专利名称：一种井下人员定位系统及方法
技术领域：
本发明涉及煤矿井下安全监控领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的井下人员定位系统和方法。
背景技术：
煤炭是我国的主要能源，但多年以来，煤矿井下的工作环境恶劣，地质环境复杂， 一直存在着各种有害气体及不明水体逸出等灾难隐患，并且，我国的开采技术相对落后，井下生产人员素质较低，导致各种矿井的恶性事故不断发生，井下工作人员的生命安全受到严重威胁。随着科学技术的不断进步，人们在井下布设了多种探测系统和监控系统，以便获知井下工作人员的位置，方便在发生矿难时及时开展救援工作以及日常生产中的管理调度。
为实现井下人员的定位，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，有利于调度指挥、安全监督和人员的统计考勤，特别是可以在事故发生时为救援提供人员位置信息。
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，如果想要提高精度就必须增大询问装置的布设密度，这样会增加定位系统的成本。
现有的井下定位系统大多是采用基于RFIDO^adio Frequency Identification) 射频识别技术的定位系统，所用的方法也和上述专利类似，都存在定位精度不够、精度受成本限制等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，特别是针对矿井定位技术定位精度不够、精度受成本限制的问题，本发明公开了一种结构简单的井下人员定位系统和一种精确度高，算法简单的定位方法。该系统及方法结合巷道空间的特点，利用有限的参考节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案
上述系统是一种基于无线传感器网络的井下人员定位系统，包括地面监控中心， 传输基站，网关节点，光纤，总线，无线信标节点，训练节点和移动节点。在系统中涉及的井下设备全部是本质安全型设备。上述本发明的定位方法是一种基于模式匹配的人员定位方法。
所述的地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面监控中心存储定位模式数据，并从基站接收从井下发来的定位信息，处理定位信息。
所述的传输基站是大型的本质安全型交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心。
所述的每个网关节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源及总线模块。网关节点根据信标节点的布设方式和移动节点的信号覆盖半径布设在巷道壁上，负责接收移动节点发送的定位信息，并将其通过总线传送到传输基站。
所述的信标节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源。信标节点在巷道内按区块布设，负责向移动节点发射定位信息，每个信标节点都分配一个所属区块编号和一个在本区块内独有的自身编号。
所述的每个训练节点包括处理器、存储器、无线收发器、显示器、键盘、电源，键盘用于输入训练节点所在的位置坐标，所以训练节点已知自身位置坐标，训练节点与信标节点配合，生成训练定位模式数据存储在地面监控中心。
所述的每个移动节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源，分配有一个独有的编号，与井下工作人员的身份对应。
所述的总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线，负责网关节点与传输基站之间的通信；所述的光纤负责传输基站与地面监控中心之间的通信。
所述的井下人员定位系统的网关节点、信标节点和移动节点上添加的传感器，用于测量周围的环境信息，并用与定位数据相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心。
上面所述定位方法的实现分为两个阶段一是训练阶段，使用已知自身位置坐标的训练节点与信标节点配合，生成包括自身位置坐标、所在区块编号、信标节点编号及信号强度的模式数据，经过网关和传输基站传送到地面监控中心存储；二是定位阶段，由置于井下人员安全帽上的移动节点接收信标节点的定位信号，经过简单处理后形成包括所在区块编号、信标节点编号及信号强度的模式数据，经过网关和传输基站发送到地面监控中心， 地面监控中心将这种模式数据与数据库中在训练阶段生成的模式数据进行匹配计算，找出与移动节点所生成的模式数据最接近的训练节点生成的模式数据，得到移动节点的精确位置。
上述基于模式匹配的井下人员定位方法的实现包括下列步骤
步骤A，根据井下的巷道结构和工作环境，布设并配置信标节点，网关节点，传输基站，以及总线；
步骤B，在巷道内根据需要的定位精度，使用训练节点与信标节点配合，在地面监控中心生成定位模式数据库；
步骤C，在井下工作人员安全帽上安装移动节点，移动节点周期性地向信标节点发送定位请求信号；
步骤D，信标节点收到移动节点发射的定位请求信号后，向移动节点发射定位信号；
步骤E，移动节点接收信标节点发射的定位信号，向信标节点发送确认收到信号并记录接收到的定位信号中的区块编号、信标节点自身编号及信号强度，进而确定自己所在的区块，按照预先设定的格式将所在区块编号、信标节点的编号和信号强度，以及移动节点自身的编号发送到临近的网关节点；
步骤F，网关节点接收移动节点发送过来的数据包，通过总线、传输基站、光纤把数据发送到地面监控中心；
步骤G，地面监控中心接收到步骤F中所述的数据包后，将数据包中的模式数据与数据库中在步骤B生成的模式数据进行模式匹配计算。
所述的步骤A包括以下步骤
步骤Al，在井下巷道内分区块布设信标节点，每个区块的信标节点数相同；
步骤A2，根据移动节点发射信号的覆盖半径，在井下巷道布设与总线连接的网关节占.I— /、、、
步骤A3，完成布设任务后，按所分的区块为区块内的每个信标节点编号，编号包括两部分，一部分是所在区块的编号，一部分是信标节点的自身编号；
所述的步骤B包括以下步骤
步骤Bi，根据需要的定位精度选择井下指定的定位点，根据井下巷道的具体构型， 确定每个点的坐标；
步骤B2，训练节点在步骤Bl中的每个指定的定位点，键盘输入所在点的坐标并存储，接收该点所在区块内信标节点的定位信号；
步骤B3，训练节点将所在区块的编号、收到的信标节点的编号和信号强度以及训练节点自身的位置坐标，按照预先设定的格式打成数据包发送至网关节点，网关节点通过总线将数据包发送至传输基站，传输基站通过光纤将数据包发送至地面监控中心，地面监控中心将收到的数据包作为定位模式数据存储到数据库中。
所述的步骤C还包括以下操作
在移动节点向信标节点发送定位请求信号后，如果一段时间过后没有收到或者没有收到预定数量的信标节点的信号，则重新发送，如果重发几次都没有收到或者没有收到预定数量的信标节点的信号，则向网关节点发送报错信息，告知地面监控中心信标节点可能损坏或者电池电量已耗尽。
所述的步骤E包括以下步骤
步骤E1，移动节点接收信标节点发射的定位信号，记录接收到的所有信标节点的自身编号、区块编号及信号强度；
步骤E2，按照信标节点的信号强度从高到低进行排序，选出最先排出的属于同一区块的所有的信标节点，确定移动节点所在的区块编号为这些信标节点所在区块的编号， 并抛弃其它信标节点的信号；
步骤E3，将步骤E2确定的区块编号、确定的信标节点的编号和对应的信号强度， 以及移动节点自身的编号，按照预先设定的格式打成数据包发送至邻近的网关节点。
所述的步骤G中，地面监控中心将接收到的移动节点数据包的模式数据与数据库中的训练节点发送的模式数据进行匹配计算包括以下操作
地面监控中心接收到步骤F所述的数据包后，将其与步骤B中生成的数据库中的模式数据进行匹配，首先根据数据包中的区块编号确定移动节点所在的区块，再根据数据包中信标节点编号和信号强度，通过与数据库中对应区块的模式数据进行匹配计算，找出数据库中与移动节点发送过来的数据包中的模式数据最相似的模式数据，则该模式数据所对应的坐标确定为移动节点的坐标。
本发明可广泛应用于矿井的井下人员或者移动设备的精确定位。虽然在训练阶段生成模式数据库需要一定的时间，但是为了达到高精度可靠的定位效果，这些时间是值得的，而且，数据库的生成方式非常简单，容易实现。本发明还可以轻松的实现井下的人员调度、考勤监督等。通过本发明，可有效的提高矿山的管理水平和工作效率。
本发明的有益效果是
1.本发明采用移动节点主动发射定位请求信号，信标节点只有检测到定位请求信号时才发射定位信号的方式，并且将区块选择和数据帧的形成及发送任务放在可以用矿灯电瓶供电的移动节点上，使用电池供电的无线信标节点只需要在收到移动节点发送的定位请求信号时才发射电磁波信号，这样可以大大延长信标节点中电池的使用时间，进而延长整个无线传感器网络的使用寿命。
2.本发明采用基于模式匹配的定位算法，以信标节点发送到移动节点的信号强度为计算参量，无须根据信号强度计算信号的传输距离，一方面算法的复杂度低，可以减小计算带来的时延，另一方面，定位确定到巷道内各个点的具体坐标，相比于现在煤矿井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射频识别技术，只能确定移动节点在某个读卡器附近的定位方式，大大提高了定位的精度。
3.本发明结合井下巷道的特点把井下巷道分成不同的区块，每个区块只需要铺设很少的几个信标节点即可实现高精度的定位，成本较小；并且结构功能简单，信标节点的数量还可以依据具体环境和定位精度要求灵活设定。
图1是本发明的基于无线传感器网络的井下人员定位系统的组成框图
图2是本发明的定位方法中训练阶段巷道的俯视示意图3是本发明的信标节点发送的数据包格式；
图4是本发明的训练节点向地面监控中心发送的数据包格式；
图5是本发明的移动节点向地面监控中心发送的数据包格式；
图6是本发明的定位方法中定位阶段的巷道俯视示意图7是本发明的训练节点的电路框图8是本发明的移动节点和信标节点相同的电路框图9是本发明的网关节点的电路框图。
具体实施方式
为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本发明的一种井下人员定位系统及方法进行进一步的详细说明。
本发明的井下人员定位系统及方法，是一种基于无线传感器网络的井下人员定位系统及方法，主要针对在井下人员定位方面现有技术在定位精度、成本限制等方面的不足， 提出一种采用模式匹配方法的高精度定位方法，和一种结合该方法构成的基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)井下人员定位系统。定位方法的实现分为两个阶段一是训练阶段，使用已知自身位置坐标的训练节点与信标节点配合，生成包括自身位置坐标和所在区块编号、信标节点编号和信号强度的模式数据存储在地面监控中心的数据库；二是定位阶段，由置于井下人员安全帽上的移动节点接收信标节点的信号，经过简单处理后形成包含所在区块编号、信标节点编号和信号强度的模式数据，经过网关节点和传输基站发送到地面监控中心，地面监控中心将这种模式数据与数据库中在训练阶段生成的模式数据进行匹配计算，找出与移动节点所生成的模式数据最接近的数据库中的模式数据， 进而得到移动节点的精确位置。该方法区别于目前常用的基于电子识别卡和读卡器的只能确定移动节点在读卡器能感知的区域内的定位方式，采用模式匹配的方法，得到移动节点具体的位置坐标，大大提高了系统的定位精度。
下面详细说明本发明的井下人员定位系统及方法。
图1是本发明的井下人员定位系统的组成框图。
如图1所示，本发明的一种井下人员定位系统，包括地面监控中心1、传输基站2、 光纤3、总线4、网关节点5、信标节点6、训练节点7和移动节点8。训练节点和移动节点在系统的网络结构中所处的位置是一样的，但在系统中是先后出现，不是同时出现。
地面监控中心可以是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络。它拥有一个大型的数据库，可以使用Microsoft SQL krver作为管理系统， 用于存储训练阶段由训练节点生成的定位模式数据。在定位阶段，地面控制中心负责将移动节点7通过网关节点5和传输基站2发送过来的模式数据与数据库中的模式数据进行匹配计算，找出与其最接近的一种模式数据，进而得到移动节点的精确坐标。
模式匹配计算的具体算法如下
训练节点7发送到地面监控中心的模式数据用(1)表示，其中A为所属区块的编号，X
K[A,X<i1,r1, i2,r2,…，in，rn>，L] (1)里包含该区块内信标节点的编号in和对应的信号强度rn，η表示预先设定的每个区块中信标节点的个数，L为该模式对应的坐标。
移动节点8发送到地面监控中心的模式数据用(2)表示，其中，B为移动节点自身的编号，
M[B，DJGnP1, i2，p2，…，in, pn>] 为所属的区块编号，Y里包含的内容同上面叙述中的X。模式匹配计算时，先根据移动节点7发来的模式数据中的区块编号，找到数据库中相应区块编号对应的模式数据，然后进行匹配计算，匹配计算如( 所示，最终选择最小的N，取其对应模式数据中的坐标，作为移动节点的坐标。
N = ^jJj-J-Pjf(3)
图2是本发明的定位算法中训练阶段巷道的俯视示意图。
如图2所示，本系统中使用每个区块4个信标节点为例进行阐述，实际应用中可以根据精度的需求灵活选择每个区块中信标节点的个数，当然，不同的信标节点的个数对应的模式中信标节点数据量不同。图中9为信标节点，10为训练节点，每个信标节点都有自己的编号，训练节点已知自身所在位置的坐标，接收该区块内四个信标节点的定位信号，信标节点的定位信号中包含其所在区块的编号，自身的编号，其数据包的格式如图3所示。训练节点收到信标节点的信号后，测得其到达时的信号强度，然后将所在区块的编号、四个信
权利要求
1.一种井下人员定位系统，其特征在于，包括地面监控中心，传输基站，光纤，网关节点，总线，信标节点，训练节点和移动节点；所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络；地面监控中心存储定位模式数据，并从传输基站接收从井下发来的定位信息，处理定位信息；所述传输基站是本质安全型交换机，汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心；所述网关节点接收移动节点发送的定位信息，通过总线传送到传输基站； 所述信标节点在巷道内按区块布设，每个区块内信标节点数量相同，每个信标节点具有一个所在区块编号和一个在本区块内独有的自身编号；信标节点向移动节点发射定位信息，定位信息包括信标节点所在区块编号和自身编号；所述每个训练节点具有键盘，输入在巷道内自身位置坐标，从信标节点接收定位信息， 生成包括自身位置坐标、所在区块编号、信标节点编号和信号强度的模式数据，并上传至地面监控中心，存储在数据库中，作为所述定位模式数据；所述每个移动节点具有一个独有的编号，与井下人员的身份对应；移动节点置于井下人员的安全帽上，使用矿灯电瓶作辅助电源；移动节点周期性地向信标节点发射定位请求信号，并对接收到信标节点的定位信息进行处理，生成包括所在区块编号、信标节点编号和信号强度的模式数据，并上传至地面监控中心，与所述定位模式数据进行匹配计算，实现定位；所述井下人员定位系统中涉及的井下设备，包括传输基站、网关节点、总线、信标节点、 训练节点和移动节点是本质安全型设备。
2.根据权利要求1所述井下人员定位系统，其特征在于，所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线；所述网关节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源及总线模块； 所述信标节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源，信标节点在巷道内按区块布设；所述训练节点包括处理器、存储器、无线收发器、键盘、显示器、电源； 和移动节点包括处理器、存储器、无线接收发器、传感器、电源。
3.根据权利要求2所述井下人员定位系统，其特征在于，网关节点、信标节点和移动节点中的传感器、无线收发器，训练节点的无线收发器、键盘和显示器以及网关节点中的总线模块与各节点中的处理器和存储器单元相连；各节点中的无线收发器接收和发送无线电磁波；网关节点、信标节点和移动节点中的传感器感知周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息； 各节点中的处理器和存储器单元存储接收的数据，并处理控制其它单元的运行；训练节点的键盘键输入训练节点所在的位置坐标，显示器显示该坐标；网关节点中的总线模块与总线相连；各节点中的电源提供电能。
4.一种井下人员定位方法，其实现过程包括两个阶段训练阶段和定位阶段； 所述训练阶段中，训练节点与信标节点配合，生成包括自身位置坐标、所在区块编号及信标节点编号和信号强度的模式数据，并上传该模式数据到地面监控中心，在数据库中存储；所述定位阶段中，移动节点与信标节点配合，生成包括所在区块编号、信标节点编号和信号强度的模式数据，并上传该模式数据至地面监控中心，与训练阶段生成的模式数据进行匹配计算，实现对移动节点的定位。
5.一种井下人员定位方法，其特征在于，包括下列步骤步骤A，根据井下的巷道结构和工作环境，布设并配置信标节点，网关节点，传输基站， 以及总线；步骤B，使用训练节点与信标节点配合，生成定位模式数据，并传输到地面监控中心，存储于数据库中；步骤C，在井下人员的安全帽上安装移动节点，移动节点周期性地向信标节点发送定位请求信号；步骤D，信标节点收到移动节点发射的定位请求信号后，向移动节点发射定位信号； 步骤E，移动节点接收信标节点发射的定位信号，向信标节点发送确认收到信号并记录接收到的定位信号中的区块编号、信标节点自身编号及信号强度，确定自己所在的区块，按照预先设定的格式将所在区块编号、信标节点的编号和信号强度，以及移动节点自身的编号发送到临近的网关节点；步骤F，网关节点接收移动节点发送过来的数据包，通过总线、传输基站、光纤把数据发送到地面监控中心；步骤G，地面监控中心接收到数据包后，对照数据库中在步骤B生成的定位模式数据， 进行模式匹配定位。
6.根据权利要求5所述井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤A包括以下具体步骤步骤Al，根据需要的定位精度，在井下巷道分区块布设信标节点，每个区块内的信标节点数量相同；步骤A2，根据移动节点发射信号的覆盖半径，在井下巷道布设与总线连接的网关节占.步骤A3，完成布设任务后，按所分的区块为区块内的每个信标节点编号，编号包括所在区块编号和信标节点的自身编号。
7.根据权利要求5所述井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤B包括以下具体步骤步骤Bi，根据需要的定位精度选择井下指定的定位点，根据井下巷道的具体构型，确定每个定位点的坐标；步骤B2，训练节点在步骤Bl中的每个指定的定位点，键盘输入所在位置坐标，接收该点所在区块内信标节点的定位信号；步骤B3，训练节点将收到的信标节点的编号、所在区块编号、信号强度以及训练节点自身的位置坐标，按照预先设定的格式打成数据包发送至网关节点，网关节点通过总线将数据包发送至传输基站，传输基站通过光纤将数据包发送至地面监控中心，地面监控中心将收到的数据包作为所述定位模式数据，该定位模式数据表示为K[A，XGnri, i2,r2,…，in， rn>，L]，其中A为所在区块编号，X里包含该区块内信标节点的编号in和对应的信号强度 rn，η表示预先设定的每个区块中信标节点的个数，η的值可以根据实际定位精度的需要设定，L为该定位模式数据所对应的训练节点的位置坐标。
8.根据权利要求5所述井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤C包括以下操作 在移动节点向信标节点发送定位请求信号后，如果一段时间过后没有收到或者没有收到预定数量的信标节点的信号，则重新发送定位请求信号，如果重发预定次数都没有收到或者没有收到预定数量的信标节点的信号，则向网关节点发送报错信息，告知地面监控中心信标节点可能损坏或者电量已耗尽。
9.根据权利要求7所述井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤E包括以下具体步骤步骤E1，移动节点接收信标节点发射的定位信号，记录接收到的所有信标节点的自身编号、区块编号及信号强度；步骤E2，按照信标节点的信号强度从高到低进行排序，选出最先排出的属于同一区块的所有的信标节点，确定移动节点所在的区块编号为这些信标节点所在区块的编号，并抛弃其它信标节点的信号；步骤E3，将步骤E2确定的区块编号、确定的信标节点的编号和对应的信号强度，以及移动节点自身的编号，按照预先设定的格式打成数据包发送至邻近的网关节点，数据包中的模式为M[B, D，Y<ii; Pl, i2，p2,…，in，pn>]，其中，B为移动节点自身的编号，D为所在的区块编号，Y里包含该区块内信标节点的编号in和对应的信号强度Pn，n表示预先设定的每个区块中信标节点的个数，其值与步骤Β3中的所述的η的值相同。
10.根据权利要求9所述井下人员定位方法，其特征在于，所述步骤G中，地面监控中心将接收到的移动节点数据包中的定位模式数据与数据库中的所述定位模式数据进行匹配计算包括以下操作地面监控中心接收到步骤F所述数据包后，将其与所述步骤B中生成的所述定位模式数据进行匹配，首先根据数据包中的区块的编号确定移动节点所在的区块，再根据数据包中信标节点编号和信号强度找出数据库中与移动节点发送过来的数据包中的模式最接近的模式，模式匹配计算式为N =在:.=l(r厂巧)2，其中，η为训练阶段生成的模式数据中信标节点的信号强度，Pj为定位阶段移动节点上传至地面监控中心的模式数据中信标节点的信号强度，η表示预先设定的每个区块中信标节点的个数，选择最小的N，取其对应模式数据中的坐标，定为移动节点所在的坐标位置。
全文摘要
本发明公开了一种用于煤矿井下的人员定位系统及方法。本系统包括设在井上的地面监控中心，设在井下的传输基站，多个网关节点，光纤，总线，多个无线信标节点，多个移动节点，其中应用于井下的设备均是本质安全型的。本方法是一种基于模式匹配的定位方法，根据巷道的结构和信标节点的信号覆盖范围将巷道划分为不同的区块，各区块内按照相同的方式布设信标节点，在训练阶段，通过训练节点在地面监控中心生成定位模式数据库，在定位阶段，移动节点根据接收的信标节点的定位信号，向地面监控中心发送定位模式，与数据库内训练节点生成的模式进行匹配，找到最接近的模式，实现精确定位。本发明的井下人员定位系统及方法定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。
文档编号E21F17/18GK102523621SQ20121000642
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者孙继平, 李宗伟 申请人:中国矿业大学(北京)