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――張治斌  徐小玲  閻連龍

目的

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,我國對煤炭的需求量逐年增加,然而我國煤炭開采的安全狀況不容樂觀,特別是瓦斯爆炸事故不斷發(fā)生。傳統(tǒng)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)主要采用有線網(wǎng)絡的連接方式,但是有線傳輸方式在時間和空間上都受到很大約束。因此，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設計。

方法

　　通過將系統(tǒng)采用固定節(jié)點和移動人員節(jié)點相結(jié)合的方式，完成井下人員數(shù)據(jù)采集和傳輸。其中，人員定位方法一直是研究的重點。根據(jù)對常有無線傳感器網(wǎng)絡定位方法的分析，采用RSSI定位方法與非測距定位算法中的質(zhì)心定位算法相結(jié)合的方法以適合井下大規(guī)模低能耗的無線傳感器網(wǎng)絡。算法主要分為三個部分：1.分析信號傳播模型和煤礦內(nèi)部環(huán)境，采用屏蔽模型來進行描述煤礦安全監(jiān)測布局中無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間傳輸。并通過實際測量來確定屏蔽模型中的參數(shù)設置。2.RSSI測距數(shù)據(jù)，通過采用CC2430中的RSSI測定功能，分析環(huán)境中多徑效應、節(jié)點自身增益等對RSSI值參數(shù)的影響，采用matlab多項式擬合方式來確定RSSI與距離之間的關系。3.未知節(jié)點與錨節(jié)點之間距離的校正。計算未知節(jié)點與固定錨節(jié)點的距離時, 以固定錨節(jié)點對之間的距離和測量的RSSI值作為參考, 考慮固定錨節(jié)點之間的距離和信號強度信息對固定錨節(jié)點的權(quán)值進行校正, 從而提高算法的精度。4.改進加權(quán)質(zhì)心算法。首先將未知節(jié)點接收到的所有固定錨節(jié)點的RSSI值進行分析排序, 采用RSSI值大的前幾個錨節(jié)點進行節(jié)點定位計算。體現(xiàn)出距離未知節(jié)點距離近的錨節(jié)點的權(quán)值大, 其誤差會比較小，而距離未知節(jié)點距離遠的錨節(jié)點的權(quán)重小, 其誤差會比較大, 顯然這樣選擇加權(quán)因子能體現(xiàn)各個錨節(jié)點對于未知節(jié)點的決定權(quán)的大小, 其約束力符合加權(quán)質(zhì)心算法的要求。

結(jié)果

　　采用Matlab進行定位仿真, 檢驗算法性能.首先采用一個30 m×40 m的區(qū)域內(nèi)進行仿真.將錨節(jié)點坐標定為4個頂點, 在這個區(qū)域內(nèi),任取格點(10, 10), (10, 20), (10,30), (20, 10), (20, 20), (20, 30)為未知節(jié)點的位置, 進行定位計算. 當錨節(jié)點個數(shù)不變時, 質(zhì)心算法對不同位置的未知節(jié)點定位誤差影響較大, 而改進后的算法有更好的定位精度。其次, 通過固定一個未知節(jié)點位置為(20, 20)和增加的錨節(jié)點的個數(shù)來檢測基于RSSI檢驗的加權(quán)質(zhì)心算法與加權(quán)質(zhì)心算法的定位誤差.實驗結(jié)果可以看出, 基于RSSI檢驗的加權(quán)質(zhì)心算法的定位誤差低于加權(quán)質(zhì)心算法的定位誤差, 當錨節(jié)點個數(shù)大于2個時, 節(jié)點位置誤差低于5 m, 因此, 在實際測量中, 一般要求未知節(jié)點至少能與3個節(jié)點保持通信, 從而提高定位精度.在實驗過程中, 可以固定兩錨節(jié)點例如(0, 0), (40, 30), 移動兩錨節(jié)點(0, 30), (40, 0), 錨節(jié)點的位置由矩形向鋸齒型再到直線的變化過程中, 計算未知節(jié)點定位誤差, 可知定位誤差逐漸增加.因此在定位精度允許的范圍內(nèi), 可以將錨節(jié)點位置布置成直線形式, 從而降低錨節(jié)點的數(shù)量。

結(jié)論

　　根據(jù)目標定位中的低成本、低通信開銷、高準確度的要求, 提出基于RSSI檢驗的加權(quán)質(zhì)心定位方法。它綜合了基于測距的定位和非測距的定位, 克服了定位算法對硬件的額外需求和通信開銷大的缺點, 提高了定位精度。