基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統的製作方法

2023-10-09 07:20:14 3

專利名稱：基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種定位系統，具體的講，是涉及一種基於無線傳感器網絡(ffirelesssensor network)的煤礦井下一維定位系統。
背景技術：
煤炭是我國的主要能源，約佔一次能源的70%，在我國95%以上的煤礦是井下人工開採。由於地質條件複雜、開採科學技術水平較低、管理不善等原因，導致我國煤礦安全事故頻發，造成的生命財產及社會影響是難以估量的，嚴重製約著我國煤炭行業的健康發展，因此有必要研究適合於井下的人員定位系統，這對於提高生產效率、保障井下人員的安全、災後及時搶救具有重要的意義。我國煤礦井下是一個特殊的受限環境，它是由各種縱橫交錯、形狀不同、長短不一的巷道組成，其長度可達幾十到上百公裡。而且礦井巷道空間狹小，無線信號在巷道內存在大量的反射、衍射、散射以及投射現象，設備功率需滿足井下防爆的要求；同時由於巷道相對封閉，不能藉助GPS等地面已有的衛星定位來輔助井下定位。由此可見，地面成熟的定位方法和系統無法直接用在井下。我國現有的井下人員定位系統大多是採用基於RFID (Radio FrequencyIdentification)射頻識別技術的定位系統。中國專利申請01122258. I公開了一種井下人員智能定位安全管理系統，它由電子識別卡、巷道詢問接收裝置和管理調度中心構成。井下工作人員佩戴電子識別卡，識別卡寫入員工的電子編號，由礦燈電瓶供電，當識別卡收到巷道詢問接收裝置的詢問信號後，應答發射井下工作人員的編號信號，巷道詢問接收裝置收到應達的信號傳送給管理調度中心，管理調度中心記錄該信號和發生的時間。通過多點定位接收可以對井下工作人員進行跟蹤定位，但是該發明只能確定井下工作人員的位置在詢問裝置的接收範圍內，而一般的井下無線通信距離都為幾十米的數量級，所以該定位系統的定位精度也是幾十米的數量級，定位精度很低。另一方面，多目標同時識別能力不強，也易出現卡間的相互幹擾。因此現有的定位系統無法滿足井下人員位置情況精確實時掌握的要求。無線傳感器網絡是由大量具有無線通信、數據採集和處理、協同合作等功能的無線傳感器節點協同組織起來，通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織網絡系統。和傳統的網絡相比，無線傳感器網絡具有以下特點(I)動態性網絡的拓撲結構可能因為很多因素的改變而變化，比如環境因素、新節點的加入和離開或已有的節點失效等；(2)自組織無線傳感器網路的動態性，要求傳感器節點需要具有自組織的能力，能夠自行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成能夠轉發數據的多跳無線傳感器網絡系統；(3)可靠性節點的維護可能性很小，通信機密和安全十分重要，傳感器網絡具有強壯性和容錯性；(4)以數據為中心在無線傳感器網絡中，節點採用編號標識，節點編號是否全網唯一取決於網絡通信協議的設計，用戶使用無線傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告給某個確定編號的節點，網絡在獲得指定事件的信息後匯報給用戶。因此，基於無線傳感器網絡的定位技術非常適合在煤礦井下使用。現有的無線傳感器網絡的定位方法主要有兩大類基於測距的定位方法(range-based)和無需測距的定位方法(range-free)。基於測距的定位方法主要有接收信號強度指不法(Received Signal Strength Indicator, RSSI)、到達時間法(Time OfArrival,TOA)、到達時間差法(Time Difference Of Arrival,TDOA)和到達角度法(AngleOf Arrival, Α0Α)，這類方法通過測量節點間點到點的距離或者角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或者最大似然估計法計算移動節點的位置，定位精度相對較高，但對節點硬體要求高、成本高，定位效果易受環境影響；無需測距的定位方法主要有質心算法、DV-Hop和APIT，這類方法無需距離和角度信息，僅根據網絡連通性等信息實現移動節點的定位，定位精度非常依賴參考節點的密度，在參考節點部署稀疏的情況下，定位誤差會很大。現有的基於無線傳感器網絡的定位系統大都採用上述的定位方法，然而由於井下巷道環境的特殊性，電磁波在井下的傳播是極其複雜的；而且由於巷道幾何形狀的約束和成本的考慮，參考節點不可能在一個平面內隨機、密集的部署，只能沿巷道方向部署。因此現有的基於無線傳感器網絡的定位方法和系統不能直接應用於煤礦井下。

實用新型內容為了克服上述不足，特別是為了克服礦井定位系統定位精度低、成本高、定位效果易受環境影響、巷道中本質安全型參考節點的部署數量和部署密度受限、礦井設備體制受限、結構複雜、功耗高等問題，本實用新型提供了一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統。該系統充分利用無線傳感器網絡的成本低、設備體積小、結構簡單、功耗低等特點，並結合礦井巷道實際工作環境，利用有限的本質安全型參考節點實現精確的目標定位，滿足了礦井生產調度和災後及時救援的需要。為了達到上述目的，本實用新型採用下述技術方案一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡，部署在地面的中心交換機和安全監控和信息管理網絡；所述的無線傳感器子網絡包括本質安全型匯聚網關節點，本質安全型參考節點，本質安全型移動節點；所述的安全監控和信息管理網絡包括地面監控終端，定位伺服器，上層終端；地面監控終端和定位伺服器通過中心交換機與本質安全型匯聚網關節點構成有線網絡，並通過本地網絡將實時定位數據傳送給上層終端；本質安全型匯聚網關節點通過總線掛接在中心交換機上；本質安全型移動節點由井下作業人員或者機械裝置攜帶；本質安全型參考節點不對稱的部署在巷道的牆壁上；本質安全型匯聚網關節點，本質安全型參考節點，本質安全型移動節點構成無線定位網絡；所述本質安全型匯聚網關節點接收本質安全型移動節點發送的無線數據，將其轉換成有線數據發送給中心交換機；接收中心交換機發送的有線數據,將其轉換成無線數據發送給本質安全型參考節點；所述本質安全型參考節點分配唯一對應的矩形定位單元號和單元內部號；周期性的用周期廣播數據包的格式向外發送周期廣播信號，接收其他相鄰本質安全型參考節點的周期廣播數據包並提取對應的周期廣播信號的RSSI值，根據周期廣播數據包的參數識別周期廣播信號，選擇對應的周期廣播信號的RSSI值更新參考節點數據包中的參數RA、RB，周期廣播數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號，參考節點數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號、RA、RB、移動節點ID、RE ;接收地面監控終端發送的對應的矩形定位單元的部分信息，矩形定位單元的部分信息包括該本質安全型參考節點所在矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和最大可能RSSI值RM;接收本質安全型移動節點發送的定位請求信號並根據定位請求信號更新參考節點數據包中的移動節點ID、RE後回送參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息給本質安全型移動節點；其中矩形定位單元號是對矩形定位單元的編號，從巷道口的第一個矩形定位單元起，隨著巷道延伸方向編號依次增加；單元內部號是對處於同一個矩形定位單元內的本質安全型參考節點的編號，依巷道延伸方向看去，從靠近巷道口且位於左手邊的本質安全型參考節點開始，沿逆時針方向依次編號為1、2、3、4 ;數據包類型標識符標記該數據包的類型；RA是該本質安全型參考節點接收的和其關於巷道的延伸方向的中心線中心對稱的本質安全型參考節點的周期廣播信號的RSSI值；RB是該本質安全型參考節點接收的和其處於不同矩形定位單元且同側相鄰的本質安全型參考節點的周期廣播信號的RSSI值；移動節點ID是本質安全型移動節點的編號；RE是該本質安全型參考節點接收到的和移動節點ID對應的定位請求信號的RSSI值；矩形定位單元的寬d為巷道的寬；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通過測量或者已知的本質安全型參考節點發射功率可以得出此值；所述本質安全型移動節點分配唯一的移動節點ID ;向本質安全型參考節點發送定位請求信號，並接收本質安全型參考節點回送的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息，根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾、根據參考節點數據包中的RE對過濾後的參考節點數據包做第一次排序並記錄相鄰的移動節點ID，將第一次排序後保留的參考節點數據包和記錄的相鄰移動節點ID打包發送給地面監控終端；所述中心交換機轉發本質安全型移動節點發送給地面監控終端的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID、地面監控終端發送給本質安全型參考節點的矩形定位單元的部分
信息；所述地面監控終端通過建立資料庫記錄每個矩形定位單元的信息，並將矩形定位單元的部分信息發送給對應的本質安全型參考節點，矩形定位單元的信息包括該矩形定位單元的矩形定位單元號、矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM、單元內部號以及和單元內部號相對應的參考節點坐標X ;接收本質安全型移動節點發送的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID，根據參考節點數據包中的矩形定位單元號和單元內部號搜索資料庫，利用搜索到的矩形定位單元的信息、參考節點數據包中的參數和記錄的相鄰移動節點ID，通過計算、排序和比較數值大小得出本質安全型移動節點的位置，並發送給定位伺服器和上層終端；其中參考節點坐標X是該本質安全型參考節點相對於巷道口的距離；所述定位伺服器接收並存儲本質安全型移動節點的位置。所述的總線可以是CAN總線，或區域網總線，或RS-485總線。所述本質安全型參考節點包括處理器單元、存儲器單元、無線收發器單元、電源單元。所述本質安全型移動節點包括處理器單元、存儲器單元、無線收發器單元、電源單元。所述地面監控終端包括處理器單元、存儲器單元、有線接口、電源接口。所述無線傳感器子網絡中的設備均採用本質安全型防爆設備。所述矩形定位單元是從巷道口起把巷道劃分為多個連續不重疊的長邊相等的矩形區間，每個區間即是一個矩形定位單元，矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和節點的通信半徑r之間滿足7d < D < 2r。所述本質安全型參考節點不對稱的部署在巷道的牆壁上是指每個矩形定位單元內，以矩形定位單元的中心為原點，巷道延伸方向為正方向建立矩形定位單元一維坐標系，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為-2D/7處的兩側牆壁上各部署一個本質安全型參考節點，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為3D/7處的兩側牆壁上各部署一個本質安全型參考節點，本質安全型參考節點離地的高度與本質安全型移動節點的高度基本一致。所述的本質安全型移動節點根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾是本質安全型移動節點只存儲參考節點數據包中的參數移動節點ID和自己ID相同的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息；所述的根據參考節點數據包中的參數RE對過濾後的參考節點數據包做第一次排序是根據過濾後的參考節點數據包中的參數RE的數值大小，按從大到小的順序對參考節點數據包做第一次排序，排序後儘可能多的保留但最多只保留排在前六位的參考節點數據包和排在第一位的參考節點數據包所對應的矩形定位單元的部分信息；所述的記錄相鄰的移動節點ID是其他本質安全型移動節點收到定位請求信號後發送回覆信號，如果回覆信號的RSSI值R滿足RAl+(dl-Dl/14) (RMl-RAl)/dl 彡 R則記錄該本質安全型移動節點的移動節點ID ;其中RAl是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包中的參數RA ;Dl、dl、RMl是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的矩形定位單元的部分信息中的D、d、RM。本實用新型的有益效果在於I.通過利用無線傳感器網絡的自組織、多跳和無線通信的特點，使得設備的功耗大幅度降低，系統設備結構簡單、體積小，適合在煤礦巷道使用。2.通過採用把巷道劃分為矩形定位單元，使得定位更加適合巷道狹長的特點；在矩形定位單元內不對稱的部署本質安全型參考節點，降低了本質安全型參考節點數量和密度的要求，節約成本。3.本質安全型參考節點利用其他相鄰本質安全型參考節點的周期廣播信號可以動態更新定位時回送給本質安全型移動節點的參考節點數據包，定位時所利用的參考節點數據包當中的參數是隨著巷道環境的改變而改變的；利用參考節點數據包當中的參數和資料庫中的信息，通過計算、排序和比較數值大小就可以實現本質安全型移動節點的定位，一方面定位方法簡單，減小了計算所帶來的時延，另一方面可以避免定位誤差特別大的情況，提高了定位精度，而且定位精度受環境影響小。[0035]4.採用以樹形為主的網絡結構，在系統某一末段設備發生故障時，不會影響其他部分的正常運行，提高了系統的抗災變能力。

圖I是本實用新型的本質安全型參考節點部署圖；圖2是本實用新型的本質安全型參考節點的周期廣播數據包格式示意圖；圖3是本實用新型的本質安全型參考節點的參考節點數據包格式示意圖；圖4是本實用新型的矩形定位單元區域圖；圖5是本實用新型的定位系統組成框圖；圖6是本實用新型的定位方法流程圖；圖7是本實用新型的本質安全型參考節點和本質安全型移動節點的電路框圖；圖8是本實用新型的地面監控終端電路框圖；圖中1、無線傳感器子網絡；1_1、本質安全型匯聚網關節點；1_2、本質安全型參考節點；1_3本質安全型移動節點；2、中心交換機；3、安全監控和信息管理網絡；3-1、地面監控終端；3-2、定位伺服器；3-3、上層終端。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細描述，但以下描述僅是說明性的，本實用新型的保護範圍並不受下面描述的限制。本實用新型實現的是一維定位，資料庫中各本質安全型參考節點的參考節點坐標X均是指其相對於巷道口的距離，節點坐標小說明其距離巷道口近，節點坐標大說明其距離巷道口遠。I.圖I是本實用新型的本質安全型參考節點部署圖。如圖I所示，從巷道口起巷道被劃分為多個連續不重疊的長邊相等的矩形區間，每個區間即是一個矩形定位單元，圖I中虛線框內的巷道部分即為一個矩形定位單元；矩形定位單元的寬d為巷道的寬，為了保證本質安全型移動節點在巷道內的任何位置都可以和至少四個本質安全型參考節點通信，矩形定位單元的長D和節點通信半徑r之間需要滿足D < 2r ;矩形定位單元號是對矩形定位單元的編號，從巷道口的第一個矩形定位單元起，隨著巷道延伸方向編號依次增加；圖I中，虛線框表示的矩形定位單元的矩形定位單元號為N，相鄰的兩個矩形定位單元的矩形定位單元號分別為N-I和N+1，這三個矩形定位單元是連續、不重疊、長邊相等的；每個矩形定位單元內，以矩形定位單元的中心為原點，巷道延伸方向為正方向建立矩形定位單元一維坐標系，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為-2D/7處的兩側牆壁上各部署一個本質安全型參考節點，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為3D/7處的兩側牆壁上各部署一個本質安全型參考節點，本質安全型參考節點離地的高度與本質安全型移動節點的高度基本一致。單元內部號是對處於同一個矩形定位單元內的本質安全型參考節點的編號，依巷道延伸方向看去，從靠近巷道口且位於左手邊的本質安全型參考節點開始，沿逆時針方向依次編號為1、2、3、4。圖I中，矩形定位單元號為N的矩形定位單元內部署了四個本質安全型參考節點，單元內部號的編號規則如圖I中圈內的數字所示，矩形定位單元號為N、單元內部號為I和2的本質安全型參考節點所對應的矩形定位單元一維坐標系的坐標為-2D/7，矩形定位單元號為N、單元內部號為3和4的本質安全型參考節點所對應的矩形定位單元一維坐標系的坐標為3D/7。最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通過測量或者已知的本質安全型參考節點發射功率可以得出此值；參考節點坐標X是該本質安全型參考節點相對於巷道口的距離。通過建立資料庫記錄每個矩形定位單元的信息，矩形定位單元的信息包括該矩形定位單元的矩形定位單元號、矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM、單元內部號以及和單元內部號相對應的參考節點坐標X，矩形定位單元的部分信息包括該矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM ;矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM和矩形定位單元號是一一對應的，用矩形定位單元號去搜索資料庫可以得到相應的矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM;參考節點坐標X和矩形定位單元號、單元內部號是一一對應的，用矩形定位單元號和單元內部號去搜索資料庫可以得到相應的參考節點坐標X。2.圖2是本實用新型的本質安全型參考節點的周期廣播數據包格式示意圖。如圖2所示，本質安全型參考節點的周期廣播數據包中包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號。本質安全型參考節點被分配唯一的矩形定位單元號和單元內部號，兩者是一一對應的關係，通過周期廣播數據包中的矩形定位單元號和單元內部號可以識別出該周期廣播信號是由哪個本質安全型參考節點發送的。3.圖3是本實用新型的本質安全型參考節點的參考節點數據包格式示意圖。如圖3所示,本質安全型參考節點的參考節點數據包包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號、RA、RB、移動節點ID、RE ;其中數據包類型標識符標記該數據包的類型；RA是該本質安全型參考節點接收的和其關於巷道的延伸方向的中心線中心對稱的本質安全型參考節點的周期廣播信號的RSSI值；RB是該本質安全型參考節點接收的和其處於不同的矩形定位單元且同側相鄰的本質安全型參考節點的周期廣播信號的RSSI值；移動節點ID是本質安全型移動節點的編號；RE是該本質安全型參考節點接收到的和移動節點ID相對應的定位請求信號的RSSI值。結合圖I中的矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點來說明參數的含義RA是矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點接收到矩形定位單元號為N，單元內部號為2的本質安全型參考節點的周期廣播信號的RSSI值；RB是矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點接收到矩形定位單元號為N-1，單元內部號為4的本質安全型參考節點的周期廣播信號的RSSI值。參考節點數據包和資料庫中的矩形定位單元的信息是一一對應的，用參考節點數據包中的矩形定位單元號搜索資料庫，可以得到相應的矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM，用參考節點數據包中的矩形定位單元號和單元內部號去搜索資料庫可以得到相應的參考節點坐標X。4.圖4是本實用新型的矩形定位單元區域圖。如圖4所示，一個矩形定位單元被劃分為七個等長的區域，每個區域的長度為D/7 ;每個區域都有獨特的特徵，本實用新型採用的定位方法實質上是通過獨特的特徵來判斷本質安全型移動節點當前所處的區域，然後把所處區域中心的一維坐標作為本質安全型移動節點的當前位置坐標。當距離比較小時，RSSI值隨距離增加的衰減曲線斜率大且曲線光滑，截取很小的一段曲線，可以認為這一小段曲線是直線；在這段直線上，利用已知的兩對距離和RSSI的對應關係可以求出其他距離所對應的RSSI值，而且可以通過比較RSSI值的大小來判斷距離的大小。下面以矩形定位單元號為N的矩形定位單元為例，對ARl和AR2區域的特徵進行說明如圖4所示，ARl區域可以被劃分為兩個虛線所示的相交的半圓，兩個半圓都以本質安全型參考節點為圓心，半徑都是D/14，為了保證兩個半圓相交，矩形定位單元的長D和矩形定位單元的寬d之間需要滿足7d < D ;在任何一個半圓內時，認為RSSI和距離的關係是線性的，利用最大可能RSSI值RM和參考節點數據包中的參數RA，可以求出當本質安全型移動節點位於圓上時和位於該圓圓心處的本質安全型參考節點之間通信信號的RSSI值；如果有本質安全型參考節點接收到本質安全型移動節點發送的定位請求信號的RSSI值不小於上述求出的RSSI值，那麼可以判斷出本質安全型移動節點在以該本質安全型參考節點為圓心的半圓內或半圓上。當本質安全型移動節點位於矩形定位單元號為N的矩形定位單元的ARl區域時,根據參考節點數據包中參數RE的值,按從大到小的順序對參考節點數據包排序，那麼排在第一位的參考節點數據包是矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點所對應的參考節點數據包或者是矩形定位單元號為N，單元內部號為2的本質安全型參考節點所對應的參考節點數據包，且排在第一位的參考節點數據包中的參數RE滿足位於以該本質安全型參考節點為圓心的半圓內或半圓上時的條件；同理，當本質安全型移動節點位於矩形定位單元號為N的矩形定位單元的AR2區域時，根據參考節點數據包中參數RE的值，按從大到小的順序對參考節點數據包排序，那麼排在第一位的參考節點數據包是矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的參考節點數據包或者是矩形定位單元號為N，單元內部號為4的本質安全型參考節點所對應的參考節點數據包，且排在第一位的參考節點數據包中的參數RE滿足位於以該本質安全型參考節點為圓心的半圓內或半圓上時的條件。RSSI值和距離的關係不是線性的，但是基本上呈現出RSSI值隨著距離的增加而減小的趨勢，可以通過比較和不同的本質安全型參考節點之間通信信號的RSSI值大小來判斷到這些不同本質安全型參考節點的距離的大小，根據和本質安全型參考節點之間通信信號的RSSI值大小對和本質安全型參考節點對應的參考節點數據包排序，不同的順序對應著不同的距離大小關係，即不同的順序對應著不同的區域。 同胞參考節點是處於同一個矩形定位單元，單元內部號為I和2或者3和4的一對本質安全型參考節點，其實同胞參考節點是指巷道兩側牆壁上關於巷道的延伸方向的中心線中心對稱的一對本質安全型參考節點，同胞參考節點的兩個本質安全型參考節點的參考節點坐標X是相同的。同胞參考節點處理是對同胞參考節點所發送的兩個參考節點數據包的處理，參考節點數據包中的參數數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號、移動節點ID不變，求出兩個參考節點數據包中剩餘參數的平均值，用求出的平均值更新單元內部號小的參考節點數據包中的對應參數，並只保留用平均值更新過的參考節點數據包。同胞參考節點處理實際上是對參考節點數據包中參數RA、RB、RE的平均，平均可以使這些參數更準確；可以濾除RSSI和距離關係曲線當中的突變點，使RSSI值和距離的關係更好的符合RSSI值隨著距離的增加而減小的趨勢。[0062]下面以矩形定位單元號為N的矩形定位單元為例，對AR3、AR4、AR5、AR6和AR7區域的特徵進行說明從圖4可以看出，矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點和矩形定位單元號為N，單元內部號為4的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點關於矩形定位單元一維坐標系的坐標為D/14處的矩形定位單元長邊的垂線是中心對稱的，這裡所說的同胞參考節點關於矩形定位單元一維坐標系的坐標為D/14處的矩形定位單元長邊的垂線是中心對稱是指矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點和矩形定位單元號為N，單元內部號為4的本質安全型參考節點關於矩形定位單元一維坐標系的坐標為D/14處的矩形定位單元長邊的垂線是中心對稱，矩形定位單元號為N，單元內部號為2的本質安全型參考節點和矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點關於矩形定位單元一維坐標系的坐標為D/14處的矩形定位單元長邊的垂線也是中心對稱；同理，矩形定位單元號為N-1，單元內部號為4的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點和矩形定位單元號為N+1，單元內部號為I的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點關於矩形定位單元一維坐標系的坐標為D/14處的矩形定位單元長邊的垂線是中心對稱的；矩形定位單元號為N-1，單元內部號為4的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點和矩形定位單元號為N，單元內部號為4的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點關於矩形定位單元一維坐標系的坐標為-D/14處的矩形定位單元長邊的垂線是中心對稱的；矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點和矩形定位單元號為N+1，單元內部號為I的本質安全型參考節點所屬的同胞參考節點關於矩形定位單元一維坐標系的坐標為3D/14處的矩形定位單元長邊的垂線是中心對稱的。當本質安全型移動節點位於矩形定位單元號為N的矩形定位單元的AR3區域時，由上述的同胞參考節點的中心對稱關係可以得出本質安全型移動節點到矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點的距離比到矩形定位單元號為N，單元內部號為4的本質安全型參考節點的距離近，所以矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點的參考節點數據包中的參數RE比矩形定位單元號為N,單元內部號為4的本質安全型參考節點的參考節點數據包中的參數RE大；本質安全型移動節點到矩形定位單元號為N，單元內部號為2的本質安全型參考節點的距離比到矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點的距離近，所以矩形定位單元號為N，單元內部號為2的本質安全型參考節點的參考節點數據包中的參數RE比矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點的參考節點數據包中的參數RE大；作同胞參考節點處理後,矩形定位單元號為N,單元內部號為I的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE比矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE大；同理,作同胞參考節點處理後，矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE比矩形定位單元號為N-1，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE大；根據同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE的值,按從大到小的順序對同胞參考節點處理後的參考節點數據包排序，那麼排在第一位的是矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，排在第二位的是矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，也就是說排在第一位和第二位的參考節點數據包中的矩形定位單元號是一樣的，且排在第一位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X小於排在第二位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X ;同理，當本質安全型移動節點位於矩形定位單元號為N的矩形定位單元的AR4區域時，作同胞參考節點處理並根據同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE的值，按從大到小的順序對同胞參考節點處理後的參考節點數據包排序，那麼排在第一位的是矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，排在第二位的是矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，也就是說排在第一位和第二位的參考節點數據包中的矩形定位單元號是一樣的，且排在第一位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X大於排在第二位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X ；當本質安全型移動節點位於矩形定位單元號為N的矩形定位單元的AR5區域時，作同胞參考節點處理並根據同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE的值，按從大到小的順序對同胞參考節點處理後的參考節點數據包排序，那麼排在第一位的是矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，排在第二位的是矩形定位單元號為N-1，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，也就是說排在第一位和第二位的參考節點數據包中的矩形定位單元號是不一樣的，且排在第一位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X大於排在第二位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X ;同時，由於本質安全型移動節點到矩形定位單元號為N-1，單元內部號為3的本質安全型參考節點的距離比矩形定位單元號為N，單元內部號為2的本質安全型參考節點到矩形定位單元號為N-1，單元內部號為3的本質安全型參考節點的距離遠，本質安全型移動節點到矩形定位單元號為N-1，單元內部號為4的本質安全型參考節點的距離比矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點到矩形定位單元號為N-I，單元內部號為4的本質安全型參考節點的距離遠，所以作同胞參考節點處理後，矩形定位單元號為N，單元內部號為I的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RB比矩形定位單元號為N-1,單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE大，也就是說作同胞參考節點處理並根據同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE的值,按從大到小的順序對同胞參考節點處理後的參考節點數據包排序後，排在第一位的參考節點數據包中的參數RB大於排在第二位的參考節點數據包中的參數RE ；當本質安全型移動節點位於矩形定位單元號為N的矩形定位單元的AR6區域時，作同胞參考節點處理並根據同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE的值，按從大到小的順序對同胞參考節點處理後的參考節點數據包排序，那麼排在第一位的是矩形定位單元號為N，單元內部號為3的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，排在第二位的是矩形定位單元號為N+1，單元內部號為I的本質安全型參考節點所對應的同胞參考節點處理後的參考節點數據包，也就是說排在第一位和第二位的參考節點數據包中的矩形定位單元號是不一樣的，且排在第一位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X小於排在第二位的參考節點數據包對應的參考節點坐標X ;同時，排在第一位的參考節點數據包中的參數RB大於排在第二位的參考節點數據包中的參數RE ；當本質安全型移動節點位於矩形定位單元號為N的矩形定位單元的AR7區域時，作同胞參考節點處理並根據同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE的值，按從大到小的順序對同胞參考節點處理後的參考節點數據包排序，排在第一位和第二位的參考節點數據包是不確定的，但排在第一位和第二位的參考節點數據包中的矩形定位單元號總是不一樣的。同時，排在第一位的參考節點數據包中的參數RB小於排在第二位的參考節點數據包中的參數RE ；另外兩個本質安全型移動節點之間的通信也可以提高定位的精度；如ARl區域的分析，可以求出當本質安全型移動節點位於以本質安全型參考節點為圓心，半徑為D/14的圓上時和該圓圓心處的本質安全型參考節點之間通信信號的RSSI值，如果兩個本質安全型移動節點之間通信信號的RSSI值不小於上述求出的RSSI值，那麼這兩個本質安全型移動節點之間的距離是不大於D/14的，可以進一步修正這兩個本質安全型移動節點的位置；但是並不是所有滿足上述關係的兩個本質安全型移動節點都可以提高定位精度的，位於同一定位區域內的本質安全型移動節點的通信是不能提高任何定位精度的。只有當兩個處於相鄰定位區域的本質安全型移動節點，如果他們之間通信信號的RSSI值滿足上述關係，那麼就可以進一步提聞定位精度。5.圖5是本實用新型的定位系統組成框圖。如圖5所示，本實用新型基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡1，部署在地面的中心交換機2和安全監控和信息管理網絡3 ;無線傳感器子網絡包括本質安全型匯聚網關節點1-1，本質安全型參考節點1-2，本質安全型移動節點1-3 ;安全監控和信息管理網絡包括地面監控終端3-1，定位伺服器3-2，上層終端3-3 ;地面監控終端3-1和定位伺服器3-2通過中心交換機2與本質安全型匯聚網關節點1-1構成有線網絡,並通過本地網絡將實時定位數據傳送給上層終端3-3 ;本質安全型匯聚網關節點1-1通過總線掛接在中心交換機2上；本質安全型移動節點1-3由井下作業人員或者機械裝置攜帶；本質安全型匯聚網關節點1-1，本質安全型參考節點1-2，本質安全型移動節點1-3構成無線定位網絡；定位伺服器3-2與地面監控終端3-1連接，接收並存儲來自地面監控終端3-1的本質安全型移動節點的位置數據。地面監控終端3-1根據圖I所示矩形定位單元的劃分、本質安全型參考節點的部署通過建立資料庫記錄每個矩形定位單元的信息，並將矩形定位單元的部分信息通過中心交換機2和本質安全型匯聚網關節點1-1發送給對應的本質安全型參考節點1-2 ;接收本質安全型移動節點1-3發送的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID，根據參考節點數據包中的矩形定位單元號和單元內部號搜索資料庫，利用搜索到的矩形定位單元的信息、參考節點數據包中的參數和記錄的相鄰的移動節點ID，通過計算、排序和比較數值大小得出本質安全型移動節點1-3的位置，並發送給定位伺服器3-2 ;通過本地網絡將本質安全型移動節點位置數據發送給上層終端3-3。中心交換機2轉發本質安全型移動節點1-3發送給地面監控終端3-1的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID、地面監控終端3-1發送給本質安全型參考節點1-2的矩形定位單元的部分信息。本質安全型匯聚網管節點1-1負責數據在不同網絡之間切換，接收本質安全型移動節點1-3發送的無線數據，將其轉換成有線數據發送給中心交換機2 ;接收中心交換機2發送的有線數據，將其轉換成無線數據發送給本質安全型參考節點1-2。本質安全型參考節點1-2分配唯一對應的矩形定位單元號和單元內部號，從地面監控終端3-1接收對應的矩形定位單元的部分信息；周期性的用周期廣播數據包的格式向外發送周期廣播信號，接收其他相鄰本質安全型參考節點1-2的周期廣播數據包並提取對應的周期廣播信號的RSSI值，根據周期廣播數據包的參數識別周期廣播信號，選擇對應的周期廣播信號的RSSI值更新定位時回送給本質安全型移動節點1-3的參考節點數據包中的參數RA、RB ;接收本質安全型移動節點1-3發送的定位請求信號並根據定位請求信號更新參考節點數據包中的移動節點ID、RE後回送參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息給本質安全型移動節點1-3 ;本質安全型移動節點1-3分配唯一的移動節點ID ;向本質安全型參考節點1-2發送定位請求信號，並接收本質安全型參考節點1-2回送的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息，根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾、根據參考節點數據包中的RE對過濾後的參考節點數據包做第一次排序並記錄相鄰的移動節點ID，將第一次排序後保留的參考節點數據包和記錄的相鄰移動節點ID打包發送給地面監控終端3-1。6.圖6是本實用新型的定位方法流程圖。如圖6所示，本實用新型基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統採用的定位方法包括以下步驟A.從巷道口起把巷道劃分為多個連續不重疊的長邊相等的矩形區間，每個區間即是一個矩形定位單元，每個矩形定位單元內在巷道的牆壁上不對稱的部署參考節點；B.通過建立資料庫記錄每個矩形定位單元的信息；C.以固定的時間間隔為周期，所有參考節點用周期廣播數據包的格式向外發送周期廣播信號，接收其他相鄰參考節點的周期廣播數據包並提取對應的周期廣播信號的RSSI值，根據周期廣播數據包的參數識別周期廣播信號，選擇和參考節點數據包中的參數RA、RB分別對應的周期廣播信號的RSSI值來更新參數RA、RB ；D.定位時移動節點發送定位請求信號，參考節點根據接收到的定位請求信號更新參考節點數據包中的參數移動節點ID、RE後回送參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息給移動節點，移動節點根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾、根據參考節點數據包中的參數RE對過濾後的參考節點數據包做第一次排序並記錄相鄰的移動節點ID ；E.根據參考節點數據包中的矩形定位單元號和單元內部號搜索資料庫，利用搜索到的矩形定位單元的信息、參考節點數據包中的參數和記錄的相鄰移動節點ID，通過計算、排序和比較數值大小得出移動節點的位置。所述步驟A包括下列步驟Al.從巷道口起把巷道劃分為多個連續不重疊的長邊相等的矩形區間，每個區間即是一個矩形定位單元，矩形定位單元的寬d為巷道的寬，矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和節點的通信半徑r之間滿足7d < D < 2r ;A2.每個矩形定位單元內，以矩形定位單元的中心為原點，巷道延伸方向為正方向建立矩形定位單元一維坐標系，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為-2D/7處的兩側牆壁上各部署一個參考節點，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為3D/7處的兩側牆壁上各部署一個參考節點，參考節點離地的高度與移動節點的高度基本一致。步驟D中，所述的移動節點根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾是移動節點只存儲參考節點數據包中的參數移動節點ID和自己ID相同的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息；所述的根據參考節點數據包中的參數RE對過濾後的參考節點數據包做第一次排序是根據過濾後的參考節點數據包中的參數RE的數值大小，按從大到小的順序對參考節點數據包做第一次排序，排序後儘可能多的保留但最多只保留排在前六位的參考節點數據包和排在第一位的參考節點數據包所對應的矩形定位單元的部分信息；所述的記錄相鄰的移動節點ID是其他移動節點收到定位請求信號後發送回覆信號，如果回覆信號的RSSI值R滿足RAl+(dl-Dl/14) (RMl-RAl)/dl 彡 R則記錄該移動節點的移動節點ID ;其中RAl是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包中的參數RA ;Dl、dl、RMl是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的矩形定位單元的部分信息中的D、d、RM。所述步驟E包括下列步驟El.根據第一次排序後排在第一位的參考節點數據包中的矩形定位單元號和單元內部號搜索資料庫，利用搜索到的矩形定位單元的信息和排在第一位的參考節點數據包中的參數判斷RAl+(dl-Dl/14)(RMl-RAl)/dl ( REl是否滿足，如果滿足則確定移動節點坐標為第一次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X，執行E7步，如果不滿足，繼續執行E2步；其中RA1、REl分別是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包中的參數RA、RE ;D1、dl、RMl是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的D、d、RM ；E2.對第一次排序後的參考節點數據包作同胞參考節點處理，根據同胞參考節點處理後的參考節點數據包中的參數RE的數值大小，按從大到小的順序對參考節點數據包做第二次排序，並只保留排在前兩位的參考節點數據包；如果保留的兩個參考節點數據包中的矩形定位單元號是一樣的，繼續執行E3步，否則，執行E4步；E3.如果第二次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X大於第二次排序後排在第二位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X，則確定移動節點坐標為第二次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X減2/7D，執行E7步，否則，確定移動節點坐標為第二次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X加2/7D，執行E7步；E4.如果第二次排序後排在第一位的參考節點數據包中的RB大於第二次排序後排在第二位的參考節點數據包中的RE，繼續執行E5步，否則，執行E6步；E5.如果第二次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X大於第二次排序後排在第二位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X，則確定移動節點坐標為第二次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X加1/7D，執行E7步，否則，確定移動節點坐標為第二次排序後排在第
1一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X減1/7D，執行E7步；E6.確定移動節點坐標為第二次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X和第二次排序後排在第二位的參考節點數據包所對應的資料庫中的參考節點坐標X的中間值，執行E7步；E7.已確定位置的移動節點如果與步驟D中記錄的相鄰的移動節點ID所對應的移動節點的當前確定位置相差1/7D，則這兩個已確定位置的移動節點中較小位置的移動節點按照增大1/28D進行位置修正，較大位置的移動節點按照減小1/28D進行位置修正。7.圖7是本實用新型的本質安全型參考節點和本質安全型移動節點的電路框圖。如圖7所示，本質安全型參考節點1-2和本質安全型移動節點1-3的電路框圖是相同的，包括處理器單元1-20、存儲器單元1-21、無線收發器單元1-22、電源單元1-23。存儲器單元1-21、無線收發器單元1-22、電源單元1-23均與處理器單元1_20相連。電源單元1_23負責為各個單元提供電能；無線收發器單元1-22負責接收無線電磁波信號並從信號中提取數據，將待發射數據轉化成無線電磁波信號並發射；處理器單元1-20負責對接收的數據進行分析並將相應數據存入存儲器單元1-21，從存儲器單元1-21中提取相應數據用於發射；存儲器單元1-21負責存儲數據，另外本質安全型參考節點1-2的存儲器單元1-21存儲相應的矩形定位單元號和單元內部號，本質安全型移動節點1-3的存儲器單元1-21存儲相應的移動節點ID。本質安全型參考節點通過無線收發器單元接收地面監控終端發送的矩形定位單元的部分信息；本質安全型參考節點從存儲器單元獲得矩形定位單元號和單元內部號，通過無線收發器單元進行周期廣播，並通過無線收發器單元獲取其他相鄰本質安全型參考節點周期廣播信號的RSSI值，將其存入存儲器單元；本質安全型參考節點通過無線收發器單元接收本質安全移動節點的定位請求信號、提取數據並更新存儲器單元的對應數據後，從存儲器單元中提取相應的數據通過無線收發器單元發送給本質安全型移動節點。本質安全型移動節點從存儲器單元獲得移動節點ID，通過無線收發器單元發送定位請求信號；利用無線收發器單元接收本質安全型參考節點發送來的參考節點數據包和矩形定位單元的部分信息並提取數據，根據移動節點ID、RE過濾和第一次排序後，記錄相鄰的移動節點ID，將保留的參考節點數據包和記錄的相鄰移動節點ID通過無線收發器單元發送給地面監控終端。同時,本質安全型參考節點和本質安全型移動節點配備有防爆外殼。8.圖8是本實用新型的地面監控終端的電路框圖。如圖8所示，地面監控終端3-1包括處理器單元3-10、存儲器單元3-11、有線接口 3-12、電源接口 3-13。存儲器單元3_11、有線接口 3-12、電源接口 3-13均與處理器單元3-10相連。地面監控終端通過有線接口與定位伺服器以及中心交換機相連，並通過本地網絡和上層終端相連，構成有線網絡。地面監控終端將每個矩形定位單元的信息存入到存儲器單元中並將矩形定位單元的部分信息發送給對應的本質安全型參考節點。定位時，從有線接口獲取井下各本質安全型移動節點發送的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID，根據參考節點數據包中的矩形定位單元號和單元內部號搜索存儲器單元，利用搜索到的對應資料庫信息、參考節點數據包中的參數和相鄰的移動節點ID，通過計算、排序和比較大小數值得到本質安全型移動節點的位置，並將其發送給定位伺服器和上層終端。
權利要求1.一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，該系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡(I)，部署在地面的中心交換機(2)和安全監控和信息管理網絡(3);所述的無線傳感器子網絡包括本質安全型匯聚網關節點(1-1)，本質安全型參考節點(1-2)，本質安全型移動節點(1-3);所述的安全監控和信息管理網絡包括地面監控終端(3-1)，定位伺服器(3-2)，上層終端(3-3);地面監控終端(3-1)和定位伺服器(3-2)通過中心交換機(2)與本質安全型匯聚網關節點(1-1)構成有線網絡，並通過本地網絡將實時定位數據傳送給上層終端(3-3);本質安全型匯聚網關節點(1-1)通過總線掛接在中心交換機(2)上；本質安全型移動節點(1-3)由井下作業人員或者機械裝置攜帶；本質安全型參考節點(1-2)不對稱的部署在巷道的牆壁上；本質安全型匯聚網關節點(1-1)，本質安全型參考節點(1-2)，本質安全型移動節點(1-3)構成無線定位網絡；所述本質安全型匯聚網關節點(1-1)接收本質安全型移動節點(1-3)發送的無線數據，將其轉換成有線數據發送給中心交換機(2);接收中心交換機(2)發送的有線數據，將其轉換成無線數據發送給本質安全型參考節點(1-2)；所述本質安全型參考節點(1-2)分配唯一對應的矩形定位單元號和單元內部號；周期性的用周期廣播數據包的格式向外發送周期廣播信號，接收其他相鄰本質安全型參考節點(1-2)的周期廣播數據包並提取對應的周期廣播信號的RSSI值，根據周期廣播數據包的參數識別周期廣播信號，選擇對應的周期廣播信號的RSSI值更新參考節點數據包中的參數RA、RB，周期廣播數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號，參考節點數據包中的參數至少應該包括數據包類型標識符、矩形定位單元號、單元內部號、RA、RB、移動節點ID、RE ;接收地面監控終端(3_1)發送的對應的矩形定位單元的部分信息，矩形定位單元的部分信息包括該本質安全型參考節點(1-2)所在矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和最大可能RSSI值RM ;接收本質安全型移動節點(1-3)發送的定位請求信號並根據定位請求信號更新參考節點數據包中的移動節點ID、RE後回送參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息給本質安全型移動節點(1-3)；其中矩形定位單元號是對矩形定位單元的編號，從巷道口的第一個矩形定位單元起，隨著巷道延伸方向編號依次增加；單元內部號是對處於同一個矩形定位單元內的本質安全型參考節點(1-2)的編號，依巷道延伸方向看去，從靠近巷道口且位於左手邊的本質安全型參考節點(1-2)開始，沿逆時針方向依次編號為1、2、3、4 ;數據包類型標識符標記該數據包的類型；RA是該本質安全型參考節點(1-2)接收的和其關於巷道的延伸方向的中心線中心對稱的本質安全型參考節點(1-2)的周期廣播信號的RSSI值；RB是該本質安全型參考節點(1-2)接收的和其處於不同矩形定位單元且同側相鄰的本質安全型參考節點(1-2)的周期廣播信號的RSSI值；移動節點ID是本質安全型移動節點(1-3)的編號；RE是該本質安全型參考節點(1-2)接收到的和移動節點ID對應的定位請求信號的RSSI值；矩形定位單元的寬d為巷道的寬；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通過測量或者已知的本質安全型參考節點(1-2)發射功率可以得出此值；所述本質安全型移動節點(1-3)分配唯一的移動節點ID ;向本質安全型參考節點(1-2)發送定位請求信號，並接收本質安全型參考節點(1-2)回送的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息，根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾、根據參考節點數據包中的RE對過濾後的參考節點數據包做第一次排序並記錄相鄰的移動節點ID，將第一次排序後保留的參考節點數據包和記錄的相鄰移動節點ID打包發送給地面監控終端(3-1)；所述中心交換機(2)轉發本質安全型移動節點(1-3)發送給地面監控終端(3-1)的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID、地面監控終端(3-1)發送給本質安全型參考節點(1-2)的矩形定位單元的部分信息；所述地面監控終端(3-1)通過建立資料庫記錄每個矩形定位單元的信息，並將矩形定位單元的部分信息發送給對應的本質安全型參考節點(1-2)，矩形定位單元的信息包括該矩形定位單元的矩形定位單元號、矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d、最大可能RSSI值RM、單元內部號以及和單元內部號相對應的參考節點坐標X ;接收本質安全型移動節點(1-3)發送的參考節點數據包和相鄰的移動節點ID，根據參考節點數據包中的矩形定位單元號和單元內部號搜索資料庫，利用搜索到的矩形定位單元的信息、參考節點數據包中的參數和記錄的相鄰移動節點ID，通過計算、排序和比較數值大小得出本質安全型移動節點(1-3)的位置，並發送給定位伺服器(3-2)和上層終端(3-3)；其中參考節點坐標X是該本質安全型參考節點(1-2)相對於巷道口的距離；所述定位伺服器(3-2)接收並存儲本質安全型移動節點(1-3)的位置。
2.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述的總線可以是CAN總線，或區域網總線，或RS-485總線。
3.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述本質安全型參考節點(1-2)包括處理器單元、存儲器單元、無線收發器單元、電源單元。
4.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述本質安全型移動節點(1-3)包括處理器單元、存儲器單元、無線收發器單元、電源單元。
5.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述地面監控終端(3-1)包括處理器單元、存儲器單元、有線接口、電源接口。
6.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述無線傳感器子網絡(I)中的設備均採用本質安全型防爆設備。
7.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述矩形定位單元是從巷道口起把巷道劃分為多個連續不重疊的長邊相等的矩形區間，每個區間即是一個矩形定位單元，矩形定位單元的長D、矩形定位單元的寬d和節點的通信半徑r之間滿足7d < D < 2r。
8.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述本質安全型參考節點(1-2)不對稱的部署在巷道的牆壁上是指每個矩形定位單元內，以矩形定位單元的中心為原點，巷道延伸方向為正方向建立矩形定位單元一維坐標系，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為-2D/7處的兩側牆壁上各部署一個本質安全型參考節點(1-2)，在矩形定位單元一維坐標系的坐標為3D/7處的兩側牆壁上各部署一個本質安全型參考節點(1-2)，本質安全型參考節點(1-2)離地的高度與本質安全型移動節點(1-3)的高度基本一致。
9.根據權利要求I所述的一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統，其特徵在於，所述的本質安全型移動節點(1-3)根據接收到的參考節點數據包中的移動節點ID對參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息過濾是本質安全型移動節點(1-3)只存儲參考節點數據包中的參數移動節點ID和自己ID相同的參考節點數據包和相應的矩形定位單元的部分信息；所述的根據參考節點數據包中的參數RE對過濾後的參考節點數據包做第一次排序是根據過濾後的參考節點數據包中的參數RE的數值大小，按從大到小的順序對參考節點數據包做第一次排序，排序後儘可能多的保留但最多只保留排在前六位的參考節點數據包和排在第一位的參考節點數據包所對應的矩形定位單元的部分信息；所述的記錄相鄰的移動節點ID是其他本質安全型移動節點(1-3)收到定位請求信號後發送回覆信號，如果回覆信號的RSSI值R滿足RAl+(dl-Dl/14)(RMl-RAl)/dl ( R則記錄該本質安全型移動節點(1-3)的移動節點ID ;其中RAl是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包中的參數RA ;Dl、dl、RMl是第一次排序後排在第一位的參考節點數據包所對應的矩形定位單元的部分信息中的D、d、RM。
專利摘要一種基於無線傳感器網絡的煤礦井下一維定位系統。本系統包括部署在巷道中的多個無線傳感器子網絡，部署在地面的中心交換機和安全監控和信息管理網絡；該系統的定位方法如下把巷道劃分為多個連續不重疊的長邊相等的矩形定位單元並不對稱的部署參考節點，記錄每個矩形定位單元的信息，參考節點利用其他相鄰參考節點的周期廣播信號更新參考節點數據包中的對應參數，移動節點對參考節點數據包過濾、排序並記錄相鄰的移動節點ID，利用參考節點數據包、記錄的相鄰的移動節點ID和資料庫中的信息，通過計算、排序和比較大小實現移動節點的定位。本實用新型定位精度高、成本低、系統結構簡單、功耗低，滿足煤礦井下特定的使用環境和安全要求。
文檔編號G01S5/02GK202735506SQ201220259910
公開日2013年2月13日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者孫繼平, 劉志勇, 陳文超 申請人:中國礦業大學(北京)