一种矿山环境下基于RFID的数据采集及设备定位方法与流程

本发明属于数据采集及设备定位领域，具体涉及一种矿山环境下的环境数据参数的实时信息采集以及对设备的定位方法。

背景技术：

射频识别(radiofrequencyidentification,rfid)技术和无线传感器网络(wirelesssensornetworks，wsn)技术是物联网的两大关键技术。rfid技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。rfid系统主要由阅读器，rfid标签和上位系统组成。由于供电方式的不同，rfid标签可以分为有源标签和无源标签(参考文件[1])。有源标签自身携带电池，可以向阅读器主动发起通信进行信息传输。而无源标签没有内置电池，只能由阅读器通过发射信号将其激活后才能建立通信。传感器网络由大量的传感节点组成，使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)，能够实现数据的采集量化、处理融合和传输(参考文件[2])。

有源rfid标签由于功耗问题续航一直捉襟见肘，而无源rfid的传输距离太短。后来出现的半有源rfid技术融合了无源rfid和有源rfid技术的优点，既延长了传输距离，也解决了由于功耗带来的电池续航问题。以往针对rfid技术的使用环境大多数在物流，仓库，写字楼等较空旷、地理位置不会对通信质量产生干扰或者是干扰较小的环境。但是，目前此类技术在矿山环境下的应用仍然是少之又少。矿山环境错综复杂，地理结构对无线通信造成了极大的影响，使用无线传感器网络(参考文件[3])用以实时监测矿山井下环境变化并且在此环境下对人员和机器设备的定位也是相当困难，因此也限制了rfid技术在矿山环境下的应用。在矿山环境下地理环境因素对通信的质量会产生相当大的影响，狭窄弯曲的巷道，复杂的作业环境都是对通信质量的层层考验。如果要推动rfid技术和无线传感器在矿山环境下的应用，需要解决在矿山环境下如何建立更稳定有效的rfid技术与wsn(无线传感器网络)(参考文件[4])相结合的数据联合存储与转发方法。而为监测设备的运行情况，需要对矿井内的环境质量进行实时监控以及分析，对设备进行实时定位，以便及时发现故障设备并予以处理。

一般情况下，针对环境和设备进行定位时使用不同的定位方式或者分别将他们的位置信息上传进行处理，当有设备出现故障时，要对其进行定位，然后提取设备对应位置的环境参数进行分析来确定设备故障是否和环境变化有关。然而组建传感器网络需要大量的传感器节点和rfid标签，通信效果受限于矿山环境下的无线通信质量，使用大量阅读器处理标签则对通信质量提出了较高的要求(参考文件[5])；并且设备产生故障是否与环境相关不能被及时发现，不利于工作人员对其进行监控分析。

参考文件如下：

[1]王志伟,闫秀霞,孙宝连.rfid技术应用研究综述及研究趋势展望[j].物流技术,2014,(09):1-5+10.

[2]俞磊,陆阳,邱述威,岳峰.融合rfid和wsn的药品流通物联网模型[j].电子测量与仪器学报,2013,27(07):624-632.

[3]w.xu,y.li,s.guo,r.wuandl.wang,"researchonintelligentproductionsystemofsemiconductorpackagebasedonrfidandsensortechnology,"2017internationalconferenceonindustrialinformatics-computingtechnology,intelligenttechnology,industrialinformationintegration(iciicii),wuhan,china,2017,pp.41-46.

[4]miodragbolic；davidsimplot-ryl；ivanstojmenovic,"principlesandtechniquesofrfidpositioning,"inrfidsystems:researchtrendsandchallenges,1,wileytelecom,2010,pp.576.

[5]李军怀,孙转宜,王一乐,王锋.基于虚拟参考标签的rfid定位系统构建方法[j].计算机科学,2011,38(04):107-110.

技术实现要素：

本发明针对于矿山复杂的环境、在井下定位困难，目前rfid技术应用受限的状况，提供了一种矿山环境下基于rfid的数据采集及设备定位方法，利用rfid技术与wsn技术进行数据联合存储与转发，以应用于矿山这样恶劣的通信环境。

本发明提供的一种矿山环境下基于rfid的数据采集及设备定位方法，在井下设置点布置无线传感器节点：一部分传感器用于收集井下空气的温度、湿度、粉尘浓度及氧气浓度，一部分传感器用于收集井下设备运行状态，震动传感器用来监测井下是否发生塌方；所有的传感器形成无线传感器网络，在无线传感器网络中设置rfid读写器作为汇聚节点；在设备上贴附rfid标签；所述的rfid读写器根据所实现的功能分为a、b两类。a类读写器用于收集传感器检测到的数据，对待定位标签进行定位，并将收集的传感器数据和计算的标签位置信息写入rfid标签内的数据域中；b类读写器用于和rfid标签建立握手连接，接收rfid标签发送的传感器数据和标签位置信息，将汇聚到的数据上传至后台系统。

本发明所实现的数据采集及设备定位方法，实现步骤包括：

步骤1，将矿山环境的空间坐标映射为平面坐标；

步骤2，利用a类rfid读写器对待定位标签和参考标签的信号强度对比，结合已知的参考标签的位置坐标，对待定位标签进行定位；

步骤3，使用a类rfid读写器收集传感器检测到的环境数据，a类rfid读写器将收集的环境数据和位置信息写入rfid标签内的数据域中；使用b类rfid读写器和rfid标签建立握手连接，rfid标签将数据域内存储的环境数据和位置信息一并转发至b类rfid读写器，b类rfid读写器将汇聚到的数据上传至后台系统。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

(1)在矿山环境下，将rfid技术与wsn技术相融合，本发明提高了数据采集的稳定性和可靠性。

(2)本发明有着更高的定位精度，基于rfid技术和wsn技术相融合，可将定位精度精确至1-2米。

(3)本发明提出了基于rfid和wsn的数据联合存储与转发的新方法，在矿山这样恶劣的通信环境下，能实现不错的数据采集及设备定位效果。

附图说明

图1是本发明应用的矿山场景示意图；

图2是本发明所用设备的数据流向示意图；

图3是本发明矿山场景空间坐标映射示意图；

图4是本发明的数据联合存储与转发流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明提出一种矿山环境下的基于rfid的传感器实时数据采集及设备定位方法，目的是在矿山环境下实时监测井下的设备状态、位置以及环境等参数。如图1所示，为本发明研究的一个矿山应用场景示意图。应用场景为矿山采矿环境，散布在矿山环境下的各个监测点通过传感器来检测环境中的温度、湿度、粉尘浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度等参数，并且加入震动传感器监测矿山环境的震动情况。rfid标签实现设备定位，小功率读写器收集识别范围内的传感器节点的数据，然后将数据与设备位置信息一并写入rfid标签的数据域中，实现数据采集与rfid定位的联合存储，最后再转发至大功率汇聚节点，由大功率读写器来收集rfid标签数据进而将数据传输到后台数据中心进行分析，来实现目标的定位以及监测设备故障。

如图2为数据流向示意图，分布在矿山环境下的大量的无线传感器节点组成矿山无线传感器网络，一部分传感器负责用来收集矿山环境下的空气指标：空气中的温度，湿度，一氧化碳浓度，甲烷浓度，氧气浓度以及震动情况，震动传感器用来监测井下是否发生塌方。另一部分传感器负责收集矿井下的设备运行状态信息。

本发明在矿山环境下所实现的标签定位系统，基于无线传感器网络，其中设置两种rfid读写器作为汇聚节点；a类读写器功率小，b类读写器功率大。

以小功率rfid读写器作为无线传感器网的汇聚节点，收集传感器检测到的数据，之后将采集到的环境数据写入rfid标签内的数据域中。rfid标签贴附在矿山设备上，利用rfid技术实现定位。定位过程中引入参考标签，参考标签位置已知，结合参考标签的位置以及读写器对参考标签和待定位标签的信号强度对比综合判断待定位标签位置，同时针对矿山环境对定位坐标造成的影响进行修正。利用空间坐标映射将设备位置信息一并写入rfid标签数据域，实现rfid定位与数据采集的联合存储。

本发明方法中，小功率rfid读写器用于与识别范围之内的标签进行信息交换以及搜集识别范围之内的传感器信息，且与标签相结合实现标签定位，相比较而言识别范围较小，且和标签距离较近，有利于定位的精确性，工作电压9v，工作电流350ma输出功率为0-30dbm(软件可调)，作用范围为0-5m。小功率rfid读写器布置在无线传感网络内部用于搜集传感器数据，布置位置距离传感器设备不应大于5米。

使用大功率的rfid读写器作为大功率汇聚节点，不采集传感器数据，只和rfid标签建立握手连接，标签将数据域内存储的环境数据和位置信息一并转发至大功率汇聚节点，大功率汇聚节点将汇聚到的数据上传至后台系统进行分析处理。工作人员能够及时观测到设备的运行状态以便提前排除故障隐患，并且能在设备发生故障后快速做出反应，本发明方法不仅可以得到其确切的位置，而且可以在第一时间得到设备周围的环境参数，来分析是否是因为环境对设备造成了影响。

本发明方法中，大功率rfid读写器读取标签信息后要将信息传输至骨干网进行数据分析处理，作用范围较大，工作电压9v，极限可达12.6v，工作电流0.5a，最大1.2a输出功率为0-30dbm(软件可调)，作用范围为0-15m。大功率rfid读写器要接入骨干网用于数据处理，所以将其布置在尽可能识别更多rfid标签的位置即可。

本发明实现的矿山环境下基于rfid的数据采集及设备定位方法，主要包括三个步骤，下面说明各个实现步骤。

步骤1，矿山环境的空间坐标映射。

利用坐标映射的方法将rfid标签所在地理位置转变成二维坐标系中的坐标，这有利于rfid标签地理位置的表示和简化rfid标签数据的写入过程。具体地，如图3所示，以矿山环境的俯视图平面为底，以x轴为横向坐标轴，以y轴为纵向坐标轴，建立二维直角坐标系。在坐标轴上设置合理的坐标划分，利用网格将平面划分为若干个网格，这样每个矿山设备以及无线传感器网络中的传感器节点都被划分到所属的网格中，且每个设备及节点都对应一个唯一的二维坐标。某个设备s的位置l(s)可用一个坐标来表示，如下：

l(s)＝(x,y)(1)

x,y分别为该设备s在x轴和y轴上对应的坐标。利用此方法实现矿山环境地理位置的坐标映射。

步骤2，rfid标签定位。引入参考标签，参考标签位置坐标已知，利用a类rfid读写器对待定位标签和参考标签的信号强度对比实现定位。

在标签定位系统测量范围内，设有n个a类rfid读写器，m个参考标签，u个待定位标签，a类rfid读写器每30s检测一次。n,m,u均为正整数。

对某一个待定位标签，定义n个a类rfid读写器监测到该标签的信号强度为s：

s＝(s1,s2，…，sn)；j∈[1,n](2)

sj表示第j个a类rfid读写器监测到的待定位标签的信号强度。

设qij为第j个a类rfid读写器监测到的第i个参考标签的信号强度，i∈[1,m]，j∈[1,n]。对于每一个独立的待定位标签，定义：

其中，βi为待定位标签与第i个参考标签之间的信号强度关系。

设第i个参考标签的位置坐标为(xi,yi)，则待定位标签的坐标可计算出，如下：

其中，定义为第i个参考标签的分配权重；λ为矿山环境下的修正参数，θ为损耗因子，针对矿山环境对无线通信产生干扰引起定位准确度下降进行补偿。

步骤3，rfid标签数据域的写入与转发。

步骤3.1，设计rfid标签数据的写入格式。

a类rfid读写器将传感器采集到的数据写入rfid标签中，发送数据格式为：命令头+长度字+数据域+校验字。

命令头：0xaa或者0xbb，若后续数据中包含0xaa则随后补充一字节0x00用以区分命令头，但长度不增加；0x表示16进制。

长度字：指明从长度字到数据域中最后一字节的字节数，使用十六进制表示；

数据域：此存储区域用于存储具体的环境参数以及设备位置信息；

校验字：从长度字到数据域最后一字节的逐字节异或值。

数据写入格式示例如下：

其中aa后的00为通讯时补充用以区分命令头，长度字不加1，写入真实数据不包含00。

步骤3.2，数据域的写入方式及发送流程，如图4所示，实现数据的联合存储与转发。

数据域的写入过程中，将写入的数据表示成为一个元组：(sensordata,location,time-register)。其中，sensordata为收集到的传感器数据，其内部存储格式为：(sensor1:data1；sensor2:data2；……)，sensor1,sensor2等表示传感器的种类，data1,data2等表示相对应的传感器数据；location为设备的位置坐标，存储方式为(x,y)；time-register为a类rfid读写器将此条元组写入标签数据域的时间，写入格式为年月日/时分秒：year-month-date/hour:minute:second。设置数据写入的时间间隔为30s。

a类rfid读写器收集环境数据之后，要对环境数据进行冗余信息处理，并且按照发送格式发送数据至rfid标签。a类rfid读写器在数据写入过程中若是不同的读写器产生写入冲突，则分两种情况处理：第一，若是多个读写器同时写入造成冲突，则比较不同读写器与待写入标签的距离，优先选择距离标签最近的读写器完成数据存储；第二，若是在读写器申请写入数据时有另一读写器正在对标签进行数据写入，则将发送数据请求挂起，等待标签完成本次输入及数据转发过程后再进行下一轮的数据写入。

rfid标签位置信息一并写入rfid数据域中，实现数据采集和rfid标签定位的联合存储。a类rfid读写器完成数据的写入之后继而进行下一轮的数据收集和对rfid标签重新进行定位，rfid标签将数据打包发送至大功率汇聚节点，随即a类rfid读写器将进行下一轮的数据写入，进而覆盖前一阶段rfid标签数据域内存储的环境数据和位置信息，进行下一轮的传输。

本发明将收集传感器数据的a类rfid读写器和读取rfid标签的b类rfid读写器进行分类，使用不同功率的读写器以及使用不同的组网方式，将大量的无线传感器节点进行分块，并将收集到的传感器数据写入rfid标签的数据域中，数据的整合可以让后台数据处理系统直接处理rfid标签里的数据就可以得到所有的环境参数和设备状态以及对设备的定位，若是设备发生故障，可立即得知设备周围的环境参数从而判断设备故障是否和周围环境有关；传感器数据的收集过程和rfid数据的上传过程分开进行，减少了因为通信网络故障从而导致数据传输失败的概率，而且可以根据不同的使用环境使用不同功率的b类rfid读写器，达到节省能耗的目的。