【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生产环境监测领域，具体涉及一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法。
技术介绍
1、煤矿自然条件复杂，开采条件多变，而且存在着瓦斯、火灾、水灾等自然灾害，加上煤矿井下作业空间十分狭小，照明条件差，大量隐患存在于生产过程的各个环节中和场所，极容易发生重大伤亡事故。煤矿安全监测是实现矿井安全生产重要的保障，也是现代化矿井管理的重要技术措施。随着数字化技术的发展，越来越多的环境信息测量与控制设备已发展为具有数字通信接口的智能设备。依赖于人力或机械的操作方法，以及使用有线通信的连接方式，受到使用强度的限制，因此无法对煤矿环境进行实地、大范围和实时监测。
2、无线传感器网络的迅速发展催生了无线通信技术的革新，尤其是在基于物联网的低功耗广域网(lpwan，low-power wide area networks)方面，远程无线电(lora，longrange radio)通信技术以其单跳距离较远(1km以上)，通信半径较长，缩减部署节点数量，更好的监测适用性等优势，非常适合较大范围的信息与信号监测领域。针对以上问题，从我国煤矿瓦斯监控系统的现状出发，将监控系统分站至传感器之间有线传输改造为lora无线网络传输，可以大大增强系统可靠性和灵活性。由大量传感器节点组成的无线传感器网络(wireless sensor networks，wsn)是一种新兴的数据获取、处理及无线传输的先进技术。其优点是部署简单，成本低，无需现场维护，可广泛应用于气象、地理、自然和人为灾害监测以及大面积的地表监测中。近年来，已有学者者将无线通信技术
技术实现思路
1、专利技术目的：为了解决
技术介绍
中所提出的问题，本专利技术提出一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，设计了低能耗、可靠的煤矿井下生产环境监测节点定位算法，能够满足网络环境复杂恶劣和定位成本受限的煤矿矿井作业环境监测系统的定位需求。
2、技术方案：本专利技术提出一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，包括以下步骤：
3、步骤1：设计监测网络总体结构；包括传感器节点、协调器节点和地面监测中心，在煤矿井下主巷道和采掘工作面中每隔30～50米布设一个传感器节点，协调器节点布置在主巷道起始端，协调器节点连同周边传感器节点在采掘工作面构成监测子网，各监测子网通过协调器节点采用rs-485总线与地面监测中心相连；
4、步骤2：获取锚节点的数据，即通过lora无线通信模块与协调器节点进行信息传输，确定监测网络中的3个已知位置节点坐标作为锚节点，即参考节点，用于求解未知位置的传感器节点坐标；
5、步骤3：建立定位模型，即在约束或无约束条件下的未知节点位置向量与已知观测向量之间的定量关系，提出基于rssi测距误差校正和定位优化措施的定位算法；
6、步骤4：利用基于rssi测距误差校正和定位优化措施的定位算法确定未知传感器节点最终位置。
7、进一步地，所述步骤1中传感器节点集成了采用sx1278芯片的lora无线通信模块，以及需要采集各种信息数据的传感器模块，传感器模块包括温湿度传感器、co传感器、甲烷传感器；传感器模块对数据进行采集、传输，实时上传至协调器节点；协调器节点既要接收传感器节点发来的监测数据，又要与地面监测中心实现串行通信。
8、进一步地，所述传感器节点能够采集煤矿开采工作环境参数，对初筛数据实施预处理，同时还能够及时接收地面监测中心发送的各种命令信息。
9、所述协调器节点发布地面监测中心的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上，选择lora为无线通信模块组建协调器节点。
10、进一步地，所述步骤3中建立定位模型，提出基于rssi测距误差校正和定位优化措施的算法，包括以下步骤：
11、步骤3.1：在煤矿井下生产环境监测系统中，采用对数距离路径损耗模型比较合适，获得rssi值表达式为：
12、pr(d)＝p+g-pl(d)
13、其中，p为节点发射功率；g为节点天线增益；pl(d)为经过距离d后的rf功率损耗，实际应用时无线信号传播模型由下式确定：
14、
15、其中，n为路径损耗传输参数因子；d0为信号传播设定距离；pr(d0)是d0处的rssi值，xσ是均值为0、标准差为4～10的高斯随机变量；
16、步骤3.2：设参考节点为ri(xi，yi)，i＝1，2，…，n，其中n为参与校正计算的参考节点个数；设r0(x0，y0)为待校正参考节点，r0(x0，y0)到ri(xi，yi)的实际距离分别为ri，i＝1，2，…，n，通过pr(d)测量得到的距离分别为di，i＝1，2，…，n；
17、测距相对误差为：
18、
19、设置参考节点ri(xi，yi)的加权测距相对误差校正系数为：
20、
21、其中，μw集中表明参考节点pr(d)的测量相对误差，分析不同pr(d)所占的权重，随着距离的增加，由pr(d)的偏差引起的距离误差越大，对校正系数的决定权就越小；
22、因此，参考节点的校正距离是：
23、
24、其中，dui是监测节点和参考节点ri之间的测量距离，m；是监测节点和参考节点ri之间的校正距离，m；μw为参考节点ri的加权测距相对误差校正系数。
25、进一步地，所述步骤4中煤矿井下利用基于rssi测距误差校正和定位优化措施的定位算法确定节点最终位置，包括以下步骤：
26、步骤4.1：在煤矿井下环境监测中，将监测节点的初步位置坐标作为初值，应用泰勒级数最小二乘法进行位置校正优化；
27、步骤4.2：监测节点初步定位：进行定位计算时，考虑无线网络中3个锚节点的坐标分别为aa(xa，ya)，ab(xb，yb)和ac(xc，yc)，未知位置的传感器节点u的坐标为(x，λ)，假设该节点到各锚节点的测量距离分别是dua，dub和duc，根据二维空间欧氏距离计算方法，列出1个非线性方程组：
28、
29、整理，简写为
30、aθ＝f
31、
32、f＝[e f]t
33、θ＝[x y]t
34、a＝2xb-2xa
35、b＝2yb-2ya
36、c＝2xc-2xa
37、d＝2yc-2ya
38、
39、
40、则监测节点位置坐标估计：
41、θ＝a-1f
42、即为监测节点的初步位置坐标；
43、根据距离模型：
44、
45、设初始坐标为(x0，y0)，令
46、
47、在(x0，y0)处，对距离模型进行泰勒级数展开，并忽略二阶及以上分量，有：
48、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，其特征在于，所述步骤1中传感器节点集成了采用SX1278芯片的LoRa无线通信模块，以及需要采集各种信息数据的传感器模块，传感器模块包括温湿度传感器、CO传感器、甲烷传感器；传感器模块对数据进行采集、传输，实时上传至协调器节点；协调器节点既要接收传感器节点发来的监测数据，又要与地面监测中心实现串行通信。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，其特征在于，所述传感器节点能够采集煤矿开采工作环境参数，对初筛数据实施预处理，同时还能够及时接收地面监测中心发送的各种命令信息。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，其特征在于，所述步骤3中建立定位模型，提出基于RSSI测距误差校正和定位优化措施的算法，包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，其特征在于，所述步骤4中煤矿井下利用基于RSSI测距误差校正和定位优化措施的定位算法确定
...【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下生产环境监测节点定位方法，其特征在于，所述步骤1中传感器节点集成了采用sx1278芯片的lora无线通信模块，以及需要采集各种信息数据的传感器模块，传感器模块包括温湿度传感器、co传感器、甲烷传感器；传感器模块对数据进行采集、传输，实时上传至协调器节点；协调器节点既要接收传感器节点发来的监测数据，又要与地面监测中心实现串行通信。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下生产环境监测节...
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