Signal Process & System
摘要: 超宽带技术作为一种新型短距离无线通信方式, 其所采用的纳秒级窄脉冲具有许多传统正弦载波无 法比拟的优势.基于超宽带技术本身具有的特性,将其与无线传感器网络技术相结合,可以广泛应用于煤 矿井下环境, 通过无线传感器网络节点定位实现安全监测. 本文主要介绍了无线传感器网络节点定位基本 原理和算法,提出适合煤矿井下环境的定位算法,并且在传统的测距定位方法基础上进行改进.仿真结果 表明,改进的定位算法有效的提高了节点定位精度和定位性能. 关键词:超宽带;无线传感器网络;定位;煤矿安全监测 中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1006-883X(2010)02-0035-04
王岩 邬春明
金炳旭
一,引言 对煤矿井下环境和工作人员的活动进行监测是十分必要的,在煤矿安全监测中需要知道采集的数据信息 所对应的具体位置,才能及时采取措施防止事故发生;同时,事故发生后,如何准确判定井下生产作业人员 的受困位置,遇险人员撤退路线,井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案,这对事故的救援是十 分重要的.将无线传感器网络应用于煤矿监控系统中,通过各种传感器实时采集矿井的环境信息,采用无线 通信方式传输将信息传输到井外的监控终端,从而对井下走廊中任何位置的矿工或设备进行实时定位.但是, 矿井内无线电波传播模式使用正弦载波通信会受到衰减, 衍射,多径和散射现象影响. 因此,本文提出将 基于超宽带的无线传感器网络作为一种潜在方法,在井下复杂环境中进行寻找和定位工人及设备位置[1]. 使用超宽带(Ultra Wide Band, UWB)技术进行通信能有效减小节点体积和功耗,对多径具有较高分辨能 力,具有很高的数据传输能力,使之非常适合于煤矿井下这种复杂的多径环境中;此外井下环境中很难使用 GPS 定位,UWB 技术为井下定位和跟踪服务提供了一种有效手段. 考虑上述优势,提出将 UWB 无线传感 器网络用于煤矿井下监测系统[2][3].
(x1,y1)
二,超宽带无线传感器网络节点定位基本原理 传感器节点定位过程中,未知节点在获得对于邻近锚节 点的距离后,通常使用三边测量法,三角测量法和最大似然 估计法这三种方法估算自己的位置,大多数定位算法都是以 这三种方法为基础的. 三边测量法如图 1 所示,空心圆点代表未知节点,当无 线传感器网络中有 n ( n ≥ 3 )个节点时,它们的坐标分别是
d1
d2
(x2 , y2 )
(x, y)
d3
LL LL
dn
(x1 , y1 ), (x2 y2 ), (x3 y3 )L (xn , yn ) ;它们到未知节点的距离分别 是: d 1, d 2 , d 3 L , d n ,设未知节点的坐标为 (x, y ) [4].
( x3 , y3 )
( xn y n )
图 1 三边测量法示意图
2010.02 SensorWorld
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三角测量法也称为信号到达角度法(AOA)或方位测量定 位法.该方法是通过未知节点接收器天线或天线阵列测出信 标节点发射电波的入射角,从而构成一根从未知节点到信标 节点的径向连线,即方位线.在二维平面中,利用两个或更 多信标节点的 AOA 测量值, 按照 AOA 定位算法确定多条方 位线的交点, 即可计算出未知 节点的估计位置, 如图 2 所示
[5]
三,基于 RSSI 超宽带无线传感器网络定位算法 无线传感器网络节点在组网之后, 网络开始进入未知节 点的测距定位阶段,在该阶段中网络中的信标节点需要依次 广播定位数据帧,未知节点通过接收到的 RSSI 测距并判断 自身到信标节点的距离,同时执行定位算法来求出未知节点 的坐标[7].
y
C
. 极大似然估计法基本思
θ2
B
θ1
1,RSSI 定位算法介绍
A
基于 RSSI 的测距方案是通过测量接收到的信号强度,采 用适当的电波的传输模型对目标节点的位置进行判断的一种 测距方法.此方法关键是通过测得的信号的衰减程度来估计
想是假如一个节点可以获得 足够多的信息来形成一个由 多个方程式组成并拥有唯一 解的超限制条件或限制条件 完整的系统, 那么就可以同时
x
图 2 三角测量法示意图

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