一种基于井下环境的Zigbee差分精确定位算法制造技术

一种基于井下环境的ZigBee差分精确定位方法，属于设备远程监测及管理领域，其突出特点是本系统采用差分精确定位算法进行井下矿工移动节点定位，其原理是通过参考节点对移动节点进行三边定位，并且在三边定位过程中引入差分变量进行修正，从而消除Zigbee移动节点的设备故有误差，达到对井下矿工立体管理，保障安全的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于井下环境的Zigbee差分精确定位算法
本专利技术属于设备远程监测及管理领域，其突出特点是本系统采用差分精确定位算法进行井下矿工移动节点定位，其原理是通过参考节点对移动节点进行三边定位，并且在三边定位过程中引入差分变量进行修正，从而消除Zigbee移动节点的设备故有误差，达到对井下矿工立体管理，保障安全的作用。
技术介绍
矿井事故的频繁发生暴露出目前矿井监测系统的弊端：有线通信方式灵活性差，布线不便，成本高，覆盖性不足，信息不完全，且不能及时提供井下环境信息与工作人员的位置信息等，一旦事故发生，很难展开救援。传统井下定位系统往往不能提供精确井下位置信息，因此，一旦井下发生危险情况，无法对井下矿工进行有效疏导以及无法将井下情况及时反馈给矿上管理人员，造成事故发现和处理迟缓。因此，我们研究的低维护费用，基于井下环境的Zigbee差分精确定位算法具有重大的意义。
技术实现思路
在井下安装布置参考节点，集成在矿工安全帽上的Zigbee移动节点可以进行实时差分精确定位，使矿上管理人员掌握所有矿工的位置信息。一种基于井下环境的ZigBee差分精确定位方法，至少包含以下步骤：步骤一：在井下设置参考节点；步骤二：选取场景对应的距离曲线；步骤三：判断接收到的信号是否大于等于3个；如果等于3个，采用三边定位算法，进行差分计算修正，获得移动节点坐标；如果大于3个，则选取最强的4个参考节点，共4种组合，采用三边定位算法获得4个坐标，进行差分计算修正，取4个坐标的重心，获得移动节点坐标；如果小于3个，则重新判断。所述三边定位算法为利用RSSI进行信号强度的测距，选用以下模型：RSSI＝-(10nlog10d+A)(1)其中，射频参数A被定义为用dBm表示的发射节点1m处的接受信号强度；n为信号传输常数，与信号的传输环境有关；d为距发射节点的距离。根据三边定位算法将距离换算成位置坐标，完成差分定位；公式如下：如果方程(3)有解，判断其中哪个点到点的距离近，选取该点作为点D；如果方程(4)有解，判断其中哪个点到点的距离近，选取该点作为点F；如果方程(5)有解，则判断其中哪个点到点的距离近，选取该点作为点E；三角形DEF的重心就是我们所需要定位的移动节点的位置；如果其中方程(3)无解，则连接两圆圆心，和圆相交两点的中心就是点D；对于方程(4)、(5)无解的情况下，可采用相同方式来得到点E、F的坐标。所述的RSSI值在实际应用中有跳变随机误差，因此需要对上述模型进行优化，引入一个变量σ作为RSSI跳变误差，则(1)式变为RSSI＝-(10nlog10d+A)+σ(2)则σ可以通过安装在矿工帽上的两个同一位置的移动节点做差消掉，也就是做了一次差分定位运算，可以有效解决RSSI跳变误差问题，提供精确的测距信息。本专利技术的有益效果：是通过Zigbee网络通信和差分精确定位技术，使得矿井下环境和矿工位置得到有效监控，并在发生紧急事故时，提高处置的速度和效率，减少损失。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明：本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是首先在井下安装布置参考节点，并根据对应井下环境实地测量距离曲线。集成在矿工安全帽上的Zigbee移动节点可以实时发送定位请求信号到其周围的Zigbee参考节点，并根据参考节点的返回RSSI值，计算出其所处的位置。载经由其他参考节点和网关上传到上位机显示出来。当发生矿难时，Zigbee移动节点信号消失的节点基本可以认定为此处塌方，屏蔽了信号。这时，可以通过最后一刻的矿工位置展开搜救工作，极大提高了搜救的针对性和效率。Zigbee定位算法采用自主研发的差分精确定位算法，测距是定位的基本要求。只有获取3个或者以上参考节点的距离，才能够确定移动节点的位置。信号强度的测距可以RSSI的方式。利用RSSI测距，可以选用以下模型：RSSI＝-(10nlog10d+A)(1)其中，射频参数A被定义为用dBm表示的发射节点1m处的接受信号强度；n为信号传输常数，与信号的传输环境有关；d为距发射节点的距离。但是，在实际应用过程中，RSSI值有跳变随机误差，因此需要对上述模型进行优化，我们引入了一个变量σ作为RSSI跳变误差，则(1)式变为RSSI＝-(10nlog10d+A)+σ(2)则σ可以通过安装在矿工帽上的两个同一位置的移动节点做差消掉，也就是做了一次差分定位运算，可以有效解决RSSI跳变误差问题，提供精确的测距信息。然后根据三边定位算法将距离换算成位置坐标，完成差分定位。根据附图3进行差分精确定位，公式如下：如果方程(3)有解，判断其中哪个点到点的距离近，选取该点作为点D；如果方程(4)有解，判断其中哪个点到点的距离近，选取该点作为点F；如果方程(5)有解，则判断其中哪个点到点的距离近，选取该点作为点E，三角形DEF的重心就是我们所需要定位的移动节点的位置。如果其中方程(3)无解，则连接两圆圆心，和圆相交两点的中心就是点D；对于方程(4)、(5)无解的情况下，可采用相同方式来得到点E、F的坐标。因此，无论圆相交与否，我们都可以获得3个点D、E、F，并且通过求重心来获得移动节点的坐标。环境信息通过Zigbee参考节点上安装的瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、空气压力传感器和温湿度传感器获取，并经由安装在巷道壁上的Zigbee中继节点，传送到Zigbee网关节点中，再由网关节点上传到上位机管理系统，实时监控并显示。当某一环境数据超出管理人员事先设定的预警阈值时，监控软件会发出警报，警示管理人员及时确认预警信息，消除安全隐患。路由节点供电集成市电和充电电池供电混合供电方式。正常情况下，市电经由变压器变换成9V交流电，通过半波整流滤波电路获得较为稳定的直流电压，之后输入到稳压芯片中，获得稳定的3.3V直流电源。电池采用市面上常见的7.2V电池，其和整流滤波之后的直流电压需要通过电源选择电路，即二极管防反向结构选择供电电源。当市电断路时，会自动切换到电池供电，这样大大减少了电池的消耗，降低了维护成本。当发生矿难的时候，矿上管理人员可以通过Zigbee网络设置配备在井下工作人员的安全帽上的移动节点发出报警信号，从而指示矿工从安全的路径逃生。而且塌方事故时，参考节点会发生中断的情况，这样矿上管理人员便可以从中断的节点位置，判断出发生事故的大致位置，方便后续救援工作的展开。本专利技术的有益效果是通过Zigbee网络通信和差分精确定位技术，使得矿井下环境和矿工位置得到有效监控，并在发生紧急事故时，提高处置的速度和效率，减少损失。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明：图1是本专利技术的系统整体框图。Terminal是盲节点,即集成在矿工安全帽上的Zigbee终端。Router是参考节点,即安装在巷道壁上的Zigbee模块。Coordinator是网关，即负责管理Zigbee网络和与上位机通信的Zigbee根节点。Computer是用于系统管理的上位机。在图1所示的实施例中，Zigbee移动节点将位置信息发出，井下巷道中的参考节点定位后将位置信息传到上位机，实现实时定位。在遇到危险时，上位机自动查询信号中断位置，开始进行搜救行动。图2是本专利技术定位算法流程图。首先设置参考节点坐标，选取环境曲线。判断接收到信号是否大于3个，如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于井下环境的ZigBee差分精确定位方法，其特征在于，至少包含以下步骤：步骤一：在井下设置参考节点；步骤二：选取场景对应的距离曲线；步骤三：判断接收到的信号是否大于等于3个；如果等于3个，采用三边定位算法，进行差分计算修正，获得移动节点坐标；如果大于3个，则选取最强的4个参考节点，共4种组合，采用三边定位算法获得4个坐标，进行差分计算修正，取4个坐标的重心，获得移动节点坐标；如果小于3个，则重新判断。

【技术特征摘要】
1.一种基于井下环境的ZigBee差分精确定位方法，其特征在于，至少包含以下步骤：步骤一：在井下设置参考节点；步骤二：选取场景对应的距离曲线；步骤三：判断接收到的信号是否大于等于3个；如果等于3个，采用三边定位算法，进行差分计算修正，获得移动节点坐标；如果大于3个，则选取最强的4个参考节点，共4种组合，采用三边定位算法获得4个坐标，进行差分计算修正，取4个坐标的重心，获得移动节点坐标；如果小于3个，则重新判断。2.根据权利要求1所述的一种基于井下环境的ZigBee差分精确定位方法，其特征在于：所述三边定位算法为利用RSSI进行信号强度的测距，选用以下模型：RSSI＝-(10nlog10d+A)(1)其中，射频参数A被定义为用dBm表示的发射节点1m处的接受信号强度；n为信号传输常数，与信号的传输环境有关；d为距发射节点的距离。根据三边定位算法将距离换算成位置坐标，完成差分定位；公式如...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫冬梅，钟辉，李红梅，吴旗，费付喜，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22