基于無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統技術方案

一種基于無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統。本系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡，部署在地面的中心交換機和安全監控和信息管理網絡；該系統的定位方法如下：把巷道劃分為多個連續不重疊的長邊相等的矩形定位單元并不對稱的部署參考節點，記錄每個矩形定位單元的信息，參考節點利用其他相鄰參考節點的周期廣播信號更新參考節點數據包中的對應參數，移動節點對參考節點數據包過濾、排序并記錄相鄰的移動節點ID，利用參考節點數據包、記錄的相鄰的移動節點ID和數據庫中的信息，通過計算、排序和比較大小實現移動節點的定位。本實用新型專利技術定位精度高、成本低、系統結構簡單、功耗低，滿足煤礦井下特定的使用環境和安全要求。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種定位系統，具體的講，是涉及一種基于無線傳感器網絡(ffirelesssensor network)的煤礦井下一維定位系統。
技術介紹
煤炭是我國的主要能源，約占一次能源的70%，在我國95%以上的煤礦是井下人工開采。由于地質條件復雜、開采科學技術水平較低、管理不善等原因，導致我國煤礦安全事故頻發，造成的生命財產及社會影響是難以估量的，嚴重制約著我國煤炭行業的健康發展，因此有必要研究適合于井下的人員定位系統，這對于提高生產效率、保障井下人員的安全、災后及時搶救具有重要的意義。我國煤礦井下是一個特殊的受限環境，它是由各種縱橫交錯、形狀不同、長短不一的巷道組成，其長度可達幾十到上百公里。而且礦井巷道空間狹小，無線信號在巷道內存在大量的反射、衍射、散射以及投射現象，設備功率需滿足井下防爆的要求；同時由于巷道相對封閉，不能借助GPS等地面已有的衛星定位來輔助井下定位。由此可見，地面成熟的定位方法和系統無法直接用在井下。我國現有的井下人員定位系統大多是采用基于RFID (Radio FrequencyIdentification)射頻識別技術的定位系統。中國專利申請01122258. I公開了一種井下人員智能定位安全管理系統，它由電子識別卡、巷道詢問接收裝置和管理調度中心構成。井下工作人員佩戴電子識別卡，識別卡寫入員工的電子編號，由礦燈電瓶供電，當識別卡收到巷道詢問接收裝置的詢問信號后，應答發射井下工作人員的編號信號，巷道詢問接收裝置收到應達的信號傳送給管理調度中心，管理調度中心記錄該信號和發生的時間。通過多點定位接收可以對井下工作人員進行跟蹤定位，但是該專利技術只能確定井下工作人員的位置在詢問裝置的接收范圍內，而一般的井下無線通信距離都為幾十米的數量級，所以該定位系統的定位精度也是幾十米的數量級，定位精度很低。另一方面，多目標同時識別能力不強，也易出現卡間的相互干擾。因此現有的定位系統無法滿足井下人員位置情況精確實時掌握的要求。無線傳感器網絡是由大量具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能的無線傳感器節點協同組織起來，通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織網絡系統。和傳統的網絡相比，無線傳感器網絡具有以下特點(I)動態性網絡的拓撲結構可能因為很多因素的改變而變化，比如環境因素、新節點的加入和離開或已有的節點失效等；(2)自組織無線傳感器網路的動態性，要求傳感器節點需要具有自組織的能力，能夠自行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成能夠轉發數據的多跳無線傳感器網絡系統；(3)可靠性節點的維護可能性很小，通信機密和安全十分重要，傳感器網絡具有強壯性和容錯性；(4)以數據為中心在無線傳感器網絡中，節點采用編號標識，節點編號是否全網唯一取決于網絡通信協議的設計，用戶使用無線傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告給某個確定編號的節點，網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。因此，基于無線傳感器網絡的定位技術非常適合在煤礦井下使用。現有的無線傳感器網絡的定位方法主要有兩大類基于測距的定位方法(range-based)和無需測距的定位方法(range-free)。基于測距的定位方法主要有接收信號強度指不法(Received Signal Strength Indicator, RSSI)、到達時間法(Time OfArrival,TOA)、到達時間差法(Time Difference Of Arrival,TDOA)和到達角度法(AngleOf Arrival, Α0Α)，這類方法通過測量節點間點到點的距離或者角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或者最大似然估計法計算移動節點的位置，定位精度相對較高，但對節點硬件要求高、成本高，定位效果易受環境影響；無需測距的定位方法主要有質心算法、DV-Hop和APIT，這類方法無需距離和角度信息，僅根據網絡連通性等信息實現移動節點的定位，定位精度非常依賴參考節點的密度，在參考節點部署稀疏的情況下，定位誤差會很大。現有的基于無線傳感器網絡的定位系統大都采用上述的定位方法，然而由于井下巷道環境的特殊性，電磁波在井下的傳播是極其復雜的；而且由于巷道幾何形狀的約束和成本的考慮，參考節點不可能在一個平面內隨機、密集的部署，只能沿巷道方向部署。因此現有的基于無線傳感器網絡的定位方法和系統不能直接應用于煤礦井下。
技術實現思路
為了克服上述不足，特別是為了克服礦井定位系統定位精度低、成本高、定位效果易受環境影響、巷道中本質安全型參考節點的部署數量和部署密度受限、礦井設備體制受限、結構復雜、功耗高等問題，本技術提供了一種基于無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統。該系統充分利用無線傳感器網絡的成本低、設備體積小、結構簡單、功耗低等特點，并結合礦井巷道實際工作環境，利用有限的本質安全型參考節點實現精確的目標定位，滿足了礦井生產調度和災后及時救援的需要。為了達到上述目的，本技術采用下述技術方案一種基于無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡，部署在地面的中心交換機和安全監控和信息管理網絡；所述的無線傳感器子網絡包括本質安全型匯聚網關節點，本質安全型參考節點，本質安全型移動節點；所述的安全監控和信息管理網絡包括地面監控終端，定位服務器，上層終端；地面監控終端和定位服務器通過中心交換機與本質安全型匯聚網關節點構成有線網絡，并通過本地網絡將實時定位數據傳送給上層終端；本質安全型匯聚網關節點通過總線掛接在中心交換機上；本質安全型移動節點由井下作業人員或者機械裝置攜帶；本質安全型參考節點不對稱的部署在巷道的墻壁上；本質安全型匯聚網關節點，本質安全型參考節點，本質安全型移動節點構成無線定位網絡；所述本質安全型匯聚網關節點接收本質安全型移動節點發送的無線數據，將其轉換成有線數據發送給中心交換機；接收中心交換機發送的有線數據,將其轉換成無線數據發送給本質安全型參考節點；所述本質安全型參考節點分配唯一對應的矩形定位單元號和單元內部號；周期性的用周期廣播數據包的格式向外發送周期廣播信號，接收其他相鄰本質安全型參考節點的周期廣播數據包并提取對應的周期廣播信號的RSSI值，根據周期廣播數據包的參數識別周期廣播信號，選擇對應的周期廣播信號的RSSI值更新參考節點數據包中的參數RA、RB，周期廣播數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號，參考節點數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號、RA、RB、移動節點ID、RE ;接收地面監控終端發送的對應的矩形定位單元的部分信息，矩形定位單元的部分信息包括該本質安全型參考節點所在矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和最大可能RSSI值RM;接收本質安全型移動節點發送的定位請求信號并根據定位請求信號更新參考節點數據包中的移動節點ID、RE后回送參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息給本質安全型移動節點；其中矩形定位單元號是對矩形定位單元的編號，從巷道口的第一個矩形定位單元起，隨著巷道延伸方向編號依次增加；單元內部號是對處于同一個矩形定位單元內的本質安全型參考節點的編號，依巷道延伸方向看去，從靠近巷道口且位于左手邊的本質安全型參本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特征在于，該系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡(1)，部署在地面的中心交換機(2)和安全監控和信息管理網絡(3)；所述的無線傳感器子網絡包括本質安全型匯聚網關節點(1？1)，本質安全型參考節點(1？2)，本質安全型移動節點(1？3)；所述的安全監控和信息管理網絡包括地面監控終端(3？1)，定位服務器(3？2)，上層終端(3？3)；地面監控終端(3？1)和定位服務器(3？2)通過中心交換機(2)與本質安全型匯聚網關節點(1？1)構成有線網絡，并通過本地網絡將實時定位數據傳送給上層終端(3？3)；本質安全型匯聚網關節點(1？1)通過總線掛接在中心交換機(2)上；本質安全型移動節點(1？3)由井下作業人員或者機械裝置攜帶；本質安全型參考節點(1？2)不對稱的部署在巷道的墻壁上；本質安全型匯聚網關節點(1？1)，本質安全型參考節點(1？2)，本質安全型移動節點(1？3)構成無線定位網絡；？所述本質安全型匯聚網關節點(1？1)接收本質安全型移動節點(1？3)發送的無線數據，將其轉換成有線數據發送給中心交換機(2)；接收中心交換機(2)發送的有線數據，將其轉換成無線數據發送給本質安全型參考節點(1？2)；？所述本質安全型參考節點(1？2)分配唯一對應的矩形定位單元號和單元內部號；周期性的用周期廣播數據包的格式向外發送周期廣播信號，接收其他相鄰本質安全型參考節點(1？2)的周期廣播數據包并提取對應的周期廣播信號的RSSI值，根據周期廣播數據包的參數識別周期廣播信號，選擇對應的周期廣播信號的RSSI值更新參考節點數據包中的參數RA、RB，周期廣播數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號，參考節點數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號、RA、RB、移動節點ID、RE；接收地面監控終端(3？1)發送的對應的矩形定位單元的部分信息，矩形定位單元的部分信息包括該本質安全型參考節點(1？2)所在矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和最大可能RSSI值RM；接收本質安全型移動節點(1？3)發送的定位請求信號并根據定位請求信號更新參考節點數據包中的移動節點ID、RE后回送參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息給本質安全型移動節點(1？3)；？其中矩形定位單元號是對矩形定位單元的編號，從巷道口的第一個矩形定位單元起，隨著巷道延伸方向編號依次增加；單元內部號是對處于同一個矩形定位單元內的本質安全型參考節點(1？2)的編號，依巷道延伸方向看去，從靠近巷道口且位于左手邊的本質安全型參考節點(1？2)開始，沿逆時針方向依次編號為1、2、3、4；數據包類型標識符標記該數據包的類型；RA是該本質安全型參考節點(1？2)接收的和其關于巷道的延伸方向的中心線中心對稱的本質安全型參考節點(1？2)的周期廣播信號的RSSI值；RB是該本質安全型參考節點(1？2)接收的和其處于不同矩形定位單元且同側相鄰的本質安全型參考節點(1？2)的周期廣播信號？的RSSI值；移動節點ID是本質安全型移動節點(1？3)的編號；RE是該本質安全型參考節點(1？2)接收到的和移動節點ID對應的定位請求信號的RSSI值；矩形定位單元的寬d為巷道的寬；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通過測量或者已知的本質安全型參考節點(1？2)發射功率可以得出此值；？所述本質安全型移動節點(1？3)分配唯一的移動節點ID；向本質安全型參考節點(1？2)發送定位請求信號，并接收本質安全型參考節點(1？2)回送的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息，根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾、根據參考節點數據包中的RE對過濾后的參考節點數據包做第一次排序并記錄相鄰的移動節點ID，將第一次排序后保留的參考節點數據包和記錄的相鄰移動節點ID打包發送給地面監控終端(3？1)；？所述中心交換機(2)轉發本質安全型移動節點(1？3)發送給地面監控終端(3？1)的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID、地面監控終端(3？1)發送給本質安全型參考節點(1？2)的矩形定位單元的部分信息；？所述地面監控終端(3？1)通過建立數據庫記錄每個矩形定位單元的信息，并將矩形定位單元的部分信息發送給對應的本質安全型參考節點(1？2)，矩形定位單元的信息包括該矩形定位單元的矩形定位單元號、矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM、單元內部...

【技術特征摘要】
1.一種基于無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特征在于，該系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡(I)，部署在地面的中心交換機(2)和安全監控和信息管理網絡(3);所述的無線傳感器子網絡包括本質安全型匯聚網關節點(1-1)，本質安全型參考節點(1-2)，本質安全型移動節點(1-3);所述的安全監控和信息管理網絡包括地面監控終端(3-1)，定位服務器(3-2)，上層終端(3-3);地面監控終端(3-1)和定位服務器(3-2)通過中心交換機(2)與本質安全型匯聚網關節點(1-1)構成有線網絡，并通過本地網絡將實時定位數據傳送給上層終端(3-3);本質安全型匯聚網關節點(1-1)通過總線掛接在中心交換機(2)上；本質安全型移動節點(1-3)由井下作業人員或者機械裝置攜帶；本質安全型參考節點(1-2)不對稱的部署在巷道的墻壁上；本質安全型匯聚網關節點(1-1)，本質安全型參考節點(1-2)，本質安全型移動節點(1-3)構成無線定位網絡；所述本質安全型匯聚網關節點(1-1)接收本質安全型移動節點(1-3)發送的無線數據，將其轉換成有線數據發送給中心交換機(2);接收中心交換機(2)發送的有線數據，將其轉換成無線數據發送給本質安全型參考節點(1-2)；所述本質安全型參考節點(1-2)分配唯一對應的矩形定位單元號和單元內部號；周期性的用周期廣播數據包的格式向外發送周期廣播信號，接收其他相鄰本質安全型參考節點(1-2)的周期廣播數據包并提取對應的周期廣播信號的RSSI值，根據周期廣播數據包的參數識別周期廣播信號，選擇對應的周期廣播信號的RSSI值更新參考節點數據包中的參數RA、RB，周期廣播數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號，參考節點數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號、RA、RB、移動節點ID、RE ;接收地面監控終端(3_1)發送的對應的矩形定位單元的部分信息，矩形定位單元的部分信息包括該本質安全型參考節點(1-2)所在矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和最大可能RSSI值RM ;接收本質安全型移動節點(1-3)發送的定位請求信號并根據定位請求信號更新參考節點數據包中的移動節點ID、RE后回送參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息給本質安全型移動節點(1-3)；其中矩形定位單元號是對矩形定位單元的編號，從巷道口的第一個矩形定位單元起，隨著巷道延伸方向編號依次增加；單元內部號是對處于同一個矩形定位單元內的本質安全型參考節點(1-2)的編號，依巷道延伸方向看去，從靠近巷道口且位于左手邊的本質安全型參考節點(1-2)開始，沿逆時針方向依次編號為1、2、3、4 ;數據包類型標識符標記該數據包的類型；RA是該本質安全型參考節點(1-2)接收的和其關于巷道的延伸方向的中心線中心對稱的本質安全型參考節點(1-2)的周期廣播信號的RSSI值；RB是該本質安全型參考節點(1-2)接收的和其處于不同矩形定位單元且同側相鄰的本質安全型參考節點(1-2)的周期廣播信號的RSSI值；移動節點ID是本質安全型移動節點(1-3)的編號；RE是該本質安全型參考節點(1-2)接收到的和移動節點ID對應的定位請求信號的RSSI值；矩形定位單元的寬d為巷道的寬；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通過測量或者已知的本質安全型參考節點(1-2)發射功率可以得出此值；所述本質安全型移動節點(1-3)分配唯一的移動節點ID ;向本質安全型參考節點(1-2)發送定位請求信號，并接收本質安全型參考節點(1-2)回送的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息，根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾、根據參考節點數據包中的RE對過濾后的參考節點數據包做第一次排序并記錄相鄰的移動節點ID，將第一次排序后保留的參考節點數據包和記錄的相鄰移動節點ID打包發送給地面監控終端(3-1)；所述中心交換機(2)轉發本質安全型移動節點(1-3)發送給地面監控終端(3-1)的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID、地面監控終端...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫繼平，劉志勇，陳文超，
申請(專利權)人：中國礦業大學北京，
類型：實用新型
國別省市：