专利名称：一种基于无线传感器网络的井下定位系统、装置及方法
技术领域：
本发明涉及矿井安全监控领域，特别是一种基于无线传感器网络的井下定位系统、装置及方法。
背景技术：
多年以来，矿井的井下工作环境存在地质环境复杂，各种有害气体、不明水体逸出情况。随着科学技术的进步，已布设了多种探测系统、监控系统。但矿井的恶性事故仍然不断发生，严重威胁着井下工作人员的安全。而井下作业人员的流动性大，工作环境复杂。一旦意外事故发生，井下人员的确切数量、每个人所处的具体位置都很难确定，给营救工作带来极大困难，常常会延误营救的最佳时机，造成严重后果。另外，一旦意外事故发生，因为遇难人员的具体位置不能确定，为了避免挖掘中对人员的伤害，不能使用大的机械设备进行救援，导致救援进展缓慢。如果能够确定井下工作人员的确切位置，将会大大加快救援的进度，就有可能营救出更多的人员，把损失降到最低的限度。
目前，井下定位一般采用电子识别卡(RFID)的方式。员工随身携带写有唯一编号的电子识别卡，巷道的询问装置发射询问信号，接收员工电子识别卡的应答信号，从而实现员工的定位。这种定位系统存在一些问题首先是定位精度低，定位精度取决于巷道询问装置间的距离，一般的电子识别卡定位方式中巷道询问装置的距离是几十米的量级，所以定位系统的定位精度只是几十米的量级，不能精定位，对于紧急情况的救援只能提供有限的帮助。另外，射频卡一般是被动卡，只能应答固定的询问。在发生意外情况下，员工仅仅依靠电子识别卡仅能确定事故发生之前的大概位置，而不能与巷道询问装置进行双向通信。
本发明克服了以前的井下定位系统定位不准的问题，实现了井下精确定位。本发明利用无线通信技术、嵌入式技术等技术，提供一种可以在井下精确定位的、可实现自组织网络的系统，可用于矿井的工作调度、安全管理、紧急救援、考勤等。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是设计一种支持移动定位功能的、易携带的移动节点，设计一种移动节点与网关相互配合的移动人员定位方法，实现井下精确定位。本发明的目的是利用移动节点和网关，实现井下工作人员的移动精确定位。在意外事故发生后，可以根据精确定位的位置或者管理系统中记录的最近的位置历史记录，迅速展开救援工作。因为人员的精确位置已经知道，就可以使用机械化设备，加快救援的进度，且不会伤害被救援人员，减少意外事故带来的损失。在日常工作中，该系统可以用于人员调度、监控、考勤等。使矿山管理水平、工作效率大大提高，也带来了更多的效益。
本发明的内容包括井下精确定位系统，置入矿灯的移动节点(1)、网关(2)、有线网络以及管理中心(3)。方法包括基于射频信号强度的移动节点相对位置定位方法；移动节点和网关结合的精确定位方法。
一种基于传感器网络的井下定位系统，由内置于矿灯内的带定位功能的移动节点(1)、网关(2)和管理中心(3)组成，管理中心(3)和网关(2)之间通过有线网络连接，网关(2)和移动节点(1)通过无线通信连接，定位时，管理中心每隔一定时间发出定位指令，该指令通过有线网络到达网关(2)，网关与移动节点(1)进行交互，由移动节点计算出它相对于网关的位置，传输到网关，网关附加上自己的位置信息，传送到管理中心，管理软件对数据计算，得到移动节点的精确位置。
一种基于无线传感器网络的井下定位方法，由置于矿灯内的带定位的移动节点(1)、网关(2)和管理中心(3)组成的系统，定位时，管理中心(3)每隔一定时间发出定位指令，该指令通过有线网络到达网关(2)，网关与移动节点(1)进行交互，由移动节点计算出它相对于网关的位置，传输到网关，网关附加上自己的位置信息，传送到管理中心，管理软件对数据计算，得到移动节点的精确位置，定位方法包括基于射频信号强度的移动节点相对位置定位方法和移动节点和网关结合的精确定位方法。
移动节点已置入矿灯内部，在移动时，该移动节点可以接收到至少两个网关的射频信号，通过计算它们信号强度之比，采用两点测量法、多点测量法或三角测量法，可以计算出该节点所处的位置，移动节点把该位置传输到网关。
本发明可广泛应用于各种矿井的井下工作人员或者移动设备的精确定位。日常工作的人员调度指挥、安全监督、考勤等。通过该定位系统，可提高矿山的管理水平和工作效率。特别是当意外事故发生后，依靠系统对人员的精确定位以及遇难人员的位置历史记录信息，能加快事后救援进度，减少事故造成的损失。
图1是本发明的基于传感器网络的井下定位系统示意图。
图2是本发明的置入矿灯内的移动节点系统结构图。
图3是本发明的移动节点相对定位流程图。
图4是本发明的移动节点精确定位的流程图。
具体实施例方式
图1为具有传感器网络的井下定位系统示意图。该系统由移动节点(1)、网关(2)、有线网络以及管理中心(3)组成。管理中心与网关之间通过有线网络连接，网关与移动节点之间通过无线通信连接。管理中心为整个网络的中心，包括计算机、服务器、网络设备，以及运行在计算机和服务器中的管理软件。定位时，管理中心的管理软件每隔一定时间发出定位指令，该指令通过有线网络到达网关(2)，网关与移动节点进行交互，由移动节点计算出它相对于网关的位置，传输到网关，网关附加上自己的位置信息，传送到管理中心，管理软件对数据计算，到达移动节点的精确位置。
图2为置入矿灯的移动节点，该移动节点包含了中央处理器、存储器、射频通信模块、定位系统模块。中央处理器、存储器与定位系统和射频通信模块互联。该节点为嵌入式系统，具有很小的体积，所以可置于矿灯内部，充分利用矿灯内的剩余空间，并且置于矿灯内部，矿灯外壳对移动节点提供了保护，免受外力冲击。并且移动节点可以利用矿灯的电源，减小了它的体积、相对于使用干电池为电源的移动节点延长了工作时间。
图3为移动节点的相对位置定位方法流程图。每个员工随身携带一移动节点，带节点已置入矿灯内部。在员工移动时，该移动节点可以接收到至少两个网关的射频信号，通过计算它们信号强度之比，可以计算出该员工所处的相对于两个网关的位置，移动节点把该位置传输到网关。基于射频信号强度的移动节点相对位置定位步骤如下步骤S3-1首先在井下沿一定距离布设与有线网络连接的网关，该网关同时还可以与移动节点进行双向无线通信，布设时使定位系统中的任一移动节点(1)至少处于两个网关的射频发射范围之内；步骤S3-2对移动节点进行编号，编号与人员一一对应，该编号可与人员的档案号对应，通过编号能够唯一的确定人员身份；步骤S3-3移动节点欲定位时，首先与连接有线网络和无线网络的网关建立无线连接；步骤S3-4移动节点分别检测所接收的邻近网关的射频信号强度，并且记录下该强度值；步骤S3-5射频信号的强度和发射距离之间存在一定的对应关系，通过信号强度可以确定距离，因两网关之间的距离已知；移动节点根据所接收到的网关发射的射频信号强度，采用两点测量法、多点测量法或三角测量法，计算出该节点距离网关的二维或三维距离；步骤S3-6该移动节点的位置值通过射频发送到网关，然后传输到地面的网络中心，地面网络中心获得该位置值，就实现了移动节点相对网关位置的相对定位。
图4为移动节点和网关结合的精确定位方法移动节点首先采用图3所示的定位方法确定其相对于网关的位置。因各个网关的位置是已知的，网关把移动节点的信息附加上自己的位置信息，通过有线网络传输到地面的网络中心。中心的管理系统对数据包进行解析，计算出每个移动节点在井下的位置。定位步骤如下步骤S4-1首先对每一个网关编号，记录其位置与编号的对应关系，保证每一网关的编号是唯一的；步骤S4-2移动节点欲定位时，首先与连接有线网络和无线网络的网关建立无线连接；步骤S4-3当某移动节点经过网关时，网关接收到该移动节点的射频信号，读取其编号，就可以确定某人处于该网关附近，确定其所处的大致位置；步骤S4-4采用图3的移动节点相对位置定位方法，确定该移动节点相对于网关的位置；步骤S4-5把网关的位置和该移动节点的位置相加，即可得到移动节点在井下的精确位置；步骤S4-6该位置值通过射频发送到网关，然后传输到地面的网络中心，地面网络中心获得该位置值，即实现了移动节点的二维或三维定位。
权利要求
1.一种基于传感器网络的井下定位系统，由内置于矿灯内的带定位功能的移动节点(1)、网关(2)和管理中心(3)组成，管理中心(3)和网关(2)之间通过有线网络连接，网关(2)和移动节点(1)通过无线通信连接，定位时，管理中心每隔一定时间发出定位指令，该指令通过有线网络到达网关(2)，网关与移动节点(1)进行交互，由移动节点计算出它相对于网关的位置，传输到网关，网关附加上自己的位置信息，传送到管理中心，管理软件对数据计算，得到移动节点的精确位置。
2.根据权利要求1的基于传感器网络的井下定位系统，其特征在于置于矿灯内的移动节点(1)；该移动节点为一嵌入式系统，集成了中央处理器、存储器、射频通信模块和定位系统模块，中央处理器、存储器与定位系统和射频通信模块互联，可以实现数据处理、无线通信以及运行包括定位在内的各种应用程序。
3.根据权利要求1的基于传感器网络的井下定位系统，其特征在于管理中心(3)一般由计算机、服务器、网络设备及运行于计算机和服务器上的各种软件组成。
4.一种基于无线传感器网络的井下定位方法，由置于矿灯内的带定位的移动节点(1)、网关(2)和管理中心(3)组成的系统，定位时，管理中心(3)每隔一定时间发出定位指令，该指令通过有线网络到达网关(2)，网关与移动节点(1)进行交互，由移动节点计算出它相对于网关的位置，传输到网关，网关附加上自己的位置信息，传送到管理中心，管理软件对数据计算，得到移动节点的精确位置，定位方法包括基于射频信号强度的移动节点相对位置定位方法和移动节点和网关结合的精确定位方法。
5.根据权利要求4的基于无线传感器网络的井下定位方法，基于射频信号强度的移动节点相对位置定位方法，射频定位步骤如下步骤S3-1首先在井下沿一定距离布设与有线网络连接的网关，该网关同时还可以与移动节点进行双向无线通信，布设时使定位系统中的任一移动节点(1)至少处于两个网关的射频发射范围之内；步骤S3-2对移动节点进行编号，编号与人员一一对应，该编号可与人员的档案号对应，通过编号能够唯一的确定人员身份；步骤S3-3移动节点欲定位时，首先与连接有线网络和无线网络的网关建立无线连接；步骤S3-4移动节点分别检测所接收的邻近网关的射频信号强度，并且记录下该强度值；步骤S3-5射频信号的强度和发射距离之间存在一定的对应关系，通过信号强度可以确定距离，因两网关之间的距离已知；移动节点根据所接收到的网关发射的射频信号强度，采用两点测量法、多点测量法或三角测量法，计算出该节点距离网关的二维或三维距离；步骤S3-6该移动节点的位置值通过射频发送到网关，然后传输到地面的网络中心，地面网络中心获得该位置值，就实现了移动节点相对网关位置的相对定位。
6.根据权利要求4的基于无线传感器网络的井下定位方法，其特征在于，移动节点已置入矿灯内部，在移动时，该移动节点可以接收到至少两个网关的射频信号，通过计算它们信号强度之比，采用两点测量法、多点测量法或三角测量法，可以计算出该节点所处的位置，移动节点把该位置传输到网关。
7.根据权利要求4的基于无线传感器网络的井下定位方法，移动节点和网关相结合的精确定位方法，定位步骤如下步骤S4-1首先对每一个网关编号，记录其位置与编号的对应关系，保证每一网关的编号是唯一的；步骤S4-2移动节点欲定位时，首先与连接有线网络和无线网络的网关建立无线连接；步骤S4-3当某移动节点经过网关时，网关接收到该移动节点的射频信号，读取其编号，就可以确定某人处于该网关附近，确定其所处的大致位置；步骤S4-4采用移动节点相对位置定位方法，确定该移动节点相对于网关的位置；步骤S4-5把网关的位置和该移动节点的位置相加，即可得到移动节点在井下的精确位置；步骤S4-6该位置值通过射频发送到网关，然后传输到地面的网络中心，地面网络中心获得该位置值，即实现了移动节点的二维或三维定位。
全文摘要
本发明涉及矿井安全监控领域，基于无线传感器网络的井下定位系统、装置及方法。系统包括内置于矿灯内的带定位的移动节点(1)、连接有线和无线网络的网关(2)、系统管理中心(3)。方法包括基于射频信号强度的移动节点相对位置定位方法；移动节点和网关结合的精确定位方法；连接井上和井下的有线通信系统，实现移动人员和设备的精确定位方法。本发明可广泛应用于各种矿井的井下工作人员或移动设备的精确定位。日常工作的人员调度指挥、安全监督、考勤。该定位系统，可提高矿山的管理水平和工作效率。特别是当意外事故发生后，依靠定位系统对人员的精确定位以及遇难人员的位置历史记录信息，能加快事后救援进度，减少事故造成的损失。
文档编号H04W4/04GK1694569SQ20051007114
公开日2005年11月9日 申请日期2005年5月20日 优先权日2005年5月20日
发明者崔莉, 苗勇, 赵泽, 费璟昊, 崔洪亮, 刘巍 申请人:中国科学院计算技术研究所