gè)具有網(wǎng)關(guān)功能的節(jié)點(diǎn)作為Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)最后傳至監(jiān)控中心，從而全面了解礦井人員的安全狀況。

但是，由于主巷道、人車(chē)、采掘工作面等人員較為密集，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控工作人員的位置信息，必須通過(guò)定位算法知道未知節(jié)點(diǎn)的位置。要求信標(biāo)節(jié)點(diǎn)每隔一個(gè)不長(zhǎng)的時(shí)間就廣播一次位置信息。此時(shí)，未知位置節(jié)點(diǎn)就要與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次通信傳遞，以確認(rèn)信息并通過(guò)定位算法得到自己的位置信息，之后通過(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告自己的位置信息。如果兩個(gè)未知節(jié)點(diǎn)位置同時(shí)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信就會(huì)造成信號(hào)沖突。然而Zigbee通信的退避機(jī)制有效地避免了這一狀況，它會(huì)事先進(jìn)行沖突檢測(cè)，然后再發(fā)送信號(hào)。即使確實(shí)發(fā)生沖突，也有退避隨機(jī)時(shí)間重發(fā)的機(jī)制。不過(guò)如果未知節(jié)點(diǎn)位置的數(shù)量過(guò)多，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)位置同時(shí)向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置信息時(shí)，因一直都能檢測(cè)到?jīng)_突信號(hào)，故無(wú)法發(fā)送。而且有些節(jié)點(diǎn)，即使在退避了一段時(shí)間之后再一次重發(fā)也會(huì)發(fā)生沖突。同時(shí)信息不斷地重發(fā)也浪費(fèi)能量。最后終使網(wǎng)絡(luò)處于癱瘓狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行通信。為了避免通信沖突和增強(qiáng)系統(tǒng)的功能性，可采用不讓每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)位置都向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而只從中選出一個(gè)代表向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。即采用組團(tuán)協(xié)議解決這一問(wèn)題。

3組團(tuán)協(xié)議模型分析

組團(tuán)協(xié)議的原理是將空間上相鄰的一群未知節(jié)點(diǎn)位置自行組成一個(gè)個(gè)團(tuán)，并選出團(tuán)長(zhǎng)，推舉團(tuán)長(zhǎng)作為代表與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以減少未知位置節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的通信量，消除沖突問(wèn)題。圖1給出組團(tuán)協(xié)議模型。

它不僅可以在人員密集時(shí)工作，也應(yīng)能在人員稀疏的地方運(yùn)行。當(dāng)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)孤立的節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就是團(tuán)長(zhǎng)；如果有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，則要按照一定的算法選出一個(gè)團(tuán)長(zhǎng)，即并團(tuán)。如果有節(jié)點(diǎn)離開(kāi)時(shí)則要拆團(tuán)，變成兩個(gè)，甚至更多的團(tuán)。同時(shí)組團(tuán)時(shí)還應(yīng)考慮：

(1)單個(gè)節(jié)點(diǎn)也是團(tuán)長(zhǎng)。
(2)兩個(gè)或兩個(gè)以上的團(tuán)當(dāng)距離靠近時(shí)，要進(jìn)行并團(tuán)。為了減少?gòu)?fù)雜度，采用兩兩并團(tuán)的原則。
(3)團(tuán)長(zhǎng)的選取。將最先接收到信號(hào)的節(jié)點(diǎn)作為團(tuán)長(zhǎng)，并團(tuán)時(shí)最先接收信號(hào)的節(jié)點(diǎn)視為新團(tuán)長(zhǎng)。兩團(tuán)合并后，團(tuán)長(zhǎng)必須清楚新團(tuán)中的所有團(tuán)員的ID，而新團(tuán)的所有團(tuán)員必須知道新團(tuán)長(zhǎng)的ID。
(4)團(tuán)員的上限。應(yīng)當(dāng)對(duì)每個(gè)團(tuán)的團(tuán)員數(shù)做一個(gè)限定，例如限定30個(gè)團(tuán)員。這樣也就帶來(lái)了并團(tuán)的新問(wèn)題。所以，雖然團(tuán)員的上限是30，但存在一個(gè)過(guò)早飽和問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)辦法定出該過(guò)早飽和的上限，例如27人。當(dāng)一個(gè)團(tuán)的人數(shù)達(dá)到27人時(shí)，則認(rèn)為接近飽和。
(5)團(tuán)員的離開(kāi)。團(tuán)員離開(kāi)時(shí)，要進(jìn)行拆團(tuán)。當(dāng)有一個(gè)團(tuán)員離團(tuán)時(shí)，該團(tuán)員便成為單獨(dú)的團(tuán)長(zhǎng)。當(dāng)有幾個(gè)團(tuán)員同時(shí)離開(kāi)的時(shí)候，便視每個(gè)團(tuán)員為單獨(dú)的新團(tuán)長(zhǎng)，讓其自己重新并團(tuán)。并團(tuán)也是要解決的問(wèn)題，拆團(tuán)在某種程度上可轉(zhuǎn)化成并團(tuán)，使得協(xié)議的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠。
(6)節(jié)點(diǎn)的通信距離問(wèn)題。應(yīng)盡可能地減少通信次數(shù)，簡(jiǎn)化通信幀的結(jié)構(gòu)，爭(zhēng)取通過(guò)3次"握手"實(shí)現(xiàn)拼團(tuán)。

4組團(tuán)協(xié)議中團(tuán)員選擇的研究

團(tuán)長(zhǎng)的選取是將最先接收到信號(hào)的節(jié)點(diǎn)作為團(tuán)長(zhǎng)，并團(tuán)時(shí)則將最先接收信號(hào)的節(jié)點(diǎn)作為新團(tuán)長(zhǎng)。對(duì)于團(tuán)員的選擇，可通過(guò)與團(tuán)長(zhǎng)的RSSI相似度進(jìn)行選擇。若比團(tuán)長(zhǎng)的RSSI相似度高，則說(shuō)明兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的周?chē)h(huán)境相似，且位置相近，則成為團(tuán)員，把這樣的一些團(tuán)員組成一個(gè)團(tuán)。組團(tuán)以后。只有團(tuán)長(zhǎng)進(jìn)行定位計(jì)算，得到的佗置坐標(biāo)也為團(tuán)員的位置。這樣的選擇在一定程度上可提高定位精度。

4.1方案設(shè)計(jì)

接收信號(hào)的強(qiáng)度RSSI是傳感器節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)接收方一端的傳感器節(jié)點(diǎn)獲得通訊信號(hào)強(qiáng)度的一個(gè)量化值。RSSI值從客觀上能夠反映兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)周?chē)h(huán)境的相似情況。例如兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在空間上相距很近，而且周?chē)h(huán)境相似(溫度、濕度、障礙物等)，因此可能成為鄰居節(jié)點(diǎn)，而且接收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度RSSI也會(huì)接近。如圖2，傳感器節(jié)點(diǎn)A，B在空間距離上相距比較近，周?chē)闆r也較相似，因此從所有鄰居節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSSIA=[RA1，RA2，…，RAn]，RSSIB=[RB1，RB2，…，RBn]也都較為相似。

根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)A和B接收到的所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI值，可以獲得傳感器節(jié)點(diǎn)A，B之間的RSSI相似度。將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的RSSI向量作為輸入，RSSI相似度公式為：

再通過(guò)式(1)計(jì)算得到的值定義為兩節(jié)點(diǎn)之間的RSSI相似度。RSSI相似度能夠反映出傳感器節(jié)點(diǎn)間空間距離的相近程度和周?chē)h(huán)境的相似程度。兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間RSSI相似度越大，說(shuō)明兩節(jié)點(diǎn)在空間上越接近；反之越遙遠(yuǎn)。

4.2 RSSI相似度計(jì)算

假設(shè)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)布署了M個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中有N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶位置信息，作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，他們的位置信息分別是C1，C2，…，Cn，其中Ci(1≤i≤N)為已知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息。其余M-N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為未知位置節(jié)點(diǎn)。已知整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)為連通網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)未知位置節(jié)點(diǎn)的位置信息可單獨(dú)計(jì)算各自的位置信息。輸出結(jié)果為本地節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。定位開(kāi)始階段，每一個(gè)未知位置節(jié)點(diǎn)首先與最先接收到信號(hào)的節(jié)點(diǎn)A計(jì)算RSSI相似度。具體步驟是：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播自己的信號(hào)，所有的未知位置節(jié)點(diǎn)在收到信號(hào)強(qiáng)度后，為了節(jié)省能耗和網(wǎng)絡(luò)資源，并非所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，而是將自己接收到的其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值直接回復(fù)給最先接收到信號(hào)強(qiáng)度的節(jié)點(diǎn)A。節(jié)點(diǎn)A這時(shí)也獲得信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值向量，即RSSIA=[RA1，RA2，…，RAn](假設(shè)節(jié)點(diǎn)A有n個(gè)鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn))和鄰居節(jié)點(diǎn)收到的其他鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值矩陣為：

由于RSSI相似度可以反映兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中位置的相似程度，比如鄰居情況、空間距離、周?chē)h(huán)境等。式(1)表示的是兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的RSSI相似度。通過(guò)式(2)可算得：

節(jié)點(diǎn)A對(duì)所有鄰居節(jié)點(diǎn)的空間相似程度．此時(shí)得到的是一個(gè)相似度序列S。

4.3鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)K

節(jié)點(diǎn)的RSSI相似度反映了相近所有未知位置節(jié)點(diǎn)在空間上的差異程度。K的確定是使最先接收到信號(hào)的節(jié)點(diǎn)A和其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)式(2)得到與節(jié)點(diǎn)A的相似度。然后將獲得的相似度序列S進(jìn)行降序排序，得到序列S={S1，S2，S3，…，Sn}。由于節(jié)點(diǎn)的位置相對(duì)節(jié)點(diǎn)A是隨機(jī)的，以致相距A較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)A的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生較大的差值，導(dǎo)致RSSI相似度較小，所以相似度最大的前K個(gè)點(diǎn)的選擇直接影響了定位系統(tǒng)的精度?，F(xiàn)給出求得K值的步驟如下：

(1)構(gòu)造鄰居集合SetK；
(2)取序列S的前3個(gè)RSSI相似度S1，S2，S3加入到鄰居集合SetK中，并求得3個(gè)相似度最小差值△Smin；
(3)分別計(jì)算其余RSSI相似度Si(4≤i≤m-n)與S3的差值△Si，如果△Si≤△Smin，則將Si加入到鄰居集合Set K中；
(4)K=SetK中元素的個(gè)數(shù)。

通過(guò)選擇RSSI相似度和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)K，即可確定團(tuán)員。組團(tuán)后，只讓團(tuán)長(zhǎng)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信和定位計(jì)算，之后得到的位置坐標(biāo)為全體團(tuán)員的位置坐標(biāo)。計(jì)算結(jié)束后，作為團(tuán)長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)不再把定位結(jié)果發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)，而直接通過(guò)多跳路由傳給監(jiān)控中心，節(jié)省了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源和能源。

5結(jié)語(yǔ)

采用基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)了井下人員的定位。為保證系統(tǒng)的可靠性采用組團(tuán)協(xié)議，并著重提出了采用RSSI相似度和鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)K作為選擇團(tuán)員的方法。以解決人員分布密集的通訊壓力問(wèn)題，如井下人員上下班時(shí)的堆積問(wèn)題。此方法同時(shí)也提高了定位精度。