基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统技术方案

一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统。本系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络，部署在地面的中心交换机和安全监控和信息管理网络；该系统的定位方法如下：把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形定位单元并不对称的部署参考节点，记录每个矩形定位单元的信息，参考节点利用其他相邻参考节点的周期广播信号更新参考节点数据包中的对应参数，移动节点对参考节点数据包过滤、排序并记录相邻的移动节点ID，利用参考节点数据包、记录的相邻的移动节点ID和数据库中的信息，通过计算、排序和比较大小实现移动节点的定位。本实用新型专利技术定位精度高、成本低、系统结构简单、功耗低，满足煤矿井下特定的使用环境和安全要求。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种定位系统，具体的讲，是涉及一种基于无线传感器网络(ffirelesssensor network)的煤矿井下一维定位系统。
技术介绍
煤炭是我国的主要能源，约占一次能源的70%，在我国95%以上的煤矿是井下人工开采。由于地质条件复杂、开采科学技术水平较低、管理不善等原因，导致我国煤矿安全事故频发，造成的生命财产及社会影响是难以估量的，严重制约着我国煤炭行业的健康发展，因此有必要研究适合于井下的人员定位系统，这对于提高生产效率、保障井下人员的安全、灾后及时抢救具有重要的意义。我国煤矿井下是一个特殊的受限环境，它是由各种纵横交错、形状不同、长短不一的巷道组成，其长度可达几十到上百公里。而且矿井巷道空间狭小，无线信号在巷道内存在大量的反射、衍射、散射以及投射现象，设备功率需满足井下防爆的要求；同时由于巷道相对封闭，不能借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下定位。由此可见，地面成熟的定位方法和系统无法直接用在井下。我国现有的井下人员定位系统大多是采用基于RFID (Radio FrequencyIdentification)射频识别技术的定位系统。中国专利申请01122258. I公开了一种井下人员智能定位安全管理系统，它由电子识别卡、巷道询问接收装置和管理调度中心构成。井下工作人员佩戴电子识别卡，识别卡写入员工的电子编号，由矿灯电瓶供电，当识别卡收到巷道询问接收装置的询问信号后，应答发射井下工作人员的编号信号，巷道询问接收装置收到应达的信号传送给管理调度中心，管理调度中心记录该信号和发生的时间。通过多点定位接收可以对井下工作人员进行跟踪定位，但是该专利技术只能确定井下工作人员的位置在询问装置的接收范围内，而一般的井下无线通信距离都为几十米的数量级，所以该定位系统的定位精度也是几十米的数量级，定位精度很低。另一方面，多目标同时识别能力不强，也易出现卡间的相互干扰。因此现有的定位系统无法满足井下人员位置情况精确实时掌握的要求。无线传感器网络是由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点协同组织起来，通过无线通信方式形成的一个多跳、自组织网络系统。和传统的网络相比，无线传感器网络具有以下特点(I)动态性网络的拓扑结构可能因为很多因素的改变而变化，比如环境因素、新节点的加入和离开或已有的节点失效等；(2)自组织无线传感器网路的动态性，要求传感器节点需要具有自组织的能力，能够自行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成能够转发数据的多跳无线传感器网络系统；(3)可靠性节点的维护可能性很小，通信机密和安全十分重要，传感器网络具有强壮性和容错性；(4)以数据为中心在无线传感器网络中，节点采用编号标识，节点编号是否全网唯一取决于网络通信协议的设计，用户使用无线传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点，网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。因此，基于无线传感器网络的定位技术非常适合在煤矿井下使用。现有的无线传感器网络的定位方法主要有两大类基于测距的定位方法(range-based)和无需测距的定位方法(range-free)。基于测距的定位方法主要有接收信号强度指不法(Received Signal Strength Indicator, RSSI)、到达时间法(Time OfArrival,TOA)、到达时间差法(Time Difference Of Arrival,TDOA)和到达角度法(AngleOf Arrival, Α0Α)，这类方法通过测量节点间点到点的距离或者角度信息，使用三边测量法、三角测量法或者最大似然估计法计算移动节点的位置，定位精度相对较高，但对节点硬件要求高、成本高，定位效果易受环境影响；无需测距的定位方法主要有质心算法、DV-Hop和APIT，这类方法无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现移动节点的定位，定位精度非常依赖参考节点的密度，在参考节点部署稀疏的情况下，定位误差会很大。现有的基于无线传感器网络的定位系统大都采用上述的定位方法，然而由于井下巷道环境的特殊性，电磁波在井下的传播是极其复杂的；而且由于巷道几何形状的约束和成本的考虑，参考节点不可能在一个平面内随机、密集的部署，只能沿巷道方向部署。因此现有的基于无线传感器网络的定位方法和系统不能直接应用于煤矿井下。
技术实现思路
为了克服上述不足，特别是为了克服矿井定位系统定位精度低、成本高、定位效果易受环境影响、巷道中本质安全型参考节点的部署数量和部署密度受限、矿井设备体制受限、结构复杂、功耗高等问题，本技术提供了一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统。该系统充分利用无线传感器网络的成本低、设备体积小、结构简单、功耗低等特点，并结合矿井巷道实际工作环境，利用有限的本质安全型参考节点实现精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。为了达到上述目的，本技术采用下述技术方案一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络，部署在地面的中心交换机和安全监控和信息管理网络；所述的无线传感器子网络包括本质安全型汇聚网关节点，本质安全型参考节点，本质安全型移动节点；所述的安全监控和信息管理网络包括地面监控终端，定位服务器，上层终端；地面监控终端和定位服务器通过中心交换机与本质安全型汇聚网关节点构成有线网络，并通过本地网络将实时定位数据传送给上层终端；本质安全型汇聚网关节点通过总线挂接在中心交换机上；本质安全型移动节点由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型参考节点不对称的部署在巷道的墙壁上；本质安全型汇聚网关节点，本质安全型参考节点，本质安全型移动节点构成无线定位网络；所述本质安全型汇聚网关节点接收本质安全型移动节点发送的无线数据，将其转换成有线数据发送给中心交换机；接收中心交换机发送的有线数据,将其转换成无线数据发送给本质安全型参考节点；所述本质安全型参考节点分配唯一对应的矩形定位单元号和单元内部号；周期性的用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻本质安全型参考节点的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择对应的周期广播信号的RSSI值更新参考节点数据包中的参数RA、RB，周期广播数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号，参考节点数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、RA、RB、移动节点ID、RE ;接收地面监控终端发送的对应的矩形定位单元的部分信息，矩形定位单元的部分信息包括该本质安全型参考节点所在矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和最大可能RSSI值RM;接收本质安全型移动节点发送的定位请求信号并根据定位请求信号更新参考节点数据包中的移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给本质安全型移动节点；其中矩形定位单元号是对矩形定位单元的编号，从巷道口的第一个矩形定位单元起，随着巷道延伸方向编号依次增加；单元内部号是对处于同一个矩形定位单元内的本质安全型参考节点的编号，依巷道延伸方向看去，从靠近巷道口且位于左手边的本质安全型参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，该系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络(1)，部署在地面的中心交换机(2)和安全监控和信息管理网络(3)；所述的无线传感器子网络包括本质安全型汇聚网关节点(1？1)，本质安全型参考节点(1？2)，本质安全型移动节点(1？3)；所述的安全监控和信息管理网络包括地面监控终端(3？1)，定位服务器(3？2)，上层终端(3？3)；地面监控终端(3？1)和定位服务器(3？2)通过中心交换机(2)与本质安全型汇聚网关节点(1？1)构成有线网络，并通过本地网络将实时定位数据传送给上层终端(3？3)；本质安全型汇聚网关节点(1？1)通过总线挂接在中心交换机(2)上；本质安全型移动节点(1？3)由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型参考节点(1？2)不对称的部署在巷道的墙壁上；本质安全型汇聚网关节点(1？1)，本质安全型参考节点(1？2)，本质安全型移动节点(1？3)构成无线定位网络；？所述本质安全型汇聚网关节点(1？1)接收本质安全型移动节点(1？3)发送的无线数据，将其转换成有线数据发送给中心交换机(2)；接收中心交换机(2)发送的有线数据，将其转换成无线数据发送给本质安全型参考节点(1？2)；？所述本质安全型参考节点(1？2)分配唯一对应的矩形定位单元号和单元内部号；周期性的用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻本质安全型参考节点(1？2)的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择对应的周期广播信号的RSSI值更新参考节点数据包中的参数RA、RB，周期广播数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号，参考节点数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、RA、RB、移动节点ID、RE；接收地面监控终端(3？1)发送的对应的矩形定位单元的部分信息，矩形定位单元的部分信息包括该本质安全型参考节点(1？2)所在矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和最大可能RSSI值RM；接收本质安全型移动节点(1？3)发送的定位请求信号并根据定位请求信号更新参考节点数据包中的移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给本质安全型移动节点(1？3)；？其中矩形定位单元号是对矩形定位单元的编号，从巷道口的第一个矩形定位单元起，随着巷道延伸方向编号依次增加；单元内部号是对处于同一个矩形定位单元内的本质安全型参考节点(1？2)的编号，依巷道延伸方向看去，从靠近巷道口且位于左手边的本质安全型参考节点(1？2)开始，沿逆时针方向依次编号为1、2、3、4；数据包类型标识符标记该数据包的类型；RA是该本质安全型参考节点(1？2)接收的和其关于巷道的延伸方向的中心线中心对称的本质安全型参考节点(1？2)的周期广播信号的RSSI值；RB是该本质安全型参考节点(1？2)接收的和其处于不同矩形定位单元且同侧相邻的本质安全型参考节点(1？2)的周期广播信号？的RSSI值；移动节点ID是本质安全型移动节点(1？3)的编号；RE是该本质安全型参考节点(1？2)接收到的和移动节点ID对应的定位请求信号的RSSI值；矩形定位单元的宽d为巷道的宽；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通过测量或者已知的本质安全型参考节点(1？2)发射功率可以得出此值；？所述本质安全型移动节点(1？3)分配唯一的移动节点ID；向本质安全型参考节点(1？2)发送定位请求信号，并接收本质安全型参考节点(1？2)回送的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息，根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID，将第一次排序后保留的参考节点数据包和记录的相邻移动节点ID打包发送给地面监控终端(3？1)；？所述中心交换机(2)转发本质安全型移动节点(1？3)发送给地面监控终端(3？1)的参考节点数据包和相邻的移动节点ID、地面监控终端(3？1)发送给本质安全型参考节点(1？2)的矩形定位单元的部分信息；？所述地面监控终端(3？1)通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息，并将矩形定位单元的部分信息发送给对应的本质安全型参考节点(1？2)，矩形定位单元的信息包括该矩形定位单元的矩形定位单元号、矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM、单元内部...

【技术特征摘要】
1.一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，该系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络(I)，部署在地面的中心交换机(2)和安全监控和信息管理网络(3);所述的无线传感器子网络包括本质安全型汇聚网关节点(1-1)，本质安全型参考节点(1-2)，本质安全型移动节点(1-3);所述的安全监控和信息管理网络包括地面监控终端(3-1)，定位服务器(3-2)，上层终端(3-3);地面监控终端(3-1)和定位服务器(3-2)通过中心交换机(2)与本质安全型汇聚网关节点(1-1)构成有线网络，并通过本地网络将实时定位数据传送给上层终端(3-3);本质安全型汇聚网关节点(1-1)通过总线挂接在中心交换机(2)上；本质安全型移动节点(1-3)由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型参考节点(1-2)不对称的部署在巷道的墙壁上；本质安全型汇聚网关节点(1-1)，本质安全型参考节点(1-2)，本质安全型移动节点(1-3)构成无线定位网络；所述本质安全型汇聚网关节点(1-1)接收本质安全型移动节点(1-3)发送的无线数据，将其转换成有线数据发送给中心交换机(2);接收中心交换机(2)发送的有线数据，将其转换成无线数据发送给本质安全型参考节点(1-2)；所述本质安全型参考节点(1-2)分配唯一对应的矩形定位单元号和单元内部号；周期性的用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻本质安全型参考节点(1-2)的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择对应的周期广播信号的RSSI值更新参考节点数据包中的参数RA、RB，周期广播数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号，参考节点数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、RA、RB、移动节点ID、RE ;接收地面监控终端(3_1)发送的对应的矩形定位单元的部分信息，矩形定位单元的部分信息包括该本质安全型参考节点(1-2)所在矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和最大可能RSSI值RM ;接收本质安全型移动节点(1-3)发送的定位请求信号并根据定位请求信号更新参考节点数据包中的移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给本质安全型移动节点(1-3)；其中矩形定位单元号是对矩形定位单元的编号，从巷道口的第一个矩形定位单元起，随着巷道延伸方向编号依次增加；单元内部号是对处于同一个矩形定位单元内的本质安全型参考节点(1-2)的编号，依巷道延伸方向看去，从靠近巷道口且位于左手边的本质安全型参考节点(1-2)开始，沿逆时针方向依次编号为1、2、3、4 ;数据包类型标识符标记该数据包的类型；RA是该本质安全型参考节点(1-2)接收的和其关于巷道的延伸方向的中心线中心对称的本质安全型参考节点(1-2)的周期广播信号的RSSI值；RB是该本质安全型参考节点(1-2)接收的和其处于不同矩形定位单元且同侧相邻的本质安全型参考节点(1-2)的周期广播信号的RSSI值；移动节点ID是本质安全型移动节点(1-3)的编号；RE是该本质安全型参考节点(1-2)接收到的和移动节点ID对应的定位请求信号的RSSI值；矩形定位单元的宽d为巷道的宽；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通过测量或者已知的本质安全型参考节点(1-2)发射功率可以得出此值；所述本质安全型移动节点(1-3)分配唯一的移动节点ID ;向本质安全型参考节点(1-2)发送定位请求信号，并接收本质安全型参考节点(1-2)回送的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息，根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID，将第一次排序后保留的参考节点数据包和记录的相邻移动节点ID打包发送给地面监控终端(3-1)；所述中心交换机(2)转发本质安全型移动节点(1-3)发送给地面监控终端(3-1)的参考节点数据包和相邻的移动节点ID、地面监控终端...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继平，刘志勇，陈文超，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：实用新型
国别省市：