專利名稱：基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通信的定位方法，尤其是涉及一種采用IEEE 802. 15. 4無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基于接收信號強度對礦井下人員進行實時定位的方法。
背景技術(shù)：
礦井開采作為安全事故頻發(fā)的重工業(yè)，對安全監(jiān)督管理系統(tǒng)的要求很高。利用無 線通信定位系統(tǒng)，對并下人員進行實時定位監(jiān)督，將在很大程度上加強井下作業(yè)的安全保障。目前，我國的一些煤礦還停留在采取礦燈考勤，電話跟蹤定位等原始方法來掌握 工作人員井下信息的階段，這種方法不能及時，準確的了解井下工作人員的位置及分布 情況，無法適應(yīng)煤礦安全生產(chǎn)的實際要求。近年來，國內(nèi)一些科研院所及企業(yè)推出了各 自對井下應(yīng)用人員跟蹤定位及考勤系統(tǒng)，這類系統(tǒng)主要是基于射頻識別技術(shù)RFID (radio frequencyidentif ication)，這類技術(shù)只能實現(xiàn)區(qū)域定位，無法實現(xiàn)井下人員的精確定位。 至于采用鋪設(shè)電纜，光纜等的有線信號傳輸方式，則存在成本高，復(fù)雜地形區(qū)鋪設(shè)難度較 大，靈活性較差的諸多問題。另外，礦井的井巷通道是狹長、閉合的通信信道，并且由于粉塵，潮濕，電磁干擾等 原因的存在，通信條件比較惡劣，主要表現(xiàn)在下面幾點首先，多徑效應(yīng)嚴重。小尺度衰落是指從發(fā)射源發(fā)出的電磁波在各障礙物的表面 發(fā)生反射、散射、繞射效應(yīng)，從而沿多種不同的路徑到達接收端。接收端接收的信號為各個 路徑信號的矢量和。疊加的效果與各個路徑信號的相位差密切相關(guān)，在空間上某些點上相 互抵消，而在某些點上又相互加強，從而在近場區(qū)引發(fā)強烈的隨機快速起伏現(xiàn)象。其次，非視距路徑傳播對于信號強度影響大。當(dāng)移動臺和接收機之間的直線距離 被遮擋后，只有折射和反射路徑到達接收端，則接收處得到的信號強度(Received Signal Strengthlndication, RSSI)會被消弱，從而影響礦井下定位算法的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，利用IEEE 802. 15. 4無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對礦井下人員定位，從而為礦井作業(yè)提供了安全保障，并為災(zāi) 后搜救工作提供了強有力的保障。本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種基于接收信號強度的礦井下人員的實時 定位方法，其包括在礦井通道中建立基于IEEE 802. 15. 4無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在每 個礦井工作人員身上的定位器均接入無線通信網(wǎng)絡(luò)并分別成為該網(wǎng)絡(luò)的一個通信節(jié)點；根據(jù)參考通信節(jié)點的接收信號強度推算出其與未知通信節(jié)點之間的相對距離，進 而算出未知通信節(jié)點的坐標(X，y)為使函數(shù)f(X，y)取最小值的位置<formula>formula see original document page 4</formula>其中，參考通信節(jié)點坐標(Xi，Yi)，函數(shù)g為非線性函數(shù)，d,表示未知通信節(jié)點與N
,Α+RSSL Λ 個參考節(jié)點之間的距離，< =10(_—^廠〉，Α為在距離發(fā)射節(jié)點1米處的接收信號場強，η為
信號衰減系數(shù)，數(shù)值取決于具體信號傳播環(huán)境，RSSIi為第i個參考通信節(jié)點平滑后的接收 到未知節(jié)點發(fā)射出信號的信號強度，i = 1，. . .，N。其中，所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法還包括對接收信號 強度RSSI進行平滑處理，RSSIk+1 = α · RSSI' +(1_α ) · RSSIk,其中RSSIk為k時刻參考 通信節(jié)點平滑后的接收信號強度，RSSI'為采樣到的真實接收信號強度，α為平滑系數(shù)。其中，平滑系數(shù)α為0.3。其中，非線性函數(shù)g為平方根函數(shù)。其中，所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法還包括利用優(yōu)化算 法對推算得出每個通信節(jié)點的坐標位置進行計算。其中，優(yōu)化算法為列文伯格-馬夸爾特(Levenberg-marquardt)算法。其中，無線通信網(wǎng)絡(luò)為樹狀、星狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，無線通信網(wǎng)絡(luò)由一個基站和若干個路由器組成，定位器無線接入其中一個 路由器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果只要每個礦井作業(yè)人員攜帶一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端的定位器，成為ZigBee網(wǎng) 絡(luò)中的一個節(jié)點，即可以利用本發(fā)明快速實現(xiàn)人員位置的定位。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端 具有功率小和通信效率高的優(yōu)點，非常適合于礦井通道環(huán)境使用。


圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
具體實施例方式常見的信號定位方法有基于接收信號強度(RSSI)的方法，基于信號到達角度 (Angle OfArrival, Α0Α)的方法，基于信號到達時間(Time Of Arrival, T0A)的方法等。 其中，基于RSSI的定位方法對系統(tǒng)硬件的要求少，實現(xiàn)簡單易行，因此本發(fā)明采用了基于 RSSI的方法進行定位處理。本發(fā)明提出一種利用Zigbee技術(shù)的礦井下人員定位方法，為礦井下人員信息統(tǒng) 計和災(zāi)后搜救工作提供了強有力的保障。步驟S101、在礦井通道建立基于IEEE 802. 15. 4無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信的無線網(wǎng)絡(luò)。在礦井通道中設(shè)置一個或多個具有樹狀、星狀或網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng) 絡(luò)由一個基站和若干個路由器組成；基站設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)的起始端，沿著網(wǎng)絡(luò)延伸方向按一定 的通信距離設(shè)置多個路由器，在礦井工作人員身上設(shè)置定位器(為ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端)， 因而，在基站、路由器與定位器之間采用基于IEEE 802. 15. 4無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的ZigBee無線 網(wǎng)絡(luò)進行通信，而基站與礦井上的控制主機通過以太網(wǎng)或RS485通信協(xié)議進行通信。
以下提到的節(jié)點、接收端與發(fā)射端均采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，而參考節(jié)點指 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的基站和路由器，從而各個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端之間采用自組織網(wǎng)通 信方式構(gòu)成一個組網(wǎng)靈活、通信可靠的網(wǎng)絡(luò)。步驟S102 對RSSI采用平滑進行處理，以提高定位的準確性。在定位過程中，未知節(jié)點不停發(fā)射無線信號，由于礦井下的無線信道條件比較惡 劣，往往信號跳動比較明顯，因此可以采用平滑的方法，利用過去信號的一部分信息。平滑 方法可以描述為
RSSIk+1 = α · RSSI' +(1_α) .RSSIk (式 1· 1)其中RSSIk為k時刻系統(tǒng)中用于計算的RSSI值。RSSI'為采樣到的真實RSSI數(shù) 據(jù)，α為平滑系數(shù)；本發(fā)明的優(yōu)先實施例中，取α =0.3。步驟S103 基于RSSI的定位方法，計算每個節(jié)點(對應(yīng)于每個礦井的作業(yè)人員) 與參考節(jié)點之間的相對距離。未知節(jié)點到參考節(jié)點之間的相對距離可以根據(jù)接收到信號的RSSI數(shù)值來推算， 從而算出未知節(jié)點的坐標。自由空間中的電磁波傳播模型可以簡寫為RSSI = -(10nlog10d+A)(式 1. 2)其中A為在距離發(fā)射端1米處的接收信號場強，η為信號衰減系數(shù)，d為接收端與 發(fā)射端的距離。假設(shè)未知節(jié)點的位置為(X，y)，N個參考節(jié)點的坐標為Oq，Y1)，(x2, J2),... (xN, yN)，它們到未知節(jié)點之間的距離為屯，d2，...，dN。則有如下公式
'{x-x^f + iy-y^f=^<■■■(式 1.3)
(x-xNf +(y-yN)2 =d2N其中CliG = 1，...，N)可以由接收信號的RSSI經(jīng)過反推得到
A+RSS1,d = 10( —^(式 1. 4)在二維空間定位中，至少要知道三個以上的參考節(jié)點坐標，因此，式(1.5)中的方 程組為超越方程。考慮到噪聲的存在，解這個方程的問題可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€求最優(yōu)解，選擇代 價函數(shù)為
ι N2f{x, y) = -YJ{g{{x-xl)1+{y-ylf}-g{d'})(式 ι · 6)
2 i=\其中g(shù){ · }為非線性函數(shù)，不同的非線性函數(shù)可以調(diào)節(jié)代價函數(shù)對噪聲的敏感 程度以及結(jié)果的誤差范圍。在本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中選擇為平方根函數(shù)，即g{·}= sqrt ( · )ο則使得函數(shù)f (x，y)最小的位置U'，1')即為未知節(jié)點位置(X，Y)的估計為(叉‘，少)=argmin /(χ, y)(式丄· 7)步驟S104 利用優(yōu)化算法對推算得出每個節(jié)點的準確位置進行計算，求得最終定位結(jié)果。對函數(shù)f(x，y)的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為一個最小二乘問題，令χ = (x，y)T為未知參數(shù)向量， 則代價函數(shù)可以重寫為
<formula>formula see original document page 6</formula>f(x) ^-Y^rt(X)(式 1.8)其中，r (χ)表示為<formula>formula see original document page 6</formula>(式 1· 9)η(χ) = g{(x-X1)2 +{y-y^f}-g{d^},i = U...,N (式 1· 10)則上式可以采用列文伯格-馬夸爾特(Levenberg-marquardt)方法來進行迭代求 解，其迭代公式可以寫為(J(x(k))TJ(x(k))+vI)d = -J(x(k))Tr(x(k)) (式 1· 11)其中J(x)為r(x)的雅可比(Jacobi)矩陣，表示為
<formula>formula see original document page 6</formula>而ν > 0是迭代過程中需要調(diào)整的參數(shù)。因此，只要每個礦井作業(yè)人員攜帶一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，成為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中 的一個節(jié)點，即可以利用本發(fā)明快速實現(xiàn)人員位置的定位。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端具有 功率小和通信效率高的優(yōu)點，非常適合于礦井通道環(huán)境使用。
權(quán)利要求
一種基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在于，包括在礦井通道中建立基于IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在每個礦井工作人員身上的定位器均接入無線通信網(wǎng)絡(luò)并分別成為該網(wǎng)絡(luò)的一個通信節(jié)點；根據(jù)參考節(jié)點接收到未知通信節(jié)點的發(fā)射信號強度推算出其與未知通信節(jié)點之間的相對距離，進而算出未知通信節(jié)點的坐標(x，y)為使函數(shù)f(x，y)取最小值的位置 <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>g</mi><mo>{</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>}</mo><mo>-</mo><mo>{</mo><msubsup> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>}</mo><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>其中，參考通信節(jié)點坐標為(xi，yi)，函數(shù)g為非線性函數(shù)，di表示未知通信節(jié)點與N個參考節(jié)點之間的距離， <mrow><msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><mi>A</mi><mo>+</mo><msub> <mi>RSSI</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <mrow><mn>10</mn><mi>n</mi> </mrow></mfrac><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>,</mo> </mrow>A為在距離發(fā)射節(jié)點1米處的接收信號場強，n為信號衰減系數(shù)，RSSIi為第i個參考通信節(jié)點平滑后的接收到未知節(jié)點發(fā)射信號的信號強度，i＝1，...，N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在 于，還包括對接收信號強度進行平滑處理，RSSIk+1 = α · RSSI ‘ +(l-α) .RSSIk,其中 RSSIk為k時刻參考節(jié)點平滑后的接收信號強度，RSSI'為采樣到的真實接收信號強度，α 為平滑系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在 于，平滑系數(shù)α為0.3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在 于，非線性函數(shù)g為平方根函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在 于，還包括利用優(yōu)化算法對每個通信節(jié)點的坐標位置進行計算。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在 于，優(yōu)化算法為列文伯格_馬夸爾特算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在 于，無線通信網(wǎng)絡(luò)為樹狀、星狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其特征在 于，無線通信網(wǎng)絡(luò)由一個基站和若干個路由器組成，定位器無線接入其中一個路由器。
全文摘要
一種基于接收信號強度的礦井下人員的實時定位方法，其包括在礦井通道中建立基于IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在每個礦井工作人員身上的定位器均接入無線通信網(wǎng)絡(luò)并分別成為該網(wǎng)絡(luò)的一個通信節(jié)點；根據(jù)參考節(jié)點收到未知通信節(jié)點發(fā)射信號的強度推算出其與未知通信節(jié)點之間的相對距離，進而算出未知通信節(jié)點的坐標(x，y)為使函數(shù)f(x，y)取最小值的位置。本發(fā)明利用IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對礦井下人員定位，從而為礦井作業(yè)提供了安全保障，并為災(zāi)后搜救工作提供了強有力的保障。
文檔編號E21F17/18GK101818653SQ20091023963
公開日2010年9月1日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者崔榮濤, 文智力 申請人:深圳市翌日科技有限公司