CN102781092A

CN102781092A - 一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法

Info

Publication number: CN102781092A
Application number: CN2012102970412A
Authority: CN
Inventors: 孙继平; 陈炜
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明公开了一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法，其特点在于：通过在巷道单侧壁上等距离部署锚节点，利用锚节点的间距划分区块，先对目标节点进行区块本地的矢量定位，再结合锚节点ID转换为巷道的全局坐标。本发明满足了煤矿井下非GPS定位的限制条件，提高了定位的精度和便捷性，原理简单容易实现，极大地减少了定位所需的设备成本。

Description

一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其涉及一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法，属于无线网络通信技术领域。

背景技术

我国煤矿开采方式主要以井工开采为主，我国煤矿井下环境具有多变性、特殊性、事故隐患频发的特征。煤矿的安全问题关系到井下工人的安全和社会的稳定，而无线传感器网络以其自组织、结构灵活、以数据为中心的特点越来越广地应用于煤矿井下安全监测领域。位置信息对无线传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测信息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测信息往往没有意义。因此，确定事件发生的位置或获取信息的节点位置对无线传感器网络应用的有效性起着关键的作用。

煤矿井下巷道狭长，宽度仅几米而长度为几公里甚至十几公里，其近似线性的环境特征决定了二维甚至一维的定位就可以满足需求。目前普遍采用的方法是在巷道两侧壁上平行或交错部署节点，基于随距离增加而减小的RSSI值接收信号强度指示来进行定位估算，然而RSSI值受环境因素影响较大，煤矿井下密闭复杂，障碍物众多，信号衰减波动较大，使得精确定位成为难题。且这种定位只能大概确定目标节点所处的区间，无法给出更详细的坐标信息。

本发明提出一种在煤矿井下实现精确定位的方法，通过在巷道单侧壁上等距部署锚节点，利用锚节点的间距划分区块，先对目标节点进行区块本地的矢量定位，再结合锚节点ID转换为巷道的全局坐标。这种方法不但能给出目标节点精确的ID信息，而且极大地减少了节点部署的工作量，为监测工作节约了成本提高了效率。

发明内容

本发明涉及一种定位方法，尤其涉及一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法，这种方法不但能给出目标节点精确的ID信息，而且极大地减少了节点部署的工作量，为监测工作节约了成本提高了效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

1.一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法，包括以下步骤：

第1步：将源节点布置在平直巷道的尽头或带拐角巷道的直角处靠外边缘一侧，各锚节点按一维等间距同样部署于巷道外边缘一侧，锚节点与源节点的间距、相邻锚节点的间距均为S，S与锚节点通信半径R的关系满足R≤S＜2R，目标节点的通信半径r满足S/2＜r＜R；

第2步：以源节点建立坐标系为每个锚节点分配节点ID，则以相邻锚节点间距为单位将巷道划分为区块{X1，X2，...，Xi，Xj，...，Xn}，进入某个区块Xi内的目标节点k可由该区块的本地锚节点i配合其下一跳锚节点j计算得出，锚节点j既是区块Xi中i的一跳邻居又是下一区块Xj的本地锚节点；

第3步：目标节点监听周围锚节点信号，根据收到的两个锚节点的信号确定自身位置所处的区块；

第4步：以本地锚节点i为目标节点k所处区块Xi内的基准点(0，0)，构成矢量三角形(i，j，k)，形成通式

以确定目标节点k的本地坐标信息，其中

\{\begin{matrix} i_{x} = 0, i_{y} = 0 \\ j_{x} = d_{ij} = S, i_{y} = 0 \\ k_{x} = d_{ik} \cos α, k_{y} = d_{ik} \sin α \end{matrix}

d_ik为锚节点i可测的到k的一跳邻居距离，夹角∠(k，i，j)为矢量的倾角

夹角∠(k，j，i)＝π-β，同理得出d_jk是以j为基准的区块Xj中可测的锚节点j到目标节点k的距离，β是基于Xj区块的矢量

的倾角；

第5步：确定本地位置的目标节点k向监听到的两个锚节点i、j发送数据包，由距源节点较近的锚节点i结合自身ID处理k的坐标信息，将以锚节点为基准的本地坐标转换成以源节点为基准的全局坐标并逐跳前传至源节点；

第6步：源节点汇聚检测到的目标节点信息上传至数据库。

2.定位方法的特征在于，所述源节点既是锚节点又是汇聚节点，连接无线传感器网络和上层有线骨干网；

所述锚节点可以检测到它所有一跳邻居节点的信息，测量其到一跳邻居之间的距离，并能把此节点和距离信息转发给所有的一跳邻居；

所述目标节点可为移动节点或固定节点。

本发明满足了煤矿井下非GPS定位的限制条件，提高了定位的精度和便捷性，原理简单容易实现，极大地减少了定位所需的设备成本。

附图说明

图1为本发明节点本地部署示意图；

图2为本发明节点在平直巷道及拐角处的整体部署示意图；

图3为本发明拐角两侧坐标变换示意图。

图中1-源节点，2-锚节点，3-目标节点，4-巷道。

具体实施方式

一种基于煤矿井下无线传感器网络的定位方法，其特点在于：通过在巷道单侧壁上等距离部署锚节点，利用锚节点的间距划分区块，先对目标节点进行区块本地的矢量定位，再结合锚节点ID转换为巷道的全局坐标。本地矢量定位中的测距可采用弱电的光电传感器、红外传感器或激光测距传感器，这些都是井下已经成熟的测距技术，容易实现。

本发明结合图1有如下步骤：

第4步：以本地锚节点i为目标节点k所处区块Xi内的基准点(0，0)，构成矢量三角形(i，j，k)，形成通式以确定目标节点k的本地坐标信息，其中

\{\begin{matrix} i_{x} = 0, i_{y} = 0 \\ j_{x} = d_{ij} = S, i_{y} = 0 \\ k_{x} = d_{ik} \cos α, k_{y} = d_{ik} \sin α \end{matrix},

d_ik为锚节点i可测的到k的一跳邻居距离，夹角∠(k，i，j)为矢量

的倾角

夹角∠(k，j，i)＝π-β，同理得出d_jk是以j为基准的区块Xj中可测的锚节点j到目标节点k的距离，β是基于Xj区块的矢量的倾角；

第6步：源节点汇聚检测到的目标节点信息上传至数据库。

图2对本发明进行了进一步说明，对于平直巷道，源节点部署在巷道的尽头外边缘一侧；对于带拐角的巷道，源节点部署在直角拐弯处，以保证节点部署的单侧性及锚节点传播半径的无盲区覆盖。带拐角的巷道向纵横两个维度延伸，因此在源节点涉及本地坐标的变换，以使其定位保证一致性。以源节点为全局坐标的起点，横向的锚节点依次分配节点ID{(p₁，0)，(p₂，0)，...，(p_n，0)}，区块编号{X1，X2，...，Xn}；纵向的锚节点依次分配节点ID{(0，q₁)，(0，q₂)，...，(0，q_n)}，区块编号{Y1，Y2，...，Yn}。每个区块内分别对可测得的目标节点进行本地坐标的定位，由本区块的基准锚节点向前一级锚节点传送。以源节点默认接收横向传送的锚节点坐标为例，则纵向传送的坐标可进行逆时针方向的直角变换，即进行(x，y)到(y，-x)的坐标变换，达到与横向传送坐标的一致性，如图3所示。

本发明的目的、优点和特点，由上述优选实施例的非限制性说明进行解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims

以确定目标节点k的本地坐标信息，其中

\{\begin{matrix} i_{x} = 0, i_{y} = 0 \\ j_{x} = d_{ij} = S, i_{y} = 0 \\ k_{x} = d_{ik} \cos α, k_{y} = d_{ik} \sin α \end{matrix},

的倾角；

第6步：源节点汇聚检测到的目标节点信息上传至数据库。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述源节点既是锚节点又是汇聚节点，连接无线传感器网络和上层有线骨干网；

所述目标节点可为移动节点或固定节点。