井下煤礦人員實時無線定位方法
2023-09-11 10:54:40
專利名稱：井下煤礦人員實時無線定位方法
技術領域：
本發明屬於無線傳感器網絡定位技術領域，特別是一種針對井下煤礦環境進行移動人員實時無線定位的方法。
背景技術：
近幾年以來，煤礦爆炸、塌方事件屢屢發生，如何保障礦井以及在煤礦中工作的礦工們的安全，這個問題越來越體現其重要性，對煤礦瓦斯災害，井下監測系統進行基礎研究變得非常必要，我國在這方面也加大了科技投入，力求能有所突破。
我國煤礦井下地質條件非常複雜，礦井巷道長可達幾十千米，工作環境惡劣，作業點分散，隨採掘工作面的推進，採煤機電設備和人員流動性大。安裝各種傳感器、布設電纜困難很大，即使依靠電纜傳輸信息，由於井下地面潮溼，電纜也會腐蝕嚴重，整個系統的可靠性較差，維護困難。由於定位區域在井下使得如GPS(GlobalPositioning System，全球定位系統)這些目前最著名精度最高的定位方式無用武之地。
發明內容
本發明的目的在於提供一種針對井下煤礦環境進行移動人員實時無線定位的方法。該方法需要移動節點與信標節點相互配合，移動節點置於礦工所戴礦帽內部，定位算法由移動節點分布式實現，從而產生較為準確的定位結果，並利用無線網絡傳輸至井上資料庫進行存儲。一旦有意外事故發生，就能夠根據資料庫中記錄的定位歷史記錄，迅速開展搜救工作，由於定位較準確，會大大加快救援的進度，減少事故帶來的損失。
為達到上述目的，本發明的構思是 本發明包括(1)基於無線節點射頻信號強度的分布式實時定位方法；(2)在礦井坑道內固定信標節點的布設方法；(3)RSSI與實際距離之間的轉換方法。
(1)基於無線節點射頻信號強度的分布式實時定位方法 本發明中井下的組網採用三種節點2.4GHZ信標節點，2.4GHZ移動節點，433MHZ數據傳輸節點。2.4GHZ信標節點自身的位置事先固定好，坐標也事先設定好，在進行實時定位時，信標節點在路由維護的同時也將自己的位置信息作為數據包的一部分，向周圍節點發送，同時2.4GHZ信標節點要負責對接收到移動節點發來的坐標位置的進行轉發；定位算法在2.4GHZ移動節點上運行，計算得到的定位結果將發送給路由中確定的上級節點；433MHZ數據傳輸節點主要負責將井下數據進行長距離的傳送，鑑於坑道的事故主要發生在掘進面處，在433MHZ區域內將不對井下人員實施定位，只在進入礦井口的地方，做一定的出入檢測。
由於定位的區域長寬比例相差較大，採用直線型的一位定位能夠得到較準確的定位結果，且能滿足傳感器節點本身的計算能力以及能耗方面的要求。對於每一段直線坑道採用一維算法定位，而為了解決坑道轉角時候出現的一維切換問題，在轉角處特別設置兩個發射功率很小的信標節點用於檢測是否出現切換，並且測定切換的方向。
(2)在礦井坑道內固定信標節點的布設方法 經勘查，掘進面的坑道具有自己的特點，其主要是呈「U」字形，距地表深度也有幾十米至上百米，兩邊的運煤通道長可達幾公裡，而中間挖煤坑道的實際長度從200～500m不等，寬度則相對比較窄，只有10-20m。對井下監測而言，挖煤坑道容易發生礦難、塌方的地方，即需要實時定位的區域。在信標點布設的時候，煤層的一邊基本無法布點，因此，信標點只能布設在坑道的靠近支撐的一側信標節點只能放在靠近支撐的一側，使得進行二維以上定位的定位算法無法使用。
信標節點除了靠近支撐面布設之外，也不能將節點緊貼坑道牆面放置，因為根據實際實驗，當無線節點緊貼牆面時，由於電磁波牆面反射等等影響，使得無線傳播特性嚴重偏離了常規理論特性，使得整個定位方案無法正常運行。
(3)RSSI與實際距離之間的轉換方法 很多無線收發晶片都具有接收信號功率指標RSSI(Received Signal StrengthIndicator)，通過實驗，調節無線收發晶片的發射功率，測定其RSSI值與實際距離之間的關係，形成具體的轉換曲線與方法。將該轉換方法應用於定位方案中，可以簡單快速地獲得兩個無線節點之間的距離。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本發明的方案根據坑道的具體特點以及所使用無線節點的具體情況，提出了可行的井下定位算法，信標節點的井下布設方案，並且能夠在移動人員的實時跟蹤定位中取得了較為準確的結果，同時根據RSSI與實際距離之間的轉換關係的測定，也為其他的無線應用提供了一定的理論和實踐基礎。該發明可以廣泛應用於各種礦井的井下移動人員或設備的實時定位，能相當程度上地提高礦區的管理水平，在意外事故發生時，提供歷史數據以供救援所需，大大減少了事故造成的損失。
附圖1為井下無線定位示意圖； 附圖2為定位算法實現的流程圖； 附圖3為井下坑道內信標節點布設以及轉角處定位切換示意圖； 附圖4為RSSI與實際距離之間的分段線性化轉換曲線(10dbm)。
具體實施例方式 本發明的一個優選實施例結合附圖詳述如下 參見圖1，本井下煤礦人員實時無線定位方法如下採用的無線傳感路由網絡系統由(1)移動節點、(2)無線主幹線、(3)固定無線節點、(4)井上管理中心四部分組成。移動節點與信標節點進行信息交互，利用數據包記載的信標節點的位置信息，在移動節點上運行定位算法，實現分布式定位，將定位位置加載到數據包上通過無線主幹線傳輸至井上管理中心，所有傳輸過程通過無線方式進行。管理中心的主要作用是接受移動節點的位置信息，並將其存儲到自己的資料庫當中，以便在意外發生時取出，方便救援工作的進行。
本方法中所有定位信息數據包的傳輸均建立在路由維護信息能夠正常傳送的基礎上，實際上是在路由包中開闢出一段數據段專門用來存放，移動節點的更新位置信息，這樣同時也能夠減小網絡的通信開銷。在定位實施前，所有節點均已進行了區別號碼的編制，每個節點都擁有屬於自己的一個號碼。
圖2示出節點定位算法實現的流程，考慮到傳感器計算能力，能耗等方面的限制，以及坑道本身長寬比例相差懸殊的特點，在本方法中對直線坑道使用了一維的定位算法，算法的運行位置在移動節點上，移動節點定時接受上級信標節點發來的數據包，計算得到的位置再轉發給自己的上級節點。算法步驟如下 1、以收到的信標節點的數據填寫二維矩陣，第一行為所收到的信標節點的X坐標值，第二行為該待測節點與所收到信標節點之間的距離值，該值從RSSI值根據上節所述關係換算得來。矩陣列數即為該待測節點所能接受到得信標總數。
2、按照矩陣中所有X坐標得大小對矩陣進行從小到大的重新排序，並將對應的距離值也做相應的排序。
3、作誤差函數 上式中E為平均誤差值，N為接受到的信標總數，xi為信標坐標，di為信標與待測節點距離值，X即為所要求解的待測節點坐標值。
為使平均誤差值E最小，則對誤差函數求導 令則有 對於不同區間，若X＞xi，則 若X＜xi，則 4、對出現在應有範圍之外的解，取所有能夠接受的信標端點坐標值，代入誤差函數，取使E函數最小的信標點值作為X的估計值。因為極小值在定義域外的情況說明極值點應該在信標端點上。
5、對估計X坐標作以0.5為權值與前一次計算坐標作線性濾波，從而得到待測節點的最終估計X坐標值。
圖3示出井下坑道內信標節點布設以及轉角處定位切換，根據掘井面的坑道的自身特點，信標節點只能布設在挖煤坑道的支撐面一側，以200m長，10m寬的坑道為例，節點通信範圍應設為大於兩個信標節點間距的距離，這樣是為了保證路由的冗餘性，同時也保障了在有節點出現故障時候，實時定位的結果仍然能夠通過網路的備份路由傳送到井上。假設，兩個信標點之間的距離為10m，即每隔10米放置一個信標節點，則節點的通信範圍應設為20m-30m，這樣就能保證數據鏈路的暢通。這裡還要考慮一點，信標點不能緊貼坑道壁，需要稍微離開一點距離布設，這是因為在實驗當中發現，當信標點直接貼著牆面放置時，其無線的射頻特性會嚴重偏離常規理論特性發射、接收信號時有時無，即使接受到信號，抖動也非常的嚴重，根本無法用RSSI進行於實際距離之間的轉換。從理論上分析這一現象，主要是由於牆面的電磁反射，散射等效應，使得2.4GHZ的射頻信號受到嚴重的幹擾。
除了在直線坑道內布設信標節點，在轉角處布設如圖3所示的(1)(2)兩個小功率信標節點，專門用於檢測定位切換，並且實現切換方向的判定。這兩個節點所設置的功率很小，通信距離只有5m甚至更小，它能夠參與整個路由協議的維護，但是並不參與定位，因為定位需要根據統一化的標準進行RSSI與實際距離的轉換，這兩個節點通信範圍小於其他信標節點，不能參與定位。對於轉角處的定位切換可包括以下幾個方面規定 1、由於兩個特殊節點的功率很小以至於稍遠的地方就收不到其發出的信號，只有當移動節點靠近時候，才能正常接收到這兩個節點的信號，即當移動節點移動到直線坑道邊緣處，才會接受這兩個節點的信號。
2、兩個直線坑道的定位分別設為X向和Y向，當移動節點到達X，Y向定位轉角的時候會根據接收這兩個小功率節點的順序決定自己的切換是否發生以及切換的方向。
3、當移動節點只收到兩個小功率節點中一個的信號時，並不進行坐標與定位的切換，所有的切換必須在收到兩個節點之後進行。
4、僅當移動節點順序收到(1)、(2)，則表示定位將從X向切換到Y向，反之則由Y向切換到X向。
圖4示出無線節點功率設為-10dbm時，RSSI寄存器讀取值(十進位)與實際距離之間的轉換曲線。由於從寄存器中讀取的數據為十六進位的，但為了方便轉換曲線的繪製，在圖4作已經對十六進位數做了十進位的轉化。在CC2420無線收發晶片中自帶了一個RSSI(Received Signal Strength Indicator)，即接收信號功率指標，通過對該指標的分析，可以在無線收發當中得到與發送方的距離值。RSSI值可由RSSI.RSSI_VAL寄存器讀出，它是一個8bit的數值。對於該數值，是在接受方連續經過8個符號周期(128μs)，並由8位的AD轉換後，再對RSSI值進行平均得到的結果。
接受功率可由下式進行計算P＝RSSI_VAL+RSSI_OFFSET[dBm] 其中RSSI_VAL是8bit的數字值，而RSSI_OFFSET是一個偏移量，根據系統開發經驗，Chipon給的該偏移值是-45dBm，即如果由RSSI得到的是-15dbm的話，則實際的射頻輸入功率大約是-60dBm。然而無線傳輸畢竟有其明顯的不穩定性，節點放置高度、周圍環境、收發天線的方向等都會影響RSSI的值。根據加州大學伯克利分校，電子工程與計算機科學系所公布的實驗數據，在室外的時候通常RSSI_OFFSET這個偏移量不是-45dBm，需要具體現場測試並加以校正。
向TXCTRL.PA_LEVEL寄存器寫入值可以調整傳感器節點的通信範圍，本方案中設置無線節點發射功率為-10dBm，根據實驗數據，距離發送點2m以內的節點收到的RSSI基本都是0X80以下的值，距離發送點2m以外的節點收到的RSSI基本是0X80以上的值，在距離為40米左右時，信號衰減嚴重，以致基本無法正常接收。以測得的數據作曲線擬合，基本符合自然對數的分布規律，對曲線分段線性化後得到RSSI值與距離的對應關係，如圖4。由於在實際測量中，所有的數據均採用整數化、數位化處理，這使得轉換關係能夠更加簡化，在此本方案也提供了一張在可測範圍之內的RSSI值與實際距離對應的數據表以供參考，如表1所示。
表1 可測範圍內部分RSSI值與實際距離的對應表
權利要求
1.一種井下煤礦人員實時無線定位方法，其特徵在於採用移動節點與信標節點相互配合，移動節點置於礦工所戴礦帽的內部在礦井坑道內固定信標節點，定位算法採用基於無線節點射頻信號強度的分布式實時定位方法或接收信號功率指標RSSI與實際距離之間的轉換方法，從而產生較為準確的定位結果，並利用無線網絡傳輸至井上資料庫進行存儲。
2.根據權利要求1所述的井下煤礦人員實時無線定位方法，其特徵在於所述的基於無線節點射頻信號強度的分布式實時定位方法為坑道內一維定位算法，具體步驟如下
a.以收到的信標節點的數據填寫二維矩陣，第一行為所收到的信標節點的X坐標值，第二行為該待測節點與所收到信標節點之間的距離值，該值從RSSI值換算得來，該二維矩陣的列數即為該待測節點所能接受到得信標節點總數；
b.按照上述二維矩陣中所有X坐標得大小對二維矩陣進行從小到大的重新排序，並將對應的距離值也做相應的排序；
c.作誤差函數
上式中E為平均誤差值，N為接受到的信標總數，xi為信標坐標，di為信標與待測節點距離值，X即為所要求解的待測節點坐標值；
為使平均誤差值E最小，則對誤差函數求導後
令則有
d.對出現在應有範圍之外的解，取所有能夠接受的信標端點坐標值，代入誤差函數，取使E函數最小的信標點值作為X的估計值。因為極小值在定義域外的情況說明極值點應該在信標端點上。
e.對估計X坐標作以0.5為權值與前一次計算的X坐標作線性濾波，從而得到待測節點的最終估計X坐標值。
3.根據權利要求1所述的井下煤礦人員實時無線定位方法，其特徵在於所述的在礦井坑道內固定信標節點的布設方法是根據掘井面的坑道的自身特點，信標節點只能布設在挖煤坑道的支撐面一側，但不能緊貼坑道壁布設，每隔有效距離放置一個，保證在一個節點通信範圍內至少能夠有兩個節點與它進行通信。
4.根據權利要求3所述的井下煤礦人員實時無線定位方法，其特徵在於對井下轉角處的定位方法是在坑道轉角布設兩個小功率信標節點，用於檢測定位切換，並且實現切換方向的判定，所設置的功率很小，通信距離只有5m甚至更小，能夠參與整個路由協議的維護，但是並不參與定位；對於轉角處的定位切換包括以下幾個方面規定
a.由於兩個小功率信標節點的功率很小以至於稍遠的地方就收不到其發出的信號，只有當移動節點靠近時候，才能正常接收到這兩個節點的信號，即當移動節點移動到直線坑道邊緣處，才會接受到這兩個節點的信號；
b.兩個直線坑道的定位分別設為X向和Y向，當移動節點到達X、Y向定位轉角的時候會根據接收這兩個小功率信標節點的順序決定自己的切換是否發生以及切換的方向；
c.當移動節點只收到兩個小功率節信標點中一個節點的信號時，並不進行坐標與定位的切換，所有的切換必須在收到兩個節點之後進行。
d.僅當按一定順序收到這兩個移動節點信息時，才將從X向切換到Y向，反之則由Y向切換到X向。
5.根據權利要求1所述的井下煤礦人員實時無線定位方法，其特徵在於所述的接收信號功率指標RSSI與實際距之間的轉換方法是當無線節點功率設為-10dbm時，RSSI寄存器十進位讀取值與實際距離之間的轉換關係用分段線性化曲線來表示；經過實驗數據整理分析以後，在可測範圍內形成一張RSSI寄存器十六進位讀取值與實際距離的對應關係表如下
全文摘要
本發明涉及一種井下煤礦人員實時無線定位方法。本方法包括(1)基於無線節點射頻信號強度的分布式實時定位方案；(2)在礦井坑道內固定信標節點的布設方法；(3)RSSI值與實際距離之間的轉換方法。本發明可廣泛應用於各種礦井監測系統，方便實施對井下人員等移動目標進行跟蹤監控，以保證安全生產，特別是當有意外發生之後，可以根據所存儲的意外發生前的歷史數據，對井下人員進行有針對性的搜救，降低事故所造成的損失。同時該發明也有利於礦井管理人員進行工作調度，以提高整個礦區的監督管理水平和工作效率。
文檔編號G01S5/02GK101187702SQ20071017181
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月6日 優先權日2007年12月6日
發明者施惠昌, 沈明華, 趙佐平, 田金鵬 申請人:上海大學