本發(fā)明涉及時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法。
背景技術(shù):
煤礦生產(chǎn)多為地下作業(yè),具有復(fù)雜的地理環(huán)境,空間狹窄,工作環(huán)境惡劣,時(shí)刻都有發(fā)生事故的可能,而礦工作為井下移動(dòng)目標(biāo)的主要對象,就是在這種環(huán)境下工作。此外,環(huán)境中多種布線,包括電力線路、數(shù)據(jù)傳輸電纜以及各種運(yùn)行的設(shè)備,在錯(cuò)車道口經(jīng)常發(fā)生阻塞,使得運(yùn)輸效率降低。另外由于運(yùn)輸巷道較長,若調(diào)度人員不能及時(shí)了解人員和車輛的位置信息和運(yùn)行情況,就會(huì)增加指揮的盲目性。礦下生產(chǎn)的安全性須由一套嚴(yán)格、全面、規(guī)范的管理系統(tǒng)來全面掌控礦下作業(yè)情況,充分應(yīng)對可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況。
目前商用的定位系統(tǒng)一般采用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能量探測的方式來獲取礦工的位置信息,巷道中每隔一段距離配置一個(gè)無線基站,當(dāng)?shù)V工接近基站的時(shí)候獲取其身份信息,并估計(jì)其所處位置,因此定位的精度與基站的密集程度有關(guān),基站數(shù)量越多,精度越高,但是為了考慮整體成本,一般采用區(qū)域定位,分散布置基站的方式,很難達(dá)到高精度的定位。而基于射頻飛行時(shí)間差的定位方式雖然能實(shí)現(xiàn)可靠的精度,但是其節(jié)點(diǎn)的功耗較高,這個(gè)缺點(diǎn)限制了其在礦下的應(yīng)用。
從實(shí)際應(yīng)用角度進(jìn)行分析,首先,礦下安全生產(chǎn)監(jiān)控對通信系統(tǒng)的可靠性要求非常高,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還要兼顧實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性和多源信息的融合與傳輸功能,這些實(shí)際需求都增加了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度。再次,由于礦下定位節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電,節(jié)點(diǎn)的功耗問題需要著重考慮,目前商用的礦用定位方案一般會(huì)采用對信號(hào)強(qiáng)度的獲取與處理來估計(jì)礦下人員的位置信息,這種方式很容易受到外界環(huán)境的影響,比如遮擋、信號(hào)的反射等。另外,基于射頻飛行時(shí)間差的定位方式雖然能實(shí)現(xiàn)可靠的精度,但是其節(jié)點(diǎn)的功耗較高。最后,礦下員工處于不同工作區(qū)時(shí),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同,若采用同樣的測距頻率,會(huì)造成功耗增加,接入各個(gè)基站的定位節(jié)點(diǎn)固定在一個(gè)位置,容易產(chǎn)生累計(jì)誤差。因此,在充分考慮礦下定位系統(tǒng)的特點(diǎn)與需求后,本發(fā)明提供一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法,應(yīng)用于結(jié)合低功率慣性傳感器測步與無線測距的混合定位系統(tǒng)中,充分利用時(shí)隙的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)分配,實(shí)現(xiàn)定位精度與功耗的平衡。
為了解決上述存在的技術(shù)問題實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的,本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法,該方法基于時(shí)分復(fù)用的數(shù)據(jù)包調(diào)用方式,根據(jù)實(shí)際的節(jié)點(diǎn)數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)參數(shù),以避免數(shù)據(jù)沖突,同時(shí)將傳輸過程劃分為若干可變時(shí)隙,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)間由待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度以及計(jì)算出的偏移時(shí)間決定;為避免計(jì)步測距方式引起的累積誤差,采用基于時(shí)間差測距的方式來進(jìn)行精確位置的獲取,進(jìn)而有效的檢驗(yàn)礦下員工的行進(jìn)狀態(tài);
所述一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度,該方法具體內(nèi)容包括以下步驟:
步驟一:對通信幀進(jìn)行格式定義;
所述對通信幀進(jìn)行格式定義包括以下步驟:
(1)在數(shù)據(jù)包中加入時(shí)間信息,以保證多源數(shù)據(jù)的同步性;
(2)通過定義mac幀中的數(shù)據(jù)字段來表示不同的幀格式;
(3)完成對通信幀的格式定義。
步驟二:根據(jù)時(shí)隙分配算法,給定位節(jié)點(diǎn)重新分配接入時(shí)隙;
所述的時(shí)隙分配算法,包括以下步驟:
(1)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的基站設(shè)備中用來表示已被安排占用的時(shí)間信息集合pm;
(2)在基站設(shè)備收到移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的計(jì)步數(shù)據(jù)之后,通過刪除已經(jīng)使用的時(shí)間來更新pm,構(gòu)建一個(gè)新的時(shí)間信息集合
(3)當(dāng)一個(gè)新的移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)想要加入新基站時(shí),基站設(shè)備記錄下其預(yù)期接入的時(shí)刻,構(gòu)造一個(gè)根據(jù)之前調(diào)度信息調(diào)整之后的時(shí)間信息集合
步驟三:保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
所述保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,其?nèi)容包括:
(1)當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸正確時(shí),基站向移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀并開啟定時(shí)器,經(jīng)過一個(gè)由應(yīng)用層決定的數(shù)據(jù)等待周期tdwd后,定時(shí)器超時(shí)失效;網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)使用經(jīng)過計(jì)算的發(fā)送功率向基站設(shè)備發(fā)送計(jì)步數(shù)據(jù),并開啟超時(shí)定時(shí)器,經(jīng)過ack等待周期tawd后,定時(shí)器超時(shí)失效;在數(shù)據(jù)等待周期tdwd內(nèi)定時(shí)器超時(shí)失效前,若基站接收到計(jì)步數(shù)據(jù),則通信成功,一個(gè)通信循環(huán)完成;移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)收到ack應(yīng)答幀后,關(guān)閉并清零ack等待周期定時(shí)器;
(2)當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),主要有丟失計(jì)步數(shù)據(jù)幀和丟失應(yīng)答幀兩種情況;此時(shí),移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)不清零計(jì)步數(shù)據(jù),在收到重新安排通信時(shí)隙命令之前,一直按現(xiàn)有時(shí)隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時(shí)刻。
基于時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法進(jìn)行精確位置的獲取,有效的提高了礦下定位系統(tǒng)的精度,并降低了系統(tǒng)功耗。
由于采用上述技術(shù)方案,本發(fā)明提供的一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法,與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
本發(fā)明基于時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法的礦下定位方法,采用混合定位算法估計(jì)人員位置,普通巷道區(qū)測距頻率采用高速模式測距,掘進(jìn)工作區(qū)采用低速模式測距,且移動(dòng)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉計(jì)步測距,避免累計(jì)誤差,能夠達(dá)到高精度的定位,而且降低整體功耗;針對接入時(shí)隙的不確定性,本發(fā)明的偏移時(shí)間長度也按需動(dòng)態(tài)調(diào)整,采用基于時(shí)間差測距的方式來進(jìn)行精確位置的獲取以去除累計(jì)誤差。
本發(fā)明應(yīng)用于檢測礦下員工行進(jìn)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)高精度、低功耗的需求。采用結(jié)合低功耗慣性傳感器測步與無線測距的混合定位方法,平衡精度和功耗的關(guān)系;為提高數(shù)據(jù)傳輸效率,使用基于時(shí)分復(fù)用的可實(shí)時(shí)調(diào)整的數(shù)據(jù)包調(diào)度方法,將傳輸過程劃分為若干可變時(shí)隙;通過基于時(shí)間差測距的方式來進(jìn)行精確位置的獲取以去除累計(jì)誤差。
本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的自適應(yīng)調(diào)整和調(diào)度,根據(jù)所處煤礦功能區(qū)的不同,相關(guān)節(jié)點(diǎn)的定位流程也存在差異,有利于節(jié)省功耗;易于實(shí)現(xiàn),完全滿足定位系統(tǒng)的實(shí)際需求。
附圖說明
圖1為通信循環(huán)的時(shí)隙安排;
圖2為移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)流程圖;
圖3為無線基站設(shè)備流程圖;
圖4為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與基站數(shù)據(jù)交互傳輸過程。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述與說明。
為了降低不必要的節(jié)點(diǎn)功耗,本發(fā)明將測距頻率分為高速模式與低速模式,當(dāng)佩戴節(jié)點(diǎn)的員工處于普通巷道區(qū)域的時(shí)候,測距的頻率采用高速模式,此時(shí)采用混合定位算法估計(jì)人員位置;當(dāng)佩戴節(jié)點(diǎn)的員工處于掘進(jìn)工作區(qū)的時(shí)候,此時(shí)大部分的時(shí)間位置相對固定,因此測距頻率采用低速模式,同時(shí)為避免累積誤差,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉計(jì)步測距,以降低整體功耗。在巷道行進(jìn)區(qū)域,由于人員的移動(dòng),接入各個(gè)基站的定位節(jié)點(diǎn)也是動(dòng)態(tài)變化的,為此,時(shí)隙的調(diào)度方法要能根據(jù)實(shí)際的節(jié)點(diǎn)數(shù)量動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)參數(shù),以避免數(shù)據(jù)沖突?;跁r(shí)分復(fù)用(tdma)的數(shù)據(jù)包調(diào)度方式可以最大程度的降低節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)沖突的幾率,同時(shí)還可以有效降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?,本發(fā)明提出了一種基于時(shí)分復(fù)用的可實(shí)時(shí)調(diào)整的數(shù)據(jù)包調(diào)度方法。該方法將傳輸過程劃分為若干可變時(shí)隙,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)間由待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度以及計(jì)算出的偏移時(shí)間決定。本發(fā)明將無線節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)byte所需的時(shí)間定義為時(shí)隙調(diào)整的基本單位(tsu),特別的,當(dāng)選取的無線通信速率為250kb/s時(shí),每個(gè)基本單位為32微妙。
實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中,在礦井的入口處,定位節(jié)點(diǎn)通過競爭接入的方式加入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)通過地址信息匹配對應(yīng)的身份信息,同時(shí)基站設(shè)備按照先接入先分配的原則安排節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)隙,并向其通信范圍內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有分配時(shí)隙信息的數(shù)據(jù)包,此后在節(jié)點(diǎn)接收到下一條時(shí)隙安排命令幀之前,該定位節(jié)點(diǎn)都按照給定的時(shí)隙與基站進(jìn)行通信。移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后,會(huì)在給定的時(shí)隙進(jìn)入監(jiān)聽的工作狀態(tài),當(dāng)接收到基站設(shè)備發(fā)送的信標(biāo)幀后上傳自己的計(jì)步數(shù)據(jù)信息。為了避免計(jì)步測距方式引入的累積誤差,每隔一段時(shí)間之后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行一次距離校準(zhǔn)。對于已經(jīng)注冊進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的定位節(jié)點(diǎn)來說,每個(gè)通信循環(huán)被劃分為5個(gè)不同的數(shù)據(jù)交互周期。通信循環(huán)的時(shí)隙安排如圖1所示,每個(gè)通信循環(huán)具體包含4個(gè)計(jì)步數(shù)據(jù)上傳周期dup和1個(gè)tof校正周期tofp。每個(gè)周期由工作時(shí)間與睡眠時(shí)間構(gòu)成,為了保證接入時(shí)隙的動(dòng)態(tài)可調(diào),睡眠時(shí)間段中還包含一定的偏移時(shí)間域。由于接入時(shí)隙的不確定性,本發(fā)明的偏移時(shí)間長度也按需確定,即每個(gè)周期的偏移時(shí)間也是可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的。本發(fā)明采用基于時(shí)間差測距的方式來進(jìn)行精確位置的獲取以去除累積誤差。為了避免由于通信過程中出現(xiàn)的交互不成功而導(dǎo)致無法進(jìn)行距離估計(jì)的情況,基站設(shè)備會(huì)記錄移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歷史位置數(shù)據(jù),通過之前周期的記錄來估計(jì)實(shí)際位置,當(dāng)新的校準(zhǔn)周期數(shù)據(jù)上傳后再更新相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置。
本發(fā)發(fā)明的一種適用于礦下定位系統(tǒng)的時(shí)隙自適應(yīng)調(diào)整與調(diào)度方法,該方法具體內(nèi)容包括以下步驟:
步驟一:對通信幀進(jìn)行格式定義。
為了相關(guān)算法在實(shí)際應(yīng)用中的可移植性,本發(fā)明通過定義mac幀中的數(shù)據(jù)字段來表示不同的幀格式。如表1至表4所示,表中數(shù)值的基本單位為byte,本發(fā)明方法中的每種幀都有相對固定的格式。
值得注意的是,本發(fā)明中的相關(guān)位域根據(jù)功能的不同需求有細(xì)微差別,如源節(jié)點(diǎn)地址位域段、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址位域段、通信頻段位域段、時(shí)間偏移位域段和計(jì)步數(shù)據(jù)位域段。其中,幀類型字段規(guī)定了信標(biāo)幀、ack幀、nack幀、數(shù)據(jù)幀四種幀類型;源節(jié)點(diǎn)地址位域段代表發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的地址;目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址位域段代表待接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的地址;通信頻段位域段代表下次通信時(shí)所使用的無線信道編號(hào);時(shí)間偏移位域段,主要用來匹配周期的動(dòng)態(tài)接入時(shí)隙;計(jì)步數(shù)據(jù)位域段代表重置計(jì)步數(shù)據(jù)后累積的計(jì)步值。
表1通用幀格式
表2ack/nack應(yīng)答幀格式
表3數(shù)據(jù)幀格式
表4信標(biāo)幀格式
步驟二:根據(jù)時(shí)隙分配算法,給定位節(jié)點(diǎn)重新分配接入時(shí)隙。
節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)間是由與之通信的基站動(dòng)態(tài)分配的。為了保證定位節(jié)點(diǎn)的無縫漫游,基站設(shè)備不僅要記錄其覆蓋的定位節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息,還要通過主干網(wǎng)共享相鄰基站的調(diào)度信息。網(wǎng)絡(luò)中的基站設(shè)備中均保存了一個(gè)用來表示已被安排占用的時(shí)間信息集合pm,表達(dá)式如式(1):
其中,m表示基站設(shè)備的識(shí)別地址信息;
其中,tf為固定睡眠周期時(shí)間;
在以下兩種情況下,無線基站設(shè)備會(huì)給定位節(jié)點(diǎn)重新分配接入時(shí)隙:
情景1,在收到移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的計(jì)步數(shù)據(jù)之后。
當(dāng)基站設(shè)備接收到計(jì)步數(shù)據(jù)之后,通過刪除已經(jīng)使用的時(shí)間來更新pm,假設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i與基站設(shè)備m通信,則該流程可表示為pm=pm-pim,時(shí)隙的結(jié)束時(shí)間可以表示為
表5算法1
情景2,當(dāng)一個(gè)新的移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)想要加入新基站時(shí)。
當(dāng)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)要加入第m個(gè)基站時(shí),該基站記錄下其預(yù)期接入的時(shí)刻,通過主干網(wǎng)獲取該節(jié)點(diǎn)之前的通信時(shí)隙信息,并構(gòu)造一個(gè)根據(jù)之前調(diào)度信息調(diào)整之后的集合,新的時(shí)間信息集合可以表示為
表6算法2
步驟三:保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>
由于無線射頻暴露在巷道空間,開放的傳輸介質(zhì)無法保證數(shù)據(jù)的傳輸從源端完全正確的到達(dá)目的端,因此有必要設(shè)計(jì)當(dāng)通信幀丟失后的處理方案,以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸中移動(dòng)定位定位節(jié)點(diǎn)流程如圖2所示,無線基站設(shè)備流程如圖3所示。
在數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那闆r下,該設(shè)計(jì)中的移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)與基站數(shù)據(jù)交互傳輸過程如圖4所示,具體可分為4個(gè)步驟:
(1)基站設(shè)備向移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀,同時(shí)基站開啟定時(shí)器,等待接收來自移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀。經(jīng)過一個(gè)由應(yīng)用層決定的數(shù)據(jù)等待周期(稱為tdwd)后,定時(shí)器超時(shí)失效,其中等待周期的基本單位采用tsu。
(2)移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)通過偵聽到的信標(biāo)幀來獲取接收信號(hào)強(qiáng)度的值,進(jìn)而計(jì)算出路徑損耗值。網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)使用經(jīng)過計(jì)算的發(fā)送功率向基站設(shè)備發(fā)送計(jì)步數(shù)據(jù),同時(shí)開啟超時(shí)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí),經(jīng)過一個(gè)預(yù)先設(shè)定的ack等待周期(稱為tawd)后,定時(shí)器超時(shí)失效,其中等待周期的基本單位采用tsu。
(3)在數(shù)據(jù)等待周期tdwd超時(shí)失效之前,如果基站設(shè)備應(yīng)用層能接收到從移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的計(jì)步數(shù)據(jù),代表通信成功,一個(gè)通信循環(huán)完成,同時(shí)關(guān)閉并清零數(shù)據(jù)等待周期定時(shí)器,基站設(shè)備向移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送ack應(yīng)答幀,該幀中包含相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)隙安排信息。
(4)定位節(jié)點(diǎn)收到ack應(yīng)答幀后,關(guān)閉并清零ack等待周期定時(shí)器,記錄由基站設(shè)備安排的通信時(shí)隙,重新計(jì)步。在下一個(gè)應(yīng)答幀之前,按現(xiàn)有時(shí)隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時(shí)刻。
當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),主要有以下兩種情況:
(1)丟失計(jì)步數(shù)據(jù)幀。如果基站的數(shù)據(jù)等待周期定時(shí)器在超時(shí)失效之前仍沒有收到計(jì)步數(shù)據(jù)幀,表示本次數(shù)據(jù)傳輸失敗。此時(shí),為了通知移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài),基站設(shè)備下發(fā)帶有時(shí)隙安排的應(yīng)答幀,如果在超時(shí)計(jì)時(shí)器溢出之前接收到了該幀,移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)關(guān)閉并清零ack等待周期定時(shí)器,并記錄下由基站設(shè)備安排的時(shí)隙信息。這種情況下,移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)不清零計(jì)步數(shù)據(jù),在收到重新安排通信時(shí)隙命令之前,一直按現(xiàn)有時(shí)隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時(shí)刻。
(2)丟失應(yīng)答幀。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,無論是否接收到計(jì)步數(shù)據(jù)幀,都會(huì)下發(fā)ack/nack應(yīng)答幀,每個(gè)移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)內(nèi)部都有一個(gè)ack等待周期定時(shí)器用來對數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程計(jì)時(shí),假如該計(jì)時(shí)器超時(shí)之前未收到ack/nack應(yīng)答幀,則說明本次通信未成功。這種情況下,移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)不清零計(jì)步數(shù)據(jù),在收到重新安排通信時(shí)隙命令之前,一直按現(xiàn)有時(shí)隙規(guī)則安排通信、睡眠和接入時(shí)刻。
應(yīng)當(dāng)理解的是,以上的一般描述和細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的,并不能限制本發(fā)明。