1引言

Zigbee技術已日益受到重視。這種以低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低復雜度為顯著優(yōu)點的短距離無線通信協(xié)議，滿足了小型、低成本的同定、便攜或移動設備無線聯(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備或工作人員的器械上，而且它們使用的是直序擴頻技術。具有很好的抗十擾能力，能獲得更遠的傳輸距離；此外，每個模塊都有接收強弱信號的指示功能(RSSI)，易于直接觀察網(wǎng)絡信號的強弱；用該技術建立的無線網(wǎng)絡適合井下信息化管理系統(tǒng)的功能要求，通過使用覆蓋面積不同、功能不同的Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點，可形成低成本的無線收發(fā)模塊，從而建立起一個適應信息化管理系統(tǒng)的井下無線局部網(wǎng)絡．并隨時掌握井下人員的動態(tài)分布。所以，越來越多的應用都已直接利用現(xiàn)成的Zigbee無線通訊模塊來測定節(jié)點位置。因此，在充分研究現(xiàn)有Zigbee技術的基礎上，主要對Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)的通信沖突和定位精度進行分析，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(tǒng)的要求。

2組團協(xié)議

井下信息化管理系統(tǒng)的具體實施方法是。在坑道中每隔幾十米放置一個傳感器節(jié)點，每個礦工身上也都佩帶一個這樣的節(jié)點，礦工身上佩帶的節(jié)點和坑道中放置的節(jié)點可以自行組成一個大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡。在礦井入口處放置一個具有網(wǎng)關功能的節(jié)點作為Sink節(jié)點，Sink節(jié)點連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布監(jiān)測中心的監(jiān)測任務，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、采掘工作面等人員較為密集，為了實時監(jiān)控工作人員的位置信息，必須通過定位算法知道未知節(jié)點的位置。要求信標節(jié)點每隔一個不長的時間就廣播一次位置信息。此時，未知位置節(jié)點就要與信標節(jié)點進行一次通信傳遞，以確認信息并通過定位算法得到自己的位置信息，之后通過信標節(jié)點向監(jiān)控中心報告自己的位置信息。如果兩個未知節(jié)點位置同時與信標節(jié)點進行通信就會造成信號沖突。然而Zigbee通信的退避機制有效地避免了這一狀況，它會事先進行沖突檢測，然后再發(fā)送信號。即使確實發(fā)生沖突，也有退避隨機時間重發(fā)的機制。不過如果未知節(jié)點位置的數(shù)量過多，當未知節(jié)點位置同時向信標節(jié)點發(fā)送位置信息時，因一直都能檢測到?jīng)_突信號，故無法發(fā)送。而且有些節(jié)點，即使在退避了一段時間之后再一次重發(fā)也會發(fā)生沖突。同時信息不斷地重發(fā)也浪費能量。最后終使網(wǎng)絡處于癱瘓狀態(tài)，無法進行通信。為了避免通信沖突和增強系統(tǒng)的功能性，可采用不讓每個未知節(jié)點位置都向信標節(jié)點發(fā)送信息，而只從中選出一個代表向信標節(jié)點發(fā)送信息。即采用組團協(xié)議解決這一問題。

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(jié)點位置自行組成一個個團，并選出團長，推舉團長作為代表與信標節(jié)點進行通信，以減少未知位置節(jié)點與信標節(jié)點之間的通信量，消除沖突問題。圖1給出組團協(xié)議模型。

它不僅可以在人員密集時工作，也應能在人員稀疏的地方運行。當節(jié)點是一個孤立的節(jié)點時，該節(jié)點就是團長；如果有節(jié)點加入時，則要按照一定的算法選出一個團長，即并團。如果有節(jié)點離開時則要拆團，變成兩個，甚至更多的團。同時組團時還應考慮：

(1)單個節(jié)點也是團長。
(2)兩個或兩個以上的團當距離靠近時，要進行并團。為了減少復雜度，采用兩兩并團的原則。
(3)團長的選取。將最先接收到信號的節(jié)點作為團長，并團時最先接收信號的節(jié)點視為新團長。兩團合并后，團長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的ID。
(4)團員的上限。應當對每個團的團員數(shù)做一個限定，例如限定30個團員。這樣也就帶來了并團的新問題。所以，雖然團員的上限是30，但存在一個過早飽和問題?？梢酝ㄟ^數(shù)學辦法定出該過早飽和的上限，例如27人。當一個團的人數(shù)達到27人時，則認為接近飽和。
(5)團員的離開。團員離開時，要進行拆團。當有一個團員離團時，該團員便成為單獨的團長。當有幾個團員同時離開的時候，便視每個團員為單獨的新團長，讓其自己重新并團。并團也是要解決的問題，拆團在某種程度上可轉化成并團，使得協(xié)議的實現(xiàn)簡單可靠。
(6)節(jié)點的通信距離問題。應盡可能地減少通信次數(shù)，簡化通信幀的結構，爭取通過3次"握手"實現(xiàn)拼團。

4組團協(xié)議中團員選擇的研究

團長的選取是將最先接收到信號的節(jié)點作為團長，并團時則將最先接收信號的節(jié)點作為新團長。對于團員的選擇，可通過與團長的RSSI相似度進行選擇。若比團長的RSSI相似度高，則說明兩個傳感器節(jié)點的周圍環(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團。組團以后。只有團長進行定位計算，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(jié)點間通信時接收方一端的傳感器節(jié)點獲得通訊信號強度的一個量化值。RSSI值從客觀上能夠反映兩個傳感器節(jié)點周圍環(huán)境的相似情況。例如兩個傳感器節(jié)點在空間上相距很近，而且周圍環(huán)境相似(溫度、濕度、障礙物等)，因此可能成為鄰居節(jié)點，而且接收到的信標節(jié)點信號強度RSSI也會接近。如圖2，傳感器節(jié)點A，B在空間距離上相距比較近，周圍情況也較相似，因此從所有鄰居節(jié)點接收到的信號強度RSSIA=[RA1，RA2，…，RAn]，RSSIB=[RB1，RB2，…，RBn]也都較為相似。

根據(jù)傳感器節(jié)點A和B接收到的所有信標節(jié)點的接收信號強度RSSI值，可以獲得傳感器節(jié)點A，B之間的RSSI相似度。將兩個節(jié)點收到的RSSI向量作為輸入，RSSI相似度公式為：

再通過式(1)計算得到的值定義為兩節(jié)點之間的RSSI相似度。RSSI相似度能夠反映出傳感器節(jié)點間空間距離的相近程度和周圍環(huán)境的相似程度。兩個傳感器節(jié)點間RSSI相似度越大，說明兩節(jié)點在空間上越接近；反之越遙遠。

4.2 RSSI相似度計算

假設在無線傳感器網(wǎng)絡中隨機布署了M個傳感器節(jié)點，其中有N個傳感器節(jié)點攜帶位置信息，作為信標節(jié)點，他們的位置信息分別是C1，C2，…，Cn，其中Ci(1≤i≤N)為已知信標節(jié)點位置信息。其余M-N個傳感器節(jié)點作為未知位置節(jié)點。已知整個傳感器網(wǎng)絡為連通網(wǎng)絡，根據(jù)未知位置節(jié)點的位置信息可單獨計算各自的位置信息。輸出結果為本地節(jié)點的估計位置。定位開始階段，每一個未知位置節(jié)點首先與最先接收到信號的節(jié)點A計算RSSI相似度。具體步驟是：信標節(jié)點向整個傳感器網(wǎng)絡中廣播自己的信號，所有的未知位置節(jié)點在收到信號強度后，為了節(jié)省能耗和網(wǎng)絡資源，并非所有節(jié)點進行定位計算，而是將自己接收到的其他信標節(jié)點的RSSI值直接回復給最先接收到信號強度的節(jié)點A。節(jié)點A這時也獲得信標節(jié)點的RSSI值向量，即RSSIA=[RA1，RA2，…，RAn](假設節(jié)點A有n個鄰居信標節(jié)點)和鄰居節(jié)點收到的其他鄰居信標節(jié)點的RSSI值矩陣為：

由于RSSI相似度可以反映兩個節(jié)點在整個網(wǎng)絡中位置的相似程度，比如鄰居情況、空間距離、周圍環(huán)境等。式(1)表示的是兩個傳感器節(jié)點的RSSI相似度。通過式(2)可算得：

節(jié)點A對所有鄰居節(jié)點的空間相似程度．此時得到的是一個相似度序列S。

4.3鄰居節(jié)點數(shù)K

節(jié)點的RSSI相似度反映了相近所有未知位置節(jié)點在空間上的差異程度。K的確定是使最先接收到信號的節(jié)點A和其他節(jié)點通過式(2)得到與節(jié)點A的相似度。然后將獲得的相似度序列S進行降序排序，得到序列S={S1，S2，S3，…，Sn}。由于節(jié)點的位置相對節(jié)點A是隨機的，以致相距A較遠的節(jié)點與節(jié)點A的場強會產(chǎn)生較大的差值，導致RSSI相似度較小，所以相似度最大的前K個點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)構造鄰居集合SetK；
(2)取序列S的前3個RSSI相似度S1，S2，S3加入到鄰居集合SetK中，并求得3個相似度最小差值△Smin；
(3)分別計算其余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中元素的個數(shù)。

通過選擇RSSI相似度和鄰居節(jié)點數(shù)K，即可確定團員。組團后，只讓團長與信標節(jié)點進行通信和定位計算，之后得到的位置坐標為全體團員的位置坐標。計算結束后，作為團長的節(jié)點不再把定位結果發(fā)送給鄰居節(jié)點，而直接通過多跳路由傳給監(jiān)控中心，節(jié)省了整個網(wǎng)絡的帶寬資源和能源。

5結語

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