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1、煤矿井下无线传感器网络节点三维定位算法摘要:现有煤矿无线传感器网络节点定位存在定位精度差、功耗高等问题，提出一种基于信标节点规则部署的煤矿井下无线传感器网络节点三维定位算法，依据井下巷道特征成对部署信标节点，在定位估算时先将信标节点投影到与未知节点同一高度的水平面，再利用三边测量法进行平面定位，然后结合未知节点与信标节点的高度差即可实现三维定位。理论分析和仿真结果表明，该算法具有计算量小、通信量小、定位精度较高以及稳定性较好等特点。关键词:无线传感器网络；煤矿；三维定位；定位精度；能耗；稳定性3d localization algorithm for wireless sensor netwo
2、rks in underground coal minezhu xiao.juan1*, wang jun.hao1, meng xiang.rui21. school of computer science and engineering, anhui university of science and technology, huainan anhui 232001, china; 2. school of energy and safety, anhui university of science and technology, huainan anhui 232001, chinaab
3、stract:most existing algorithms for wireless sensor networks localization in underground coal mine have low accuracy and high cost problems. a novel 3d localization algorithm is proposed for underground coal mine based on the beacon nodes regular deployment. first, the beacon nodes is deployed accor
4、ding to the characters of the underground tunnel , second, the beacon nodes and unknown node are projected onto the same high level when location estimation, third, 2d position is calculated by trilateration ,at last the 3d position is obtained by means of combining with the height difference betwee
5、n unknown nodes and beacon nodes .theoretical analysis and simulation results show that the algorithm has less calculation, low communication, higher positioning accuracy and good stability characters.most of the existing algorithms for wireless sensor networks (wsn) localization in underground coal
6、 mine have problems of low accuracy and high cost. a new 3d localization algorithm was proposed for underground coal mine based on the regular deployment of beacon nodes. first, the beacon nodes were deployed according to the characteristics of the underground tunnel; second, the beacon nodes and un
7、known node were projected onto the same high level while doing location estimation; third, 2d position was calculated by trilateration; at last the 3d position was obtained by means of combining the height difference between unknown nodes and beacon nodes. the theoretical analysis and simulation res
8、ults show that the algorithm is of less calculation, low communication, higher positioning accuracy and good stability.key words:wireless sensor networks (wsn); coal mine; 3d localization; positioning accuracy; energy consumption; stability0引言无线传感器网络已被应用于煤矿井下人员定位、环境监测和机电装备状态检测与定位中，由传感器采集到的数据在不知道相应位置
9、信息的状况下，往往是没有意义的。因此探讨牢靠好用的煤矿井下无线传感器网络节点定位算法，不仅能进行较为精确的监控，当矿难发生时还能够供应位置信息便于刚好绽开救援，对煤矿的平安生产有着重要的现实意义。在煤矿井下定位算法的相关探讨领域，很多的节点定位算法已被提出。文献1提出了一种信标节点链式部署结构下的动态接收信号强度指示(received signal strength indication,rssi)测距算法,计算巷道内实际环境下的路径衰落指数,以提高rssi测距算法对环境的适应性；文献2提出了基于rssi的对角差分修正定位算法，利用差分原理对测量距离进行修正，从而改善了定位精度；文献3将rss
10、i测距法与切球球心法相结合，提出了接收信号强度指示与切球球心法混合定位算法(rssi and sphere centre mixed localization，rsm)；文献4提出了一种基于球面坐标的动态定位机制,将定位问题抽象为多元线性方程组求解问题；文献5将井下巷道网络分割成多个以网关为中心的分布式定位单元，当移动节点经过定位单元时，首先计算其在局部定位单元内的位置坐标，并将该位置信息通过多跳传递给网关，再由网关传送到井上计算机，由井上计算机通过坐标变换计算出该节点在井下巷道网络的三维位置坐标。文献1-2是对基于rssi测距定位算法的一些改进，克服rssi在井下受环境影响大的缺点，提高了定
11、位的精度，但都只局限于二维空间定位。煤矿井下的无线传感器网络是部署在三维空间的，三维空间定位与二维平面定位相比，环境因素更加困难，增加了定位难度。文献3-4是一种建立在立体坐标系的三维定位算法，须要四个信标节点协助定位，计算量较大，当进行定位求精时进一步增大了计算量。另外信标数量的增加也将导致测距误差的累积从而影响全局的定位误差。文献5提出的定位算法增加了网关旁边的通信压力，会造成网关旁边的节点生命周期的快速耗尽。现有探讨表明11-12，传感器节点的能量消耗主要发生在通信模块上，因此文献5提出的定位方法在通信能耗的缺点不容忽视。本文提出了一种基于信标节点规则部署的煤矿井下无线传感器网络节点三维
12、定位算法(3d localization based on beacon nodes regular deployment in underground coal mine,3dl.rd)。本算法结合煤矿井下巷道的特点规则放置信标节点，定位时先将信标节点投影到与未知节点同一高度的水平面，利用三边测量法(trilateration)6计算未知节点在投影平面的坐标，然后结合其与信标节点的高度差即可实现井下未知节点的三维定位。理论分析和仿真结果均表明，本算法具有计算量小、通信量小、定位精度好以及稳定性好等特点。1相关原理未知节点在通过rssi获得距离的估计之后，可采纳三边测量法来估算自己的位置。三边
13、测量法的原理如图1所示。假设节点a,b,c坐标已知，分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3);节点u的坐标未知，设为(x,y)；与节点a,b,c的距离分别是d1,d2,d3。那么式(1)6成立：(xxi)2+(yyi)2=d2i; i=1,2,3(1)可求解出未知节点的坐标为：因此运用式(2)计算二维平面下未知节点坐标所花费的时间为3t,而利用式(4)计算三维空间下未知节点的坐标所花费的时间则为(3t+)4。其中是用来对这些22行列式进行乘法、加法和减法计算时带来的额外开销。为了提高定位精度，通常还须要更多的信标节点，用这些信标节点的组合或组合的子集进行定位，定位结果最终取其平均值
14、。通过分析可以看出三维空间下利用四个非共面的信标节点对未知节点进行定位所需计算量远远大于在二维平面下三个信标节点协助定位的计算量。2煤矿井下无线传感器网络节点三维定位算法通常对三维空间里的未知节点进行定位时都是利用四个非共面的信标节点来协助定位。本文提出的3dl.rd算法，通过规则放置信标节点，计算时将三维空间转化成二维平面，利用三边测量法就可以估计出未知节点的平面坐标；再结合信标节点与未知节点的高度差就可实现三维空间里的未知节点定位。与现有的三维定位算法相比具有计算量小、通信量小、定位精度好以及稳定性好等特点。2.1算法原理本文提出的3dl.rd算法应用于煤矿井下巷道的节点定位，煤矿井下巷道
15、基本上是狭长型，顶部多存在微弧形或者侧面存在少许的凹凸，可近似地考虑成长方体15。信标节点部署在长方体的棱边上且成对放置，即每对信标节点的x,y轴坐标相同，只有z轴坐标不同，如图2所示。图片图2巷道内信标节点的放置规则将成对信标节点记为ai(xi,yi,zi)和ai(xi,yi,zi)。假设未知节点s的坐标为(x,y,z)，3个信标节点对的坐标分别为a1 (x1 ,y1 ,z1 ),a1 (x1 ,y1 ,z1 ),a2 (x2 ,y2 ,z2 ),a2 (x2 ,y2 ,z2 ),a3(x3,y3,z3),a3(x3,y3,z3)通过坐标投影，可以将信标节点投影到与未知节点s同一高度的水平面
16、上，得到3个新的信标节点坐标即a1(x1,y1,z),a2(x2,y2,z),a3(x3,y3,z)，然后利用三边测量法即可得到未知节点的平面坐标。如图3所示，h代表未知节点到巷道地面的高度；d1,d2分别表示未知节点到信标节点a1,a1的距离；r1,r2,r3分别表示将信标节点投影到同一平面后，未知节点与投影节点a1、a2、a3的距离；角度表示投影平面与sa1的夹角。可将信标节点a1(x1,y1,z1)投影到与未知节点同一高度的横截面上，得到a1(x1,y1,z)，则有：其中z是已知数，代表每对信标节点z轴坐标差即巷道的高度。利用同样方法可求出r2,r3。已知r1,r2,r3，运用式(2)即可求出未知节点的x,y轴坐标。同时得出未知节点的z轴坐标z=z1+h，综合以上，即可得到未知节点s的坐标s(x,y,z)。3dl.rd算法的基本步骤如下。步骤1信标节点以固定的放射功率周期性地发送
