基于Zigbee無(wú)線(xiàn)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、低數據傳輸速率、低復雜度為顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)的短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，滿(mǎn)足了小型、低成本的同定、便攜或移動(dòng)設備無(wú)線(xiàn)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備或工作人員的器械上，而且它們使用的是直序擴頻技術(shù)。具有很好的抗十擾能力，能獲得更遠的傳輸距離；此外，每個(gè)模塊都有接收強弱信號的指示功能(RSSI)，易于直接觀(guān)察網(wǎng)絡(luò )信號的強弱；用該技術(shù)建立的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適合井下信息化管理系統的功能要求，通過(guò)使用覆蓋面積不同、功能不同的Zigbee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，可形成低成本的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，從而建立起一個(gè)適應信息化管理系統的井下無(wú)線(xiàn)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)越多的應用都已直接利用現成的Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊模塊來(lái)測定節點(diǎn)位置。因此，在充分研究現有Zigbee技術(shù)的基礎上，主要對Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位系統的通信沖突和定位精度進(jìn)行分析，采用組團協(xié)議，提出一種選取團員的方法，使其更適合井下信息管理系統的要求。

2組團協(xié)議

井下信息化管理系統的具體實(shí)施方法是。在坑道中每隔幾十米放置一個(gè)傳感器節點(diǎn)，每個(gè)礦工身上也都佩帶一個(gè)這樣的節點(diǎn)，礦工身上佩帶的節點(diǎn)和坑道中放置的節點(diǎn)可以自行組成一個(gè)大規模的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。在礦井入口處放置一個(gè)具有網(wǎng)關(guān)功能的節點(diǎn)作為Sink節點(diǎn)，Sink節點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò )與Internet等外部網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時(shí)發(fā)布監測中心的監測任務(wù)，并把收集的數據最后傳至監控中心，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)監控工作人員的位置信息，必須通過(guò)定位算法知道未知節點(diǎn)的位置。要求信標節點(diǎn)每隔一個(gè)不長(cháng)的時(shí)間就廣播一次位置信息。此時(shí)，未知位置節點(diǎn)就要與信標節點(diǎn)進(jìn)行一次通信傳遞，以確認信息并通過(guò)定位算法得到自己的位置信息，之后通過(guò)信標節點(diǎn)向監控中心報告自己的位置信息。如果兩個(gè)未知節點(diǎn)位置同時(shí)與信標節點(diǎn)進(jìn)行通信就會(huì )造成信號沖突。然而Zigbee通信的退避機制有效地避免了這一狀況，它會(huì )事先進(jìn)行沖突檢測，然后再發(fā)送信號。即使確實(shí)發(fā)生沖突，也有退避隨機時(shí)間重發(fā)的機制。不過(guò)如果未知節點(diǎn)位置的數量過(guò)多，當未知節點(diǎn)位置同時(shí)向信標節點(diǎn)發(fā)送位置信息時(shí)，因一直都能檢測到?jīng)_突信號，故無(wú)法發(fā)送。而且有些節點(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系統的功能性，可采用不讓每個(gè)未知節點(diǎn)位置都向信標節點(diǎn)發(fā)送信息，而只從中選出一個(gè)代表向信標節點(diǎn)發(fā)送信息。即采用組團協(xié)議解決這一問(wèn)題。

3組團協(xié)議模型分析

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

它不僅可以在人員密集時(shí)工作，也應能在人員稀疏的地方運行。當節點(diǎn)是一個(gè)孤立的節點(diǎn)時(shí)，該節點(diǎn)就是團長(cháng)；如果有節點(diǎn)加入時(shí)，則要按照一定的算法選出一個(gè)團長(cháng)，即并團。如果有節點(diǎn)離開(kāi)時(shí)則要拆團，變成兩個(gè)，甚至更多的團。同時(shí)組團時(shí)還應考慮：

(1)單個(gè)節點(diǎn)也是團長(cháng)。
(2)兩個(gè)或兩個(gè)以上的團當距離靠近時(shí)，要進(jìn)行并團。為了減少復雜度，采用兩兩并團的原則。
(3)團長(cháng)的選取。將最先接收到信號的節點(diǎn)作為團長(cháng)，并團時(shí)最先接收信號的節點(diǎn)視為新團長(cháng)。兩團合并后，團長(cháng)必須清楚新團中的所有團員的ID，而新團的所有團員必須知道新團長(cháng)的ID。
(4)團員的上限。應當對每個(gè)團的團員數做一個(gè)限定，例如限定30個(gè)團員。這樣也就帶來(lái)了并團的新問(wèn)題。所以，雖然團員的上限是30，但存在一個(gè)過(guò)早飽和問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)數學(xué)辦法定出該過(guò)早飽和的上限，例如27人。當一個(gè)團的人數達到27人時(shí)，則認為接近飽和。
(5)團員的離開(kāi)。團員離開(kāi)時(shí)，要進(jìn)行拆團。當有一個(gè)團員離團時(shí)，該團員便成為單獨的團長(cháng)。當有幾個(gè)團員同時(shí)離開(kāi)的時(shí)候，便視每個(gè)團員為單獨的新團長(cháng)，讓其自己重新并團。并團也是要解決的問(wèn)題，拆團在某種程度上可轉化成并團，使得協(xié)議的實(shí)現簡(jiǎn)單可靠。
(6)節點(diǎn)的通信距離問(wèn)題。應盡可能地減少通信次數，簡(jiǎn)化通信幀的結構，爭取通過(guò)3次握手實(shí)現拼團。

4組團協(xié)議中團員選擇的研究

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

4.1方案設計

接收信號的強度RSSI是傳感器節點(diǎn)間通信時(shí)接收方一端的傳感器節點(diǎn)獲得通訊信號強度的一個(gè)量化值。RSSI值從客觀(guān)上能夠反映兩個(gè)傳感器節點(diǎn)周?chē)h(huán)境的相似情況。例如兩個(gè)傳感器節點(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點(diǎn)，而且接收到的信標節點(diǎn)信號強度RSSI也會(huì )接近。如圖2，傳感器節點(diǎn)A，B在空間距離上相距比較近，周?chē)闆r也較相似，因此從所有鄰居節點(diǎn)接收到的信號強度RSSIA=[RA1，RA2，…，RAn]，RSSIB=[RB1，RB2，…，RBn]也都較為相似。