专利名称：非接触式矿山井下机车追踪系统及进行车厢数量统计的方法
技术领域：
本发明涉及一种矿山井下机车追踪及车厢数量统计方法，尤其涉及一种无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)基于接收信号强度(Received Signal Strength Indicator, RSSI)的矿山井下机车追踪和车厢数量统计方法，属于电通信技术领域。
背景技术：
在已有的矿山井下机车追踪管理中，采用的是基于GPS全球定位技术的机车远程定位方法。虽然该方法定位精度较高，然而，该发放需要GPS定位模块，成本较高；另一方面由于矿山井下GPS信号强度等原因，该方法具有较大的局限性和不稳定性。而针对车厢数量统计，传统的方法是使用轨道计轴器等接触式传感器等手段，其缺点是稳定性较差，容易损坏。现在，无线传感器网络已逐步应用于矿山井下人员定位与安全管理中，以实现对井下人员的日常生产管理，也有利于矿难后的应急救援。那么，相应地，无线传感器网络也可以应用于对矿山井下机车追踪和管理中。在这类应用中，为了实现对机车的追踪，每辆机车都携带有传感器节点(由于节点随着机车移动，亦称之为移动节点)，而矿井的巷道内布置了固定的信标节点，这些信标节点的现实位置已知。本发明利用信标节点的位置及其他信息来获取移动节点的位置，以此实现对矿上井下机车的追踪，并能够据此获得机车上所带车厢的数目。本专利重点考虑移动节点的实时可靠追踪方法，忽略其他的技术细节。通过本专利，可以在对机车进行追踪的同时实现对车厢数量的统计。由于无线传输的不稳定性，探测信息可能会丢失，影响追踪的精度。信标节点的配置关系着追踪的性能。如果信标节点间距过大，会造成追踪误差过大，追踪结果不可靠；如果信标节点间距过小，需要较多的信标节点才能覆盖整个巷道，增加了追踪成本。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于无线传感器网络的矿山井下追踪及车厢数量统计方法，通过信标节点的RSSI信息以及信标节点的位置，确定移动节点的位置，为矿山井下机车安全管理提供了一种有效的方法。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是—种非接触式矿山井下机车追踪系统，包括分别固定安装在机车上随机车移动的传感器节点作为移动节点、沿矿山井下的巷道布置的传感器节点作为信标节点，其特征在于所述系统还包括服务器，所述移动节点、信标节点和服务器构成通信网络，所述信标节点周期地发送探测信息数据，并接收由移动节点生成的定位信息，将定位信息组装成路由数据包通过无线路由或者有线网络传递给服务器。优选的，所述移动节点分别设置在机车头部和机车尾部。本发明还提供了一种利用非接触式矿山井下机车追踪系统进行车厢数量统计的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤
(1)根据机车的长度、巷道长度以及传感器节点的传输半径，确定信标节点的间距，分别在巷道中布置信标节点和在机车头尾部上设置移动节点，使移动节点、信标节点和服务器构成非接触式矿山井下机车追踪系统；(2)信标节点周期性地发送包含信标节点ID的探测消息包；移动节点接收信标节点的探测消息包，并根据接收到的探测消息包，来计算相应的信标节点RSSI信息；(3)机尾部位的移动节点将两个最大的RSSI信息及其相应的信标节点ID封装起来发送给机头部位的移动节点；机头部位的移动节点将其自身的信息与接收到的机尾信息封装在一起进行广播；(4)机尾部位的移动节点接收到机头部位的移动节点广播的消息后直接丢弃该消息；信标节点接收到机头部位的移动节点广播的消息后通过路由传输给服务器；(5)服务器分析处理收集到的所有RSSI信息及信标节点ID，根据RSSI信息以及信标节点的位置对每个移动节点的进行定位追踪或获取机车所带车厢数量。为了降低本方法的成本，减少信标节点的数目，在不影响追踪性能的前提下合理估算每个信标节点的间距。同时，为了计算机车携带的车厢数量，提高机车追踪的精度，增加RSSI信息的冗余度，每个机车上将配置两个移动节点，分别在车头和车尾。该追踪统计方法使用无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)等技术对矿山井下机车进行追踪及车厢数量统计。所述的定位节点为无线传感器节点，将其布置在矿山井下机车上，这些定位节点随着机车一起移动，称为移动节点(Mobile Node)，且每个移动节点均被赋予了一个ID(这些ID互不相同)。在矿山井下的巷道中，沿着巷道布置一些接入节点(亦为传感器节点)，称为信标节点(Beacon Node)。这些信标节点周期地发送探测信息数据，并接收由移动节点生成的定位信息，将这些定位追踪数据组装成路由数据包通过多条无线路由或者有线网络传递给服务器，服务器综合处理所有移动节点的RSSI信息，根据这些信息计算每个移动节点所在的位置，也由此可以获得机车所在位置，并能够同时获得机车上所带车厢的数目。为了能够获得机车所带车厢数目，本发明在机车的车头和车尾各配置一个传感器节点，确定了车头和车尾所在位置之后，即可获得车厢数目。另一方面，为了实现对机车的精确定位，必须提高RSSI信息的冗余度。本发明设计了基于应答机制的追踪算法，其关键在于冗余RSSI信息，丰富追踪信息。信标节点周期地发送探测信息，移动节点根据收集到的探测信息来计算信标节点的信号强度(Received Signal Strength Indicator, RSSI)， 通过这些接收信号强度以及已知的信标节点位置来实现对移动节点的精确追踪。在整个过程中，为了提高该方法追踪精度，因此设计了双重RSSI信息追踪机制。基于接收信号强度的追踪算法，通过双重RSSI信息定位，由粗粒度的机车定位， 过渡到细粒度的机头和机尾定位，综合考虑机车头尾的位置，实现对机车的位置追踪和车厢数量统计，实现了基于无线传感器网络的矿山井下机车追踪方法，最后能够根据车头和车尾的位置，获得机车车厢的数目。相对于现有技术中的方案，本发明的优点是本发明特别适合于本发明特别适合于矿上井下机车追踪及车厢数量统计应用中。 同时，本方法还能用于如办公室内的楼道内人员定位应用、高速公路汽车定位追踪等。由此可见，本发明为本领域的技术进步拓展了空间，实施效果好。
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综上所述，采用本发明后，能够实现基于无线传感器网络的矿山井下机车追踪及车厢数量统计，通过双重RSSI定位信息，首先实现与信标节点相关的粗粒度定位，其次，通过阈值的测量与估计，采用平均的手段，实现对机车的细粒度定位，第三，能够通过计算获得机车上车厢的数目。由此可见，本发明具有实质性技术特点和显著的技术进步，其应用前景非常广阔。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为本发明实施例进行非接触式矿山井下机车追踪时的矿山井下环境示意图；图2为本发明实施例进行非接触式矿山井下机车追踪时的数据流向图；图3为本发明实施例进行非接触式矿山井下机车追踪时RSSI阈值相同的两个位置。
具体实施例方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。实施例如图1和图2所示，本发明基于无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN) 进行矿山井下机车追踪及车厢数量统计方法的测试支撑平台(包括移动节点和信标节点) 的节点类型为CrossBow公司生产的Mica系列节点，如Mica2、MicaZ等，基站采用CrossBow 公司生产的MIB510板。该机制为基于无线传感网络的矿山井下机车追踪及车厢数量统计提供了一种有效的方法。尽管移动节点和信标节点采用相同类型的硬件平台，系统可以通过加载不同的软件以实现不同的功能。具体跟踪和统计步骤如下步骤1 根据机车的长度、巷道长度以及传感器节点的传输半径，确定信标节点的间距，在巷道中布置信标节点。另一方面，在机车头尾各布置一个传感器节点，用来测算机车所带车厢数目；步骤2 每个信标节点周期性地发送探测消息包，该消息包中包括了该信标节点的ID ；步骤3 移动节点接收这些探测消息包，根据接收到的数据包，来计算相应的信标节点RSSI信息，机尾的移动节点将两个最大的RSSI信息极其相应的信标节点ID封装起来发送给机头节点；机头节点将其自身的信息与接收到的机尾信息封装在一起进行广播；步骤4 机尾节点接收到上述消息之后直接丢弃该消息，信标节点接收到上述消息之后进行路由，直至服务器；步骤5 服务器将收集到的所有RSSI信息及信标节点ID进行分析处理，并根据这些RSSI信息以及信标节点的位置来对每个移动节点的进行追踪(使用两个最大的RSSI信息来确定机车头尾在信标节点的左侧还是右侧进行精确定位)，接着计算机车所带车厢数量(通过前面的精确定位来对数量进行准确计算)。
通过确定信标节点的间距布置信标节点后，信标节点周期性地发送探测信息，移动节点收集这些探测消息，计算信标节点的RSSI信息，取其中最大的两个信标节点极其 RSSI信息。机尾移动节点并它的信息发送给机头移动节点，机头移动节点将两节点的所有信息组装成数据包广播给信标节点，通过多条无线路由或者有线网络传递给服务器，服务器综合处理这些RSSI信息，根据这些信息计算每个移动节点所在的位置，也由此可以获得机车所在位置及机车携带的车厢数量。本实施例中为了提高追踪的精度，同时控制追踪的成本，在机车的头尾部分各布置一个传感器节点。接下来，需要确定信标节点的间距以便布置信标节点。以下对该步骤进行详细描述1.预处理在预处理过程中，主要是进行如下处理1. 1阈值的测定依据RSSI与这些阈值的比较结果，来判断移动节点与信标节点之间的距离关系；1.2巷道内通信半径的测定通过大量的测试，测出无线传感器节点在巷道中的通信半径R ；1.3信标节点间距设定假定巷道长度为LH，机车长度(无车厢)为LC，如图1所示。在实际情况中，巷道比较窄且矮，因此相对于R、LH、LC来说，图1中的H可忽略不计，由此可以得知为了保证移动节点始终在信标节点的传输范围内，信标节点间距ST = LC+2R。R 为传感器传输半径。在一条直的巷道中，在巷道起始出布置一个信标节点，然后每隔ST即布置一个信标节点，直到巷道尾部。如巷道出现分叉的情况，那么在分叉出需要布置多个信标节点，有N个分叉，即布置N+1个信标节点。1. 4配置文件处理配置文件中包含了巷道中信标节点的实际位置和信标节点之间的实际距离。2.信标节点探测数据包发送每个信标节点周期性发送探测信息数据，数据格式为<ID，目标地址〉。其中，ID为该信标节点的ID，用来标识该消息的来源；目标地址为BCAST，意味消息发送方式为广播。3.移动节点3. 1探测信息接收移动节点接收到信标节点的探测信息，并由此计算相应的RSSI值。每个移动节点保留两个最大的RSSI值信息及其相应的信标节点ID。3. 2机尾移动节点数据发送机尾移动节点将它计算到的RSSI信息封装在一起，发送给机头的移动节点。封装后的信息数据包格式为<ID_END，RE_1, IDE_1, RE_2, IDE_2, ID_HEAD>，其中ID_END是机尾移动节点的ID，RE_1为最大的信标节点RSSI值，IDE_1为该信标节点ID，RE_2为最二大的信标节点RSSI值，IDE_2为该信标节点ID，ID_HEAD为目标节点地址。3. 3机头节点接收机尾节点信息机头节点接收到机尾节点信息时，将其自身的信息也封装到数据包中，具体格式为:<ID_HEAD，RE_1，IDE_1，RE_2，IDE_2，RH_1，IDH_1，RH_2，IDH_2，BCAST〉，其中 ID_HEAD 为机头节点的ID，RH_1为由机头节点计算的最大信标节点RSSI值，IDH_1为该信标节点ID，RH_2为最二大的信标节点RSSI值，IDH_2为该信标节点ID，BCAST为广播地址。信息封装完成后，机头节点将广播该消息。3. 4机尾节点接收到上述的广播消息之后直接丢弃，不进行任何其他处理；4.信标节点接收到上述的广播消息之后，将该消息中的数据进行路由和转发，其目标地址为无线传感器网络网关，网关接收到数据后，立刻将其传递给服务器；5.服务器处理RSSI信息5. 1接收RSSI信息包当服务器接收到RSSI信息包时，将数据包中的RE_1，IDE_1, RE_2, IDE_2, RH_1, IDH_1, RH_2, IDH_2信息读取出来，进行处理判断。5. 2 追踪在预处理过程中，本发明已经测定了阈值(假设阈值分别为A1,……An)。本发明依据读取到的RSSI值和阈值来判断移动节点所在位置。5. 2. 1确定信标位置由于RSSI的标量性质，本发明知道信标节点两侧的RSSI值是对称的，因此本发明需要确定机车是在信标的左侧还是右侧。首先，IDH_1告诉本发明距机头最近的信标节点。 如果IDE_2等于IDH_1，那么机头的位置在信标节点IDH_1的右侧；如果IDH_2等于IDE_1， 那么机头的位置在信标节点IDH_1的左侧。由此本发明大致确定了机车的大概位置。5. 2. 2确定机车所在位置首先本发明用如下判断来确定机头所在位置If RH_1 > A1,那么将机头定位在信标节点IDH_1 (A0)；If A2 < RH_1 < A1，那么将机头定位在A1的位置；......If Alrl < RH_1 < An,那么将机头定位在An的位置使用同样的判断条件确定机尾所在的位置。假设机头的位置为(IDHAi),机尾的位置为(IDE_1，Aj)，那么将机车定位在Ai和Aj的中间位置。5. 2. 3获取机车携带的车厢数量步骤5. 2. 2已经计算得到机头和机尾的位置，然后本发明读取配置文件，依据信标节点之间的实际距离(无论巷道是直线还是曲线)，由此可以获知整个机车包括车厢的长度，假设每节车厢的长度为LP，信标节点IDH_1和IDE_1之间的距离为LB，机头定位在 Ai (距离信标节点IDH_1距离为LH)，机尾定位在A^ (距离信标节点IDE_1距离为LE)，本发明使用如下方法计算车厢数量(不失一般性，本发明假设机车行进方向为从左至右)If机头和机尾均定位在信标节点左侧，THEN车厢数量C为(LB+LE_LC_LH)/LP。此时，C未必为整数，本发明取C为不小于该数值的最小整数；If机头和机尾均定位在信标节点右侧，THEN车厢数量C为(LB+LH_LC_LE) /LP。此时，C未必为整数，本发明取C为不小于该数值的最小整数；If机头定位在信标节点左侧且机尾定位在信标节点右侧，THEN车厢数量C为 (LB-LC-LH-LE)/LP。此时，C未必为整数，本发明取C为不小于该数值的最小整数；If机头定位在信标节点右侧且机尾定位在信标节点左侧，THEN车厢数量C为 (LB+LH+LE-LC)/LP。此时，C未必为整数，本发明取C为不大于该数值的最大整数。
至此，本发明完成了对机车的追踪及车厢数量统计。图2示例了本方法的数据流向。信标节点周期性地发送探测包，机尾将信息发送给机头，机头将RSSI信息广播给信标节点，信标节点接收到数据包之后，通过邻近信标节点向服务器传递，服务器接收数据包之后，计算当前机车位置。具体的，首先由信标节点周期性地发送探测包。然后，移动节点收集到该探测消息时，就计算相应的RSSI值。机尾移动节点将最大的两个RSSI值及相应的信标节点ID封装在一起发送给机头节点。机头移动节点接收到数据包之后，将其自身计算的两个最大RSSI值、信标节点ID与接收到的信息封装起来，并广播给信标节点，然后通过信标节点路由至服务器。服务器在接收到数据包后，将其中的RSSI信息及节点ID信息提取出来。首先进行双重RSSI定位信息通过交叉对比机头和机尾的RSSI信息，确定机车在信标节点的左右位置(如图3所示，图中显示RSSI阈值相同的两个位置，因此首先需要区分机车在信标节点的左侧还是右侧，否则，定位误差较大)，为后面的精确定位提供了保障；然后进行细粒度定位，对机头和机尾的位置分别定位，最后取其平均，得出中间位置机尾机车中部所在位置。接下来使用车头和车尾的位置，可以计算机车携带的车厢数目。该方法可以实现1.机车携带车厢数量统计通过车头和车尾的位置定位，能够获知机车上的车厢数量，能够为矿山资产管理提供支持；2.双重RSSI定位信息通过交叉对比机头和机尾的RSSI信息，确定机车在信标节点的左右位置，为下一步的精确追踪提供了保障；3.细粒度追踪在本方法中，通过前期的预处理可以获得不同位置的RSSI值，再结合移动节点收集到的信标节点RSSI信息，可以对机头和机尾的位置分别定位，最后取其平均，将得到的位置定位为机车中部所在的位置，这种方法进一步降低了追踪误差。上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种非接触式矿山井下机车追踪系统，包括分别固定安装在机车上随机车移动的传感器节点作为移动节点、沿矿山井下的巷道布置的传感器节点作为信标节点，其特征在于所述系统还包括服务器，所述移动节点、信标节点和服务器构成通信网络，所述信标节点周期地发送探测信息数据，并接收由移动节点生成的定位信息，将定位信息组装成路由数据包通过无线路由或者有线网络传递给服务器。
2.根据权利要求1所述的非接触式矿山井下机车追踪系统，其特征在于所述移动节点分别设置在机车头部和机车尾部。
3.一种利用权利要求1所述的非接触式矿山井下机车追踪系统进行车厢数量统计的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(1)根据机车的长度、巷道长度以及传感器节点的传输半径，确定信标节点的间距，分别在巷道中布置信标节点和在机车头尾部上设置移动节点，使移动节点、信标节点和服务器构成非接触式矿山井下机车追踪系统；(2)信标节点周期性地发送包含信标节点ID的探测消息包；移动节点接收信标节点的探测消息包，并根据接收到的探测消息包，来计算相应的信标节点RSSI信息；(3)机尾部位的移动节点将两个最大的RSSI信息及其相应的信标节点ID封装起来发送给机头部位的移动节点；机头部位的移动节点将其自身的信息与接收到的机尾信息封装在一起进行广播；(4)机尾部位的移动节点接收到机头部位的移动节点广播的消息后直接丢弃该消息； 信标节点接收到机头部位的移动节点广播的消息后通过路由传输给服务器；(5)服务器分析处理收集到的所有RSSI信息及信标节点ID，根据RSSI信息以及信标节点的位置对每个移动节点的进行定位追踪或获取机车所带车厢数量。
全文摘要
本发明公开了一种非接触式矿山井下机车追踪系统，包括分别固定安装在机车上随机车移动的传感器节点作为移动节点、沿矿山井下的巷道布置的传感器节点作为信标节点，其特征在于所述系统还包括服务器，所述移动节点、信标节点和服务器构成通信网络，所述信标节点周期地发送探测信息数据，并接收由移动节点生成的定位信息，将定位信息组装成路由数据包通过无线路由或者有线网络传递给服务器。该方法通过双重RSSI定位信息，实现与信标节点相关的粗粒度定位，通过阈值的测量与估计，采用平均的手段，实现对机车的细粒度定位，而且通过计算获得机车上车厢的数目。
文档编号E21F17/18GK102209298SQ20111012204
公开日2011年10月5日 申请日期2011年5月12日 优先权日2011年5月12日
发明者张银东, 徐宏力, 赵贺楠, 黄刘生 申请人:中国科学技术大学苏州研究院