应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法包括：构建ZigBee无线自组网；定位基站在其无线信号覆盖范围内测量与其他定位基站之间的距离；定位终端在无线信号覆盖范围内测量与多个定位基站之间的距离；将距离等测距结果上传至服务器，服务器计算测距结果得到定位终端的准确位置。一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位系统，包括定位终端、定位基站以及服务器，定位终端与定位基站通过UWB和ZigBee无线相连，选择一个定位基站与服务器通过以太网相连，用于将距离数据上传至服务器；本发明专利技术能够实现矿井巷道的精确定位，技术简单、设备安装便捷、组网灵活、扩展性强、适用性广。

Positioning method and system based on UWB and ZigBee applied in mine

【技术实现步骤摘要】
应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统
本专利技术涉及定位领域，具体涉及一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统。
技术介绍
矿井井下人员定位常用的定位方法有：射频识别技术(RFID)、接受信号强度指示(RSSI)，测量到达时间(TOA)，测量到达时间差(TDOA)等方法。目前矿井实际使用以基于射频识别技术(RFID)的定位系统数量最大，使用RFID具有以下问题：定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位,不能做到误差为几米的精确定位；同时，受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。信号强度指示(RSSI)方法是ZigBee和WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传输损耗模型计算定位终端与定位基站之间的距离；定位基站接收到的信号强度随距离发射机的位置变化而变化，即定位基站距离定位终端距离越近，接收到的信号强度越强，反之，定位基站距定位终端越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离预估值，然后将距离预估值与信号强度地图进行比对分析，再经过滤波确定最终定位结果，RSSI方法简单易实施；但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加定位基站的密度和通过全局优化算法来控制单方向上的定位误差，但井下环境多为隧道组成的线状环境，无法得到平面上其它方向的场强数据，所以当巷道中存在如较大金属遮挡物等其它影响无线信号传输的因素时，定位误差较大。到达时间定位(TOA)需要定位终端与定位基站、定位基站与定位基站之间严格时钟同步，系统时钟同步困难，晶振稳定性要求高，系统复杂，成本高。到达时间差定位(TDOA)不需定位终端与定位基站时钟同步，但需定位基站与定位基站之间严格时钟同步，系统时钟同步困难，晶振稳定性要求高，成本较高。“UWB组网定位的系统及方法”公开了一种UWB组网定位的系统及方法。系统包括：一个或多个标签，其位于待定位的设备上，并间隔第一周期向外广播UWB信号；多个UWB基站，其固定在预定位置上，所述多个UWB基站分别基于一个或多个标签广播的UWB信号，获得每个UWB基站与一个或多个标签之间的距离；以及服务器，其分别连接到所述多个UWB基站，所述服务器基于所述多个UWB基站与一个或多个标签之间的距离，对所述多个标签进行定位。但是，该方案中的UWB基站需要设定一个ID号，没有彻底解决UWB无线信号冲突问题，没有阐明UWB定位数据传输技术，而且系统灵活性较差、维护复杂、适用性较弱。“一种UWB高精度定位系统及定位方法”公开了一种UWB高精度定位系统及定位方法。该定位系统包括至少1个UWB定位信号发送器组以及用于对UWB定位信号发送器组进行同步控制的至少1个中心控制器，1个UWB定位信号发送器组包括N个UWB定位信号发送器，其中，N为等于或大于3的整数，任意两个UWB定位信号发送器之间以及任意一个UWB定位信号发送器与中心控制器之间实现无线通信；还包括至少1个定位终端，定位终端用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，定位终端与中心控制器之间实现无线通信。但是，该方案仅仅提出了一种单区域内的精确定位系统及定位方法，不能满足矿井巷道及施工隧道等狭长空间内精确定位要求。因此，为解决以上问题，需要一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统，能够实现矿井巷道的精确定位，技术简单、设备安装便捷、组网灵活、扩展性强、适用性广。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是克服现有技术中的缺陷，提供应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统，能够有效解决目前存在的系统短板和技术缺陷。一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法，包括如下步骤：S1.在矿井中布置多个定位基站，通过定位基站的ZigBee管理通道对定位基站进行ZigBee无线组网，将与服务器通信连接的定位基站设定为ZigBee无线组网的网关节点，将其余的定位基站设定为ZigBee无线组网的网络节点；S2.每个网络节点在其无线信号覆盖范围内测量与其他网络节点之间的距离，并将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；S3.布置于目标体的定位终端在其无线信号覆盖范围内测量与网络节点之间的距离，并将测距结果通过ZigBee管理通道传输到距离该定位终端最近的网络节点，并由该网络节点将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；S4.服务器通过计算测距结果得到定位终端的准确位置。进一步，步骤S1中，根据如下步骤构建ZigBee无线组网：S11.对网络节点进行统计，得到网络节点序列Nn，计算网关节点与网络节点序列Nn中各网络节点之间的距离，得到距离序列Dn，从距离序列Dn中筛选出最小的距离Dk，该距离Dk为网关节点与网络节点k之间的距离，将网络节点k设定为网关节点的兄弟节点；从距离序列Dn中筛选出最接近距离Dk但不小于Dk的距离Di，该距离Di为网关节点与网络节点i之间的距离，将网络节点i设定为网关节点的中继节点；从距离序列Dn中筛选出最接近距离Di但不小于Di的距离Dj，该距离Dj为网关节点与网络节点j之间的距离，将网络节点j设定为网关节点的备选中继节点；将网络节点k、网络节点i以及网络节点j从网络节点序列Nn中剔除，得到网络节点序列Nn-3；网关节点将兄弟节点、中继节点以及备选中继节点的设备信息和距离值进行上传；其中，n为网络节点个数；k、i以及j为网络节点编号；n＝1，2，3...，N；S12.计算中继节点与网络节点序列Nn-3中各网络节点之间的距离，得到距离序列Dn-3；从距离序列Dn-3中筛选出最小的距离Dm，该距离Dm为中继节点与网络节点m之间的距离，将网络节点m设定为中继节点的下级中继节点；从距离序列Dn-3中筛选出最接近距离Dm但不小于Dm的距离Dp，该距离Dp为中继节点与网络节点p之间的距离，将网络节点p设定为中继节点的下级备选中继节点；将网络节点m以及网络节点p从网络节点序列Nn-3中剔除，得到网络节点序列Nn-5；中继节点将下级中继节点以及下级备选中继节点的设备信息和距离值进行上传；其中，m以及p为网络节点编号；S13.按照步骤S12类推，对ZigBee无线组网中剩余的网络节点进行配置，最终得到ZigBee无线组网的中继节点链以及备选中继节点链。进一步，根据如下步骤对ZigBee无线自组网中的网络节点进行时间同步：a.网关节点依次向兄弟节点、中继节点以及备选中继节点发送时间同步请求帧；b.兄弟节点、中继节点以及备选中继节点接收到时间同步请求帧后，回复时间同步响应帧；c.按照步骤a-b类推，完成中继节点与下级中继节点以及下级备选中继节点之间的时间同步；d.按照步骤c类推，直到ZigBee无线自组网中的所有网络节点的时间保持同步。进一步，ZigBee无线自组网的中继节点链或备选中继节点链的相邻两个网络节点之间的通信信道不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法，其特征在于：包括如下步骤：/nS1.在矿井中布置多个定位基站，通过定位基站的ZigBee管理通道对定位基站进行ZigBee无线组网，将与服务器通信连接的定位基站设定为ZigBee无线组网的网关节点，将其余的定位基站设定为ZigBee无线组网的网络节点；/nS2.每个网络节点在其无线信号覆盖范围内测量与其他网络节点之间的距离，并将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；/nS3.布置于目标体的定位终端在其无线信号覆盖范围内测量与网络节点之间的距离，并将测距结果通过ZigBee管理通道传输到距离该定位终端最近的网络节点，并由该网络节点将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；/nS4.服务器通过计算测距结果得到定位终端的准确位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.在矿井中布置多个定位基站，通过定位基站的ZigBee管理通道对定位基站进行ZigBee无线组网，将与服务器通信连接的定位基站设定为ZigBee无线组网的网关节点，将其余的定位基站设定为ZigBee无线组网的网络节点；
S2.每个网络节点在其无线信号覆盖范围内测量与其他网络节点之间的距离，并将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；
S3.布置于目标体的定位终端在其无线信号覆盖范围内测量与网络节点之间的距离，并将测距结果通过ZigBee管理通道传输到距离该定位终端最近的网络节点，并由该网络节点将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；
S4.服务器通过计算测距结果得到定位终端的准确位置。


2.根据权利要求1所述的应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法，其特征在于：步骤S1中，根据如下步骤构建ZigBee无线组网：
S11.对网络节点进行统计，得到网络节点序列Nn，计算网关节点与网络节点序列Nn中各网络节点之间的距离，得到距离序列Dn，从距离序列Dn中筛选出最小的距离Dk，该距离Dk为网关节点与网络节点k之间的距离，将网络节点k设定为网关节点的兄弟节点；从距离序列Dn中筛选出最接近距离Dk但不小于Dk的距离Di，该距离Di为网关节点与网络节点i之间的距离，将网络节点i设定为网关节点的中继节点；从距离序列Dn中筛选出最接近距离Di但不小于Di的距离Dj，该距离Dj为网关节点与网络节点j之间的距离，将网络节点j设定为网关节点的备选中继节点；将网络节点k、网络节点i以及网络节点j从网络节点序列Nn中剔除，得到网络节点序列Nn-3；网关节点将兄弟节点、中继节点以及备选中继节点的设备信息和距离值进行上传；其中，n为网络节点个数；k、i以及j为网络节点编号；n＝1，2，3...，N；
S12.计算中继节点与网络节点序列Nn-3中各网络节点之间的距离，得到距离序列Dn-3；从距离序列Dn-3中筛选出最小的距离Dm，该距离Dm为中继节点与网络节点m之间的距离，将网络节点m设定为中继节点的下级中继节点；从距离序列Dn-3中筛选出最接近距离Dm但不小于Dm的距离Dp，该距离Dp为中继节点与网络节点p之间的距离，将网络节点p设定为中继节点的下级备选中继节点；将网络节点m以及网络节点p从网络节点序列Nn-3中剔除，得到网络节点序列Nn-5；中继节点将下级中继节点以及下级备选中继节点的设备信息和距离值进行上传；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，戴剑波，黄友胜，胡亮，刘世森，郭江涛，田军，胡宇，张金豪，刘亚辉，邵严，周代勇，孙中光，张加易，林引，孟小红，
申请(专利权)人：中煤科工集团重庆研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50