专利名称：井下电磁波超声联合定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤矿井下安全监控领域，具体地说，是涉及一种煤矿井下电磁波超声联合定位系统。
背景技术：
煤炭是我国的主要能源，但由于我国煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，井下作业人员的生命安全受到严重威胁。一旦发生事故，地面人员需及时掌握井下人员的具体位置。因此，研究煤矿井下目标精确定位方法与系统，对于保障井下安全生产、应急救援都具有重要的现实意义，井下目标定位系统精度的提高将极大地促进煤矿井下安全生产水平的提升。由于巷道相对密闭，无法借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下的目标定位；矿井定位目标是在限定空间内，定位设备的体积不能太大；井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，井下定位装置必须是防爆型电气设备；巷道内的无线信道环境恶劣，存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。这些使地面成熟的定位方法不能直接应用于煤矿井下。目前国内外目标定位技术采用的无线传输介质主要以电磁波为主。以电磁波为传输介质的定位方法主要分为基于测距(Range-based)的方法和基于非测距(Range-free)方法。Range-based方法通过测量点到点的距离和角度，使用三边测量(Trilateration)、三角测量(Triangulation)或最大似然估计(Multilateration)算法计算节点的位置；Range-free方法则根据网络的连通属性估算节点位置。Range-based 方法主要有接收信号强度指不(Receiced Signal StrengthIndiction, RSSI)、到达时间(Time of Arrival, TOF)、到达时间差(Time Difference ofArrival,TDOA)和到达角度(Angle of Arrival,Α0Α)等,后三种方法对硬件的要求都非常高，从成本角度考虑，不适合应用于煤矿井下，基于RSSI方法进行测距时，当距离较小时对接收机的灵敏度要求很高，误差难以保证。典型的Range-free定位算法包括DV-Hop、凸规划、MDS-MAP等,Range-free方法无需测量节点间的距离和到达角度，在无线节点的成本和功耗方面有一定的优势，但是定位精度与锚节点的密度和布置策略有关，提高精度就需要增加锚节点的密度，但锚节点的布置受巷道和工作环境限制，一方面，狭窄的空间内无法保证锚节点的随意布置，另一方面，增加锚节点的数量除了意味着成本的提高外，还导致故障率的升高和可靠性的降低。目前国内取得矿用产品安全标志证的井下目标定位系统(有些称为位置检测系统或作业人员管理系统等)，均采用电磁波作为无线传输介质，有基于RFID、蓝牙、WiFi和ZigBee等不同技术和协议，其中以RFID技术最普遍，但RFID的技术特点决定了定位精度取决于读卡器的密度，这就限制了定位精度的提高，所以很多基于RFID技术的系统严格地说并不具备“定位”功能，而只是“位置检测”，只能确定井下人员的大致区域；蓝牙技术传输距离短，抗干扰能力差，矿井环境中稳定性较差；目前，在国内使用的目标定位系统的精度均大于5米，目前国内矿井巷道的宽度一般不大于10米，也就是说，目前矿井目标定位系统只能给出定位目标在巷道纵向上的信息。国内矿井目标定位系统传输介质全部是电磁波，如采用基于测距的TDOA和AOA定位算法，对硬件要求很高，井下的硬件条件基本无法满足，如采用基于测距的RSSI方法，在近距离范围内精度很难保证，如采用基于非测距方法，对锚节点的密度和布置策略有很高的要求，这在煤矿井下工作环境中是难以实现的。利用超声波进行较近目标测距时可以达到较高的精度；超声波的传播速度远低于电磁波，对硬件要求较低；超声波分辨率较高，对光照度和电磁场不敏感，适应煤矿井下恶劣环境；超声波测距只需一端发射信号，另一端无需安装其他装置，只通过检测反射回来的超声波到达的时间，就可以实现非常精确的测距，超声波测距结构简单，易于小型化与集成化。但是，超声波在空气中的衰减较大，只适用于较小距离内的测距。综上所述，电磁波和超声波有各自的优势，单纯的使用一种无线介质难以实现井下目标精确定位。
实用新型内容针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种定位精度高、结构简单、成本低的井下目标定位系统。该系统根据电磁波、超声波本身的物理属性特点，并结合巷道的空间结构特点，利用少数的锚节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，可以很好的满足矿井生产调度和灾后及时救援的需要。本实用新型的井下电磁波超声联合定位系统功能的实现思想如下井下移动目标(包括井下工作人员和其他移动设备)携带移动节点，锚节点安置在巷道顶板，移动节点通过向一侧巷道壁发射超声波信号测得移动节点的横向坐标，通过向巷道底面发射超声波信号，测得移动节点的高度，并通过接收锚节点发射的电磁波定位信号，测得其信号强度来获得锚节点到移动节点的距离，根据以上数据，通过简单的算法即可得到移动节点在巷道内的坐标位置。上述系统是一种基于无线传感器网络的井下目标定位系统，包括地面监控中心、上层终端、井下中心站、网关节点，光纤，总线，定位锚节点，移动节点。在系统中涉及的井下设备包括井下中心站，网关节点，总线，定位锚节点，移动节点，全部是本质安全型设备。所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包,处理定位数据包，并且，地面监控中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据。所述井下中心站是本质安全型交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心。所述网关节点包括处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源及总线�？�。网关节点支持IEEE802. 15. 4等协议，锚节点与网关节点之间的无线通信采用IEEE802. 15. 4等协议，网关节点布设在每条支巷道的末端负责接收锚节点转发的数据包，并将其通过总线传送到井下中心站。所述锚节点包括处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源。锚节点悬挂于在巷道的顶板，到两侧巷道壁的距离相等，并且所有锚节点与巷道底面的距离都相同，锚节点负责向移动节点发射电磁波定位信号，接收移动节点的电磁波定位请求信号和定位数据包，锚节点与移动节点的无线通信采用IEEE802. Ilb协议，锚节点将移动节点的定位数据包发送至相邻锚节点或网关节点，每个锚节点接收相邻锚节点的定位数据包并存储转发至相邻的另一个锚节点，接力转发定位数据包直至网关节点，锚节点与网关节点之间以及锚节点与锚节点之间的无线通信均采用IEEE802. 15. 4等协议，每个锚节点分配一个唯一的数字编号N，与其坐标位置相对应，对应关系存储于地面监控中心；规定井下巷道纵向坐标轴坐标增大的方向为正方向，N的数值沿着正方向增大。所述移动节点包括处理器存储器单元、电磁波收发单元、超声波收发单元、传感
器、电源，每个移动节点对应一个唯一的识别码，对应关系存储于地面监控中心。移动节点使用超声波测量其与巷道壁和巷道底面的距离，移动节点采用IEEE802. Ilb协议与锚节点进行通信，获取锚节点发射信号的接收强度和锚节点数字编号，处理形成定位数据包；移动节点同样采用IEEE802. Ilb协议将定位数据包发送给最近的猫节点，数据包经过锚节点间的存储转发至地面监控中心。所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线，连接网关与井下中心站，实现网关节点与井下中心站之间的数据传输。所述光纤连接井下中心站与地面监控中心，实现井下中心站与地面监控中心之间的数据传输。所述井下电磁波超声联合定位系统的网关节点、锚节点和移动节点上的传感器，用于检测周围环境信息，采用与定位数据相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心。本实用新型的有益效果是I.本实用新型采用基于TOF(time of flight)的超声测距方法测得移动节点的横向坐标，超声测距可以由移动节点独立完成，无需其它锚节点配合，使得定位系统所需的锚节点数量大幅度减少，极大的减少了构建整个系统的成本及能量开销。2.本实用新型采用电磁测距测量较远范围内的距离，使用超声波测距测量较近范围内的距离，超声波测距的精度很高，可以达到毫米级，甚至更高，目前煤矿井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射频识别技术,只能确定移动节点是否通过某个读卡器，本实用新型大大提高了定位的精度。3.本实用新型采用直接测得横纵坐标的方法，并且算法非常简便，使得算法对硬件的要求大幅度降低，减小了因为复杂的算法带来的电能消耗，算法的简单使得系统中传送到数据很少，减小了定位数据占用的带宽，也减小了定位的延时。
图I是本实用新型的定位系统组成框图；图2是本实用新型的定位系统井下布设示意图；图3是本实用新型的移动节点电路框图；图4是本实用新型的锚节点的电路框图；[0032]图5是本实用新型的网关节点的电路框图；图6是本实用新型的定位系统巷道内俯视示意图；图7是本实用新型的定位系统巷道内侧面示意图；图8是本实用新型的定位系的移动节点锚节点位置关系示意图；图9是本实用新型的定位系统巷 道内侧面简图；图10是本实用新型的定位系统巷道内俯视简图；图11是本实用新型的定位系统功能实现的立体简图。
具体实施方式
为了使本实用新型技术方案的内容和优势更加清楚明了，
以下结合附图，对本实用新型的井下电磁波超声联合定位系统进行进一步的详细说明。本实用新型是一种基于无线传感器网络的井下目标定位系统，主要针对在井下目标定位方面现有技术在定位精度、成本限制等方面的不足，基于电磁波、超声波的本身属性及井下巷道的空间结构特点，提出一种适用于煤矿井下，基于无线传感器网络(WirelessSensor Network, WSN)的井下电磁波超声联合定位系统。本实用新型定位系统功能的实现主要用移动节点本身和一个锚节点来完成井下移动目标(包括井下工作人员和其他移动设备)携带移动节点，锚节点安置在巷道顶板，其距两侧巷道壁的距离相等，两个锚节点之间的距离根据移动节点发射的电磁波的信号覆盖半径设定，保证移动节点在巷道内任意位置都至少有两个锚节点能够接收到其发射的电磁波信号；移动节点通过向一侧巷道壁发射超声波信号测得移动节点的横向坐标，通过向巷道底面发射超声波信号，测得移动节点的高度，通过接收锚节点发射的电磁波定位信号，获得其信号强度来测得锚节点到移动节点的距离，根据以上数据，通过简单的算法即可得到移动节点在巷道内的位置坐标。
以下结合附图，详细说明本实用新型定位系统的构成及其功能的实现方法。图I是本实用新型的定位系统组成框图。如图I所示，本实用新型的定位系统包括地面监控中心I、井下中心站2、网关节点3、光纤4、总线5、锚节点6、移动节点7、上层终端8。地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络。地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包,并处理定位数据包。并且，地面监控中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。上层终端8是处在远地的监控终端，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据。井下中心站2是交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的数据信息，并通过光纤传输到地面监控中心。图2是本实用新型的定位系统井下布设示意图。如图2所示，9为井下中心站，它位于井下大巷的枢纽位置，便于通过总线汇聚网关节点发送的信息和通过光纤4将井下的信息传输到地面监控中心；10为网关节点，12为锚节点，13为移动节点，在巷道内锚节点沿巷道纵向一字排开吊挂在巷道顶板，锚节点到两侧巷道壁的距离相等，所有锚节点到巷道底面的距离相同，任意两个相邻锚节点的距离应不大于锚节点间无线通信距离，不大于移动节点电磁波信号的覆盖半径，保证移动节点在巷道内任意位置都至少有两个锚节点接收到其发射的电磁波信号，网关节点布设在支巷道的端点，其与巷道端点处的锚节点的距离应不大于锚节点和网关节点之间的无线通信距离，以保证每条支巷道至少有一个锚节点可以通过视距的电磁波传输将移动节点发射的定位数据包转发给网关节点；11为总线，网关节点通过总线与井下中心站连接，分支巷道内移动节点发射的定位数据包由锚节点间通过无线电磁波接力转发至网关节点，网关节点再将定位数据包通过总线汇总至井下中心站。图3是本实用新型的移动节点电路框图。如图3所示，移动节点包括处理器存储器单元12、无线收发单元13、传感器14、电池15。其中无线收发单元13、传感器14都和处理器存储器单元12相连。无线收发单元13包括电磁波收发单元和超声波收发单元两部分，分别负责发送和接收电磁波信号和超声波信号，传感器14负责感知周围环境的温度、湿度、甲烷浓度等信息，对环境进行实时的监测；处理器与存储器的联系最为紧密所以看为一个单元12，负责对接收数据的存储、处理和控制其它单元的运行，另外，在移动节点存储器内存储着节点的识别码；电源15与每个单元连接，负责为各个单元提供电能。图4是本实用新型的锚节点的电路框图。如图4所示，锚节点包括处理器存储器单元16、电磁波收发单元17、传感器18、电池19。其与移动节点的电路框图相比只是将移动节点的无线收发单元变为电磁波收发单元，因为锚节点只发射和接收电磁波信号，其它部分与移动节点的各部分功能相同。图5是本实用新型的网关节点的电路框图。如图5所示，网关节点包括处理器存储器单元20、总线�？�21，电磁波收发单元22、传感器23、电源24。网关节点的电路框图与锚节点电路框图相比，只多了一个总线�？�21，它的作用是连接总线，其它单元的作用与上面所述图4中的各单元作用相同。图6是本实用新型的定位系统巷道内俯视示意图，图7是本实用新型定位系统巷道内侧面示意图。如图6、图7所示，25、29均为锚节点，26、30表示移动节点与锚节点相互发射的电磁波信号，27、31均为移动节点，28为移动节点向巷道壁发射的超声波信号以及反射回波，32表示移动节点向巷道底面发射的超声波信号以及反射回波。移动节点周期性向锚节点发射电磁波定位请求信号，同时向巷道壁及巷道底面发射超声波信号，锚节点接收到移动节点发射的电磁波定位请求信号后，向移动节点发射电磁波定位信号，移动节点接收到锚节点的电磁波定位信号后，首先测得各锚节点的接收信号强度，记为PKi，I = 1,2,…η，η为接收到的锚节点的信号数，选择信号强度最大前两个信号，提取这两个定位信号中的锚节点数字编号K、N2，抛弃其它信号，N1表示信号强度最大的锚节点的数字编号，N2表示信号强度第二大的锚节点的数字编号，设其中最大的信号强度记为PKmax。这里还要产生用于判断移动节点在锚节点的正负方向的方向指数k，产生方法在后面介绍。设发射超声波的时刻为h，接收到巷道壁反射波的时刻为t21，接收到巷道底面反射回波的时刻为t22，则超声波的渡越时间分别为t21-ti和t22-ti，根据TOF(timeof flight)渡越时间检测法即可求得移动节点到巷道壁和到巷道底面的距离。移动节点将Pe x、ti、t21、t22、N1、移动节点的识别码和方向指数k打成定位数据包，通过临近的锚节点向上转发至地面监控端。图8是本实用新型的移动节点锚节点位置关系示意图。如图8所示，在锚节点33和锚节点34之间存在两个移动节点，分别是35和36，移动节点35距离锚节点33较近，移动节点36距离锚节点34较近，在定位移动节点时，需要判断移动节点是在所选的锚节点的前方还是后方，井下巷道纵向坐标轴坐标增大的方向为正方向，则需要判断移动节点是在锚节点的正方向还是负方向。本发明采取如下方法移动节点接收到附近锚节点的定位信号后，测出各定位信号到达时的信号强度，选择信号强度最大的两个信号，提取信号中锚节点的数字编号NpN2，抛弃其它信号，N1表示信号强度最大的锚节点的数字编号，N2表示信号强度第二大的锚节点的数字编号，设一个
方向指数k，如果N1 > N2，则方向指数k = I，如果N1 < N2，则方向指数k = 2 ;以图8中移动节点35为例，其测得信号强度最大的锚节点肯定是33，第二大的是34，则33的数字编号为N1, 34的数字编号为N2,设34在33的正方向，N1 < N2，则可判断k = 2，即移动节点35在锚节点33的正方向。图9是本实用新型的定位系统巷道内侧面简图，图10是本实用新型的定位系统巷道内俯视简图。如图9、图10所示，A代表锚节点，B和K代表两个不同位置的移动节点，计算K点坐标的方法与计算B的方法相同，下面主要以B点为例阐述，，图9中AD表示锚节点的高度，BE表示移动节点的高度，因为移动节点在矿工或者井下设备上，与锚节点有一定的高度差，精确的定位算法不能忽略这个高度差，BE = CD，则AC为锚节点与移动节点的高度差。AB表示移动节点与锚节点之间的距离，通过锚节点发射到移动节点的电磁波定位信号的强度来求出，BE通过移动节点向巷道底面超声波信号并接收反射回波的时间求出，设BC的长度为1，则的I的计算式为(I)式。
_4] I = 4AB 2 - AC2 二 -Jab 2 - (AD - BE )2⑴ 图10中GI和y轴都表示两个巷道壁，设两个巷道壁之间的距离为m，因为锚节点到两侧巷道壁的距离相同，设锚节点A为的坐标为< Y，^ )，则图10中C点的坐标也为
(~ y 为横向坐标，y为纵向坐标，Y为已知量，AH为锚节点到巷道壁的距离，且
AH=CG=^~为巷道壁之间距离的一半，BI为移动节点到巷道壁的距离，为移动节点的横坐标，由图10可知，获得CF的长度即可获得移动节点的纵向坐标，则CF计算如⑵式。 则移动节点B的坐标为
_8] (m-BI，^ + (-1)'-^AB2-[AD-BEf-^BI)k = I时说明移动节点在所选锚节点的负方向，k = 2时说明移动节点在所选锚节点的正方向。在井下通过电磁波信号的路径损耗求距离使用对数-常态分布模型最合适，对数-常态分布模型的表达式如式(3)，式中I\(d)表示经过距离d后的路径损耗，单位是dB ；δ为路径PL(d) = PL(d0)+10 δ lg(d/d0)+X。(3)衰减因子，其数值取决于无线信号的传播环境，它是一个经验值Mtl为发射节点和参考节点之间的距离，一般取Im ;X。为标准差为σ的零均值正态分布随机变量，单位是dB。PJdtl)可由自由空间模型取d= Im求出，自由空间传播模型公式如式(4)，在(4)式中，f为载波工作频率，单位是MHz，Loss表示自由空间中电磁波经过距离d后的衰减量。Loss = 32. 44+10 δ lgd+10 δ Igf(4)设锚节点的发射功率为Pt，上面已经介绍，移动节点接收到距离其最近的锚节点发射的电磁波信号强度为Pftliax，则Pt (d) =Pt-Pemx，则根据公式(3)很容易获得锚节点与移动节点之间的距离为
权利要求1.ー种井下电磁波超声联合定位系统，其特征在于，包括地面监控中心，上层终端，井下中心站，网关节点，光纤，总线，锚节点，移动节点； 所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络；地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包,处理定位数据包； 所述井下中心站是交換机，汇聚网关节点通过总线发过来的定位数据包，通过光纤传输到地面监控中心； 所述网关节点布设在支巷道的端点，接收锚节点转发的移动节点发射的定位数据包，通过总线传送到井下中心站； 所述每个移动节点分配ー个识别码，与移动目标唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动节点以超声波为传输介质向ー侧巷道壁及巷道底面发射超声波信号并接收反射回波，測量其与巷道壁的距离和其与巷道底面的距离，以电磁波为传输介质与锚节点进行通信，获取锚节点发射信号的接收强度和锚节点数字编号，处理形成定位数据包；移动节点将定位数据包发送给最近的锚节点，定位数据包经过锚节点间的存储转发至地面监控中心; 所述锚节点悬挂于巷道顶板，距两侧巷道壁距离相等，所有锚节点到巷道底面距离相同；锚节点向移动节点发射电磁波定位信号，接收移动节点发射的电磁波定位请求信号和定位数据包，将移动节点的定位数据包发送至相邻锚节点或网关节点，每个锚节点接收相邻锚节点的数据包并存储转发至相邻的另一个锚节点，接力转发数据包直至到网关节点，每个锚节点分配ー个数字编号N，数字编号与其位置坐标对应，对应关系存储于地面监控中心；规定井下巷道纵向坐标轴坐标增大的方向为正方向，N的数值沿着正方向増大； 所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线，连接网关节点与井下中心站，实现网关节点与井下中心站之间的数据传输； 所述光纤连接井下中心站与地面监控中心，实现地面监控中心与井下中心站的数据传输; 所述网关节点、锚节点和移动节点上安装传感器，检测周围的环境信息，采用与定位数据信息相同的传输方式,将数据传送到地面监控中心； 所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据； 所述井下电磁波超声联合定位系统中的井下设备，包括网关节点、总线、锚节点、移动节点，全是本质安全型设备。
2.根据权利要求I所述井下电磁波超声联合定位系统，其特征在于，所述网关节点包括处理器存储器単元、电磁波收发单元、传感器、电源、总线�？椋� 所述锚节点包括处理器存储器単元、电磁波收发单元、传感器、电源； 所述移动节点包括处理器存储器単元、电磁波收发单元、超声波收发单元、传感器、电源。
3.根据权利要求2所述井下电磁波超声联合定位系统，其特征在干，网关节点、锚节 点、移动节点中的传感器、电磁波收发单元、移动节点中的超声波收发单元和网关节点中的总线�？榉直鹩敫鹘诘阒械拇砥鞔娲⑵鲄g元相连；各节点的电磁波收发单元接收和发送无线电磁波信号，移动节点中的超声波收发单元接收和发送超声波信号；网关节点、锚节点和移动节点中的传感器检测周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息；各节点中的处理器存储 器単元存储、处理接收的数据，控制其它单元的运行；网关节点中的总线�？榱幼芟撸桓鹘诘阒械牡缭刺峁┑缒�。
专利摘要本实用新型公开了一种用于煤矿井下的电磁波超声联合定位系统。本系统包括设在井上的地面监控中心，设在井下的中心站，多个网关节点，光纤，总线，多个锚节点，多个移动节点，设在远地的上层终端，其中应用于井下的设备均是本质安全型的。本定位系统根据巷道的空间结构和电磁波、超声波的本身属性特点，使用可以同时发射电磁波和超声波两种无线信号的移动节点，根据对数-常态模型，使用电磁波测得移动节点与锚节点的距离，根据TOF测距原理，使用超声波测得移动节点到巷道壁的距离及巷道底面的距离，进而使用简单的算法直接得到移动节点的坐标位置，实现精确定位。本实用新型的井下电磁波超声联合定位系统定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。
文档编号G01S5/00GK202583451SQ20122019596
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者田子建, 李宗伟 申请人:中国矿业大学(北京)
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