[发明专利]基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种定位方法和系统，具体的讲，是涉及一种基于无线传感器网络(Wireless sensor network)的煤矿井下一维定位方法和系统。

背景技术

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 Frequency Identification)射频识别技术的定位系统。中国专利申请01122258.1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，但是该发明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：(1)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示法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、到达时间法(Time Of Arrival，TOA)、到达时间差法(Time Difference Of Arrival，TDOA)和到达角度法(Angle Of Arrival，AOA)，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。

发明内容