CN101035042A - 一种基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统，包括监控计算机、无线传感器网络和无线终端，无线传感器网络包括网关和无线节点，网关和无线节点之间为无线连接；无线终端包括移动用户终端和数据采集终端，移动用户终端和数据采集终端处于无线传感器网络的信号覆盖范围内；监控计算机与无线传感器网络中的网关有线连接。本发明可广泛应用于国防和民用领域的区域定位和现场数据采集，无线化设计也提高了系统自身的可靠性和安全性。有效提高了对现场进度和环境的监控，能够降低事故发生率，这对于社会财产和人身的安全保障具有重要的社会和经济效益。
Description
一、技术领域
本发明属区域定位和远程无线数据采集领域，尤其涉及一种利用无线传感器网络进行区域定位、现场数据采集与远程信息感知的系统。
二、背景技术
随着当今科学技术的进步，常用的定位技术，如全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)等，在国防和民用领域均发挥着愈来愈重要的作用。然而对于某些特定的应用环境，如矿井、隧道、办公室、医院、工地和厂房内部等场所，GPS卫星信号受干扰或者完全被屏蔽，定位效能大大降低甚至根本无法工作。惯性导航系统虽然能够进行自主导航定位，但受限于算法原理，定位误差随时间发散，难以符合区域长时间定位的性能要求。
目前对于特定环境下的区域定位，例如以煤矿井下人员定位为例，一般采用身份识别器(Radio Frequency Identification，RFID)和有线局域网络定位两种方式。前者通过矿工携带唯一编码的身份识别器，与井下固定位置的读卡器建立握手或问答机制，从而将人员定位到读卡器附近。这种定位方式存在以下不足：首先无法实现人员全程的连续定位，仅能离散地在建立问答机制后定位到设置读卡器的地理位置；其次定位精度较低，定位精度取决于读卡器设置的距离。限于成本和系统结构等方面的考虑，设置读卡器的数量有限，因而采用RFID的定位方式通常仅能提供几十米量级的定位精度。基于有线局域网定位的方式则是预先在井下布置有线连接的网络节点(即网关)，工作人员通过携带的移动节点，与网络节点进行无线连接，并通过信号强度检测和几何定位原理确定人员的位置。该种定位方式能够实现人员连续且相对精确的定位，因而成为目前研究应用的主流方案之一，并且已有相关专利申请公开。然而这种依靠有线电缆连接的网络，存在组网困难，系统灵活性和可移植性差等缺陷，对于小型，短期和相对流动性较大的应用尤为不便。同时有线网络对自身线缆保护及维护要求很高，一旦线路漏电产生电火花，反而易导致矿井瓦斯爆炸等事故，因而存在一定的安全隐患。并且这种有线局域网定位方式只具有单一的定位功能，不能提供现场的有关信息，不利于进行主动地监控。
与此同时，近年来国内煤矿矿井爆炸坍塌事件频发，造成了严重的人员伤亡和巨大的财产损失，引起了社会的广泛关注。从技术层面上究其原因，主要是缺乏行之有效的环境安全监测与告警系统。因而目前社会对施工现场的环境监测、数据采集和信息感知等提出了更高的要求，尤其是出于对安全的顾虑。传统的人工检测和记录的方式已无法满足监测效率、成本和数据量等多方面的需求。本发明提出的基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统，可以解决这一现实问题。
三、技术方案
1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种基于无线传感器网络的区域定位系统，其采用无线“透明化”的定位网络，同时，该系统可实现远程对监控现场状况的实时感知。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统包括监控计算机、无线传感器网络和无线终端，无线传感器网络包括网关和无线节点，网关和无线节点之间进行无线连接；无线终端包括移动用户终端和数据采集终端，移动用户终端和数据采集终端处于无线传感器网络的信号覆盖范围内；监控计算机与无线传感器网络中的网关有线连接。
无线传感器网络采用树型、星型、节点型或混合型网络结构，建立网关与所有无线节点的无线数据传输。
监控计算机和管理员组成控制中心，监控计算机有线连接到无线传感器网络中的网关，并负责控制网关和建立与所有无线节点的透明连接。监控计算机完成移动用户终端的定位解算，同时针对数据采集终端发回数据进行统计和分析。管理员根据实时的人员或设备定位和现场监测的结果，通过监控计算机实现对移动用户终端的管理、指挥和调度。
无线传感器网络由网关和大量的无线节点组成。网关利用有线方式接收监控计算机的控制指令，并转发和控制所有无线节点，最后将从移动用户终端、数据采集终端处获得的原始数据发送给监控计算机。
移动用户终端和数据采集终端在地理位置上均处于无线传感器网络的信号覆盖范围内。不同的移动用户终端和数据采集终端均有唯一分配的身份编码，各自相关信息也已预先录入到监控计算机数据库中。移动用户终端定时向周围无线节点发送自身代码，以进行位置解算，同时根据监控计算机传来的指令采取相应的行动。数据采集终端则根据监控计算机的指令，采集现场相应信息，并利用无线传感器网络最终传递回监控中心进行数据的分析和统计。
3、有益效果
本发明可广泛应用于国防和民用领域的区域定位和现场数据采集，尤其是传统定位方法无法涉足的特定区域，如矿井、隧道、办公室、医院、工地和厂房内部等场所。通过基于无线传感器网络的区域定位，可实现现场人员或设备的精确定位，进而提高指挥、调度和监督管理的效能。整套网络的无线化设计，显著改善了布网的灵活性和系统的可移植性，因而对小型或流动性较大的应用环境具有重要的应用价值。无线化设计也提高了系统自身的可靠性和安全性。基于无线网络的现场数据采集和环境信息感知能力，有效提高了对现场进度和环境的监控，能够降低事故发生率，这对于社会财产和人身的安全保障具有重要的社会和经济效益。
四、附图说明
图1是基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统结构图；
图2是本发明系统的工作流程图示意图；
图3是基于无线传感器网络的定位流程图；
图4是基于无线传感器网络的现场数据采集流程图。
五、具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例的基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统包括监控计算机4、无线传感器网络2和无线终端3，无线传感器网络2包括网关6和无线节点7，网关6和无线节点7之间进行无线连接；无线终端3包括移动用户终端8和数据采集终端9，移动用户终端8和数据采集终端9处于无线传感器网络2的信号覆盖范围内；监控计算机4与无线传感器网络2中的网关6有线连接。
无线传感器网络2采用树型、星型、节点型或混合型网络结构，建立网关6与所有无线节点7的无线数据传输。
本实施例是一种基于ZigBee无线传感器网络的矿井人员定位导航和环境安全监控系统，根据应用环境和实际需求的不同也可以选取不同类型的无线传感器网络。其实施过程如下：
首先进行井下巷道的ZigBee无线节点布网。基于ZigBee无线传感器网络属于一种特殊的移动自组织Ad-hoc网络，网络节点能够自动感知其它节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。因此仅需在合理的位置安置ZigBee无线节点，确保ZigBee有效通讯范围内至少存在两个或更多节点即可。随着矿井的深挖或项目的变更，只需对ZigBee无线节点进行扩展或对现有位置进行调整，即可便捷、迅速组建新的网络，因此与传统的有线布网相比，极大地增强了布网的灵活性和系统的可移植性；
布网完成后，需对井下ZigBee无线传感器网络内所有节点和终端进行注册登记。需录入数据库的信息通常包括全部ZigBee无线节点的ID号、位置等，以及无线移动终端和数据采集终端的ID号和基本信息，以便后续定位解算和监督管理。
图3表明了基于无线传感器网络的定位流程图。通常，作为井下移动用户的矿工自身携带内嵌ZigBee无线通讯的终端模块。传感器网络中的ZigBee无线节点不断侦测移动用户终端的信息，一旦建立连接后即可获知移动用户的ID编码及其信号强度，并将矿工编码和信号强度等原始信息通过ZigBee网络发回控制中心监控计算机。监控计算机根据信号强度计算用户到特定ZigBee无线节点的距离，结合预设的ZigBee无线节点的位置以及矿工的历史信息，采用几何定位原理实现矿工的精确定位，并进行定位显示和相应处理。
图4表明基于无线传感器网络的现场数据采集流程图。内嵌ZigBee无线通讯模块和数据采集模块的无线数据采集终端接收传感器网络转发的控制中心指令。一旦要求进行数据采集后，开始采集井下环境指标，如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、空气温度、湿度和矿井巷道内的压差等。数据采集终端ID号和采集的数据通过临近的ZigBee无线节点和无线传感器网络发回控制中心。监控计算机完成矿井现场采集数据的分析和统计，并实时判断各项指标是否正常。一旦指标超常，如瓦斯浓度过高等，立即启动提示和告警功能，以便及时对井下施工过程及环境采取相应的措施，从而确保井下安全。
Claims (2)
1、一种基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统，其特征在于，包括监控计算机(4)、无线传感器网络(2)和无线终端(3)，无线传感器网络(2)包括网关(6)和无线节点(7)，网关(6)和无线节点(7)之间为无线连接；无线终端(3)包括移动用户终端(8)和数据采集终端(9)，移动用户终端(8)和数据采集终端(9)处于无线传感器网络(2)的信号覆盖范围内；监控计算机(4)与无线传感器网络(2)中的网关(6)有线连接。
2、如权利要求1所述的基于无线传感器网络的区域定位与现场感知系统，其特征在于，无线传感器网络(2)采用树型、星型、节点型或混合型网络结构，建立网关(6)与所有无线节点(7)的无线数据传输。
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