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
技術領域：
本發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無線網絡技術、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：
礦井開采作為安全事故頻發的重工業，對安全監督管理系統的要求很高。利用無 線通信定位系統，對并下人員進行實時定位監督，將在很大程度上加強井下作業的安全保障。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，無法適應煤礦安全生產的實際要求。近年來，國內一些科研院所及企業推出了各 自對井下應用人員跟蹤定位及考勤系統，這類系統主要是基于射頻識別技術RFID (radio frequencyidentif ication)，這類技術只能實現區域定位，無法實現井下人員的精確定位。 至于采用鋪設電纜，光纜等的有線信號傳輸方式，則存在成本高，復雜地形區鋪設難度較 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，主要表現在下面幾點首先，多徑效應嚴重。小尺度衰落是指從發射源發出的電磁波在各障礙物的表面 發生反射、散射、繞射效應，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，在空間上某些點上相 互抵消，而在某些點上又相互加強，從而在近場區引發強烈的隨機快速起伏現象。其次，非視距路徑傳播對于信號強度影響大。當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。
發明內容
本發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無線網絡技術實現對礦井下人員定位，從而為礦井作業提供了安全保障，并為災 后搜救工作提供了強有力的保障。本發明采用了如下技術方案來實現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無線網絡協議的無線通信網絡，設置在每 個礦井工作人員身上的定位器均接入無線通信網絡并分別成為該網絡的一個通信節點；根據參考通信節點的接收信號強度推算出其與未知通信節點之間的相對距離，進 而算出未知通信節點的坐標(X，y)為使函數f(X，y)取最小值的位置<formula>formula see original document page 4</formula>其中，參考通信節點坐標(Xi，Yi)，函數g為非線性函數，d,表示未知通信節點與N
,Α+RSSL Λ 個參考節點之間的距離，< =10(_—^廠〉，Α為在距離發射節點1米處的接收信號場強，η為
信號衰減系數，數值取決于具體信號傳播環境，RSSIi為第i個參考通信節點平滑后的接收 到未知節點發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。其中，平滑系數α為0.3。其中，非線性函數g為平方根函數。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化算 法對推算得出每個通信節點的坐標位置進行計算。其中，優化算法為列文伯格-馬夸爾特(Levenberg-marquardt)算法。其中，無線通信網絡為樹狀、星狀或網狀網絡結構。其中，無線通信網絡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。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果只要每個礦井作業人員攜帶一個ZigBee網絡模塊終端的定位器，成為ZigBee網 絡中的一個節點，即可以利用本發明快速實現人員位置的定位。由于ZigBee網絡模塊終端 具有功率小和通信效率高的優點，非常適合于礦井通道環境使用。
圖1是本發明的流程示意圖。
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的定位方法對系統硬件的要求少，實現簡單易行，因此本發明采用了基于 RSSI的方法進行定位處理。本發明提出一種利用Zigbee技術的礦井下人員定位方法，為礦井下人員信息統 計和災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無線網絡協議通信的無線網絡。在礦井通道中設置一個或多個具有樹狀、星狀或網狀等網絡結構的網絡，每個網 絡由一個基站和若干個路由器組成；基站設置在網絡的起始端，沿著網絡延伸方向按一定 的通信距離設置多個路由器，在礦井工作人員身上設置定位器(為ZigBee網絡模塊終端)， 因而，在基站、路由器與定位器之間采用基于IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的ZigBee無線 網絡進行通信，而基站與礦井上的控制主機通過以太網或RS485通信協議進行通信。
以下提到的節點、接收端與發射端均采用ZigBee網絡模塊終端，而參考節點指 ZigBee無線網絡中的基站和路由器，從而各個ZigBee網絡模塊終端之間采用自組織網通 信方式構成一個組網靈活、通信可靠的網絡。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，未知節點不停發射無線信號，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時刻系統中用于計算的RSSI值。RSSI'為采樣到的真實RSSI數 據，α為平滑系數；本發明的優先實施例中，取α =0.3。步驟S103 基于RSSI的定位方法，計算每個節點(對應于每個礦井的作業人員) 與參考節點之間的相對距離。未知節點到參考節點之間的相對距離可以根據接收到信號的RSSI數值來推算， 從而算出未知節點的坐標。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為在距離發射端1米處的接收信號場強，η為信號衰減系數，d為接收端與 發射端的距離。假設未知節點的位置為(X，y)，N個參考節點的坐標為Oq，Y1)，(x2, J2),... (xN, yN)，它們到未知節點之間的距離為屯，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變為一個求最優解，選擇代 價函數為
ι N2f{x, y) = -YJ{g{{x-xl)1+{y-ylf}-g{d'})(式 ι · 6)
2 i=\其中g{ · }為非線性函數，不同的非線性函數可以調節代價函數對噪聲的敏感 程度以及結果的誤差范圍。在本發明一個優選實施例中選擇為平方根函數，即g{·}= sqrt ( · )ο則使得函數f (x，y)最小的位置U'，1')即為未知節點位置(X，Y)的估計為(叉‘，少)=argmin /(χ, y)(式丄· 7)步驟S104 利用優化算法對推算得出每個節點的準確位置進行計算，求得最終定位結果。對函數f(x，y)的優化轉化為一個最小二乘問題，令χ = (x，y)T為未知參數向量， 則代價函數可以重寫為
<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整的參數。因此，只要每個礦井作業人員攜帶一個ZigBee網絡模塊終端，成為ZigBee網絡中 的一個節點，即可以利用本發明快速實現人員位置的定位。由于ZigBee網絡模塊終端具有 功率小和通信效率高的優點，非常適合于礦井通道環境使用。
權利要求
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無線網絡協議的無線通信網絡，設置在每個礦井工作人員身上的定位器均接入無線通信網絡并分別成為該網絡的一個通信節點；根據參考節點接收到未知通信節點的發射信號強度推算出其與未知通信節點之間的相對距離，進而算出未知通信節點的坐標(x，y)為使函數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>Σ</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，參考通信節點坐標為(xi，yi)，函數g為非線性函數，di表示未知通信節點與N個參考節點之間的距離， <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為在距離發射節點1米處的接收信號場強，n為信號衰減系數，RSSIi為第i個參考通信節點平滑后的接收到未知節點發射信號的信號強度，i＝1，...，N。
2.根據權利要求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。
3.根據權利要求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α為0.3。
4.根據權利要求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g為平方根函數。
5.根據權利要求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，還包括利用優化算法對每個通信節點的坐標位置進行計算。
6.根據權利要求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，優化算法為列文伯格_馬夸爾特算法。
7.根據權利要求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，無線通信網絡為樹狀、星狀或網狀網絡結構。
8.根據權利要求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，無線通信網絡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無線網絡協議的無線通信網絡，設置在每個礦井工作人員身上的定位器均接入無線通信網絡并分別成為該網絡的一個通信節點；根據參考節點收到未知通信節點發射信號的強度推算出其與未知通信節點之間的相對距離，進而算出未知通信節點的坐標(x，y)為使函數f(x，y)取最小值的位置。本發明利用IEEE 802.15.4無線網絡技術實現對礦井下人員定位，從而為礦井作業提供了安全保障，并為災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 優先權日2009年12月31日
發明者崔榮濤, 文智力 申請人:深圳市翌日科技有限公司