CN105676175A - 井下高容灾度的监测定位及人员求助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，包括监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；无线传感器网络包括锚节点设备、目标节点设备。根据矿井实际工作环境，有规则的具有冗余度的布置锚节点设备，通过划分缩小巷道定位区域实现定位，隧道口的锚节点设备通过光纤连接交换机和服务器，所有节点设备之间均通过无线网络交互信息。目标节点设备由人员携带，其中的传感器检测井下温度和甲烷气体含量，及时向井上上传数据，测量值超标时迅速报警；当井下人员遇到紧急事件需要帮助时，通过声音和光信息提醒同事，同时监控终端收到求助信息；是集环境监测、人员定位及求助、调度管理为一体的综合系统。

Description

井下高容灾度的监测定位及人员求助系统

技术领域

本发明涉及一种井下监测及定位技术领域，具体地说是涉及无线传感器网络、无线通信领域。

背景技术

我国是煤炭开采的大国，煤炭是我国的重要能源，也是经济发展的重要保障，我国约70％的能源消耗来自煤炭。由于井下自然环境多变，空间相对狭小，所以煤矿事故频发，极易造成人员的伤亡和财产的巨大损失。对人员位置的掌握成为煤炭安全开采的首要保证，一旦发生事故，地面人员及时动态掌握井下人员的位置，为有效率的抢险救灾提供主要信息。无线传感器网络是具有感知、计算和通信能力的微型传感器以自组织方式形成的无线网络，部署相对灵活，覆盖面广，能有效地提供事件及节点的位置信息，特别适合应用于井下人员的定位。

在煤矿生产中瓦斯爆炸事故造成的破坏是最大的，所以瓦斯含量的监测是安全生产的必要保证，针对我国的开采环境，瓦斯监测主要是对空气中甲烷含量的检测。目前使用的便携式的甲烷检测仪存在以下不足之处：检测到的数据无法及时的上传到监控终端，导致无法获得实时数据；由于井下空间相对狭窄，定位节点的布置受到局限，检测仪无法获得准确的位置信息。

煤矿井下是一个特殊的受限环境，巷道组成长短不一，有的长度可达几十到上百公里，宽度则只有几米，一维或二位的定位就可以满足这种近似线性特征的结构。煤矿井下煤岩动力变化过程存在着复杂的电磁环境，大量的变频设备和大功率机电设备造成严重的电磁干扰，无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。所以复杂的电磁环境对无线通信造成不可避免的干扰。

目前常用的定位方法是基于测距的，如到达角度定位(AOA)，接收信号强度定位法(RSSI)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。目前主要使用RSSI，是接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机之间的距离，其中路径衰落指数是主要的参数，并且与特定的环境相关，由于RSSI指示已经是传感器节点的标准的功能，所以该方法被广泛的使用。但是依上述的井下电磁环境，路径衰落指数变化比较大，如果依靠已经建立的模型计算会造成较大的误差。

非测距的方法是不需要测量节点之间距离的，利用网络的连通性信息来计算节点的位置，可以不受测距误差的影响，并且对通信的要求比较低，降低节点的硬件成本和能耗。井下环境多为隧道组成的线状环境，要求我们能较快的确定人员的全局坐标即可。本发明提出通过在巷道侧壁上等间距的布置锚节点设备，形成定位矩形区域，然后在矩形区内根据RSSI值再次划分区域缩小定位范围，然后由锚节点设备的坐标实现定位，某些锚节点设备因突发事故被破坏或其他因素导致失效后，通过其他锚节点设备的协同合作也可以完成通信和定位，提高系统容灾度。

我国的井下工作人员的在井下的工作时间一般维持在8小时左右，由于技术方面的限制导致自动化程度不高，很多的工作需要手动完成，对人员的体力消耗比较大，加之井下与井上环境迥异，对工作人员的身体，尤其是一些新员工会造成不可避免的影响。目前，井下监测监控系统的设计大部分的功能是实现井上对井下人员、生产、环境等方面信息的采集和控制，而井下人员的求助和对紧急时间的判断无法及时上传，所以本发明加入了人员求助功能，有利于针对井下人员的突发事件做出快速的反应。

发明内容

本发明提供一种煤矿井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，可以实时的检测井下任意位置的甲烷浓度和环境温度；及时的掌握人员的位置信息；如果井下工作人员的身体不适或发现意外情况，能发出报警信息向同事求助，同时告知井上监控终端及时处理。以上功能的实现以定位系统的完整性为基础。

所述系统主要包括：监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；其特征在于：无线传感器网络，包括锚节点设备和目标节点设备；锚节点设备包括：处理器、电源、备用电池、LED灯、防爆外壳；目标节点设备由井下人员携带，包括：处理器、蜂鸣器、电源模块、甲烷含量检测装置、按键、震动马达、温度传感器；隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换机和服务器；锚节点设备等间距的交错布置在巷道的两侧，对面的锚节点设备与另一侧相距最近的锚节点设备的连线垂直与巷道，巷道同侧的锚节点设备之间的距离均为d，通信距离为R，巷道的宽度为h，锚节点设备的布置需要满足以下条件：且目标节点设备比较接收到的不同锚节点设备RSSI值，缩小人员所在范围，锚节点设备作为参考点实现定位；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的相邻健康锚节点设备相互处于对方的通信半径内，维持无线传感器网络的正常接续，满足整个无线传感器网络的通信和定位需求。

所述系统进一步包括：每个巷道以汇聚节点为原点(0，0)建立坐标；在每个矩形区域内确定对角线交点的坐标W(X_W，Y_W)，测量目标节点设备在(X_W，Y_W)位置接收到的四个锚节点设备如A(X_A，Y_A)，B(X_B，Y_B)，C(X_C，Y_C)，D(X_D，Y_D)发射信号的RSSI值，三个RSSI值的算数平均值作为标定值Q；定位时，设目标节点设备检测到的锚节点设备A的RSSI值经高斯滤波为Q_A，计算过程如下：

设接收同一锚节点设备的RSSI值服从N(μ，δ²)高斯分布，其概率密度为：

$f_{\left(RSSI\right)}=\frac{1}{\mathrm{\δ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(RSSI-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}}$

其中 $\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{RSSI}}_k,{\mathrm{\δ}}^2=\frac{1}{n-1}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{RSSI}}_k-\mathrm{\μ})}^2,{\mathrm{RSSI}}_k=\{{\mathrm{RSSI}}_1,{\mathrm{RSSI}}_2,...,{\mathrm{RSSI}}_n\},$ 是时间t内目标节点设备接收到锚节点设备A信号的RSSI值集合，t是经现场测定或人为设定的，区间(μ-δ≤RSSI_k≤μ+δ)是高概率区间，将在此区间的RSSI值进行均值滤波， $\stackrel{\‾}{RSSI}=\frac{1}{n^{\′}}\underset{k=1}{\overset{n^{\′}}{\Σ}}{\mathrm{RSSI}}_k,{\mathrm{RSSI}}_k\∈(\mathrm{\μ}-\mathrm{\δ},\mathrm{\μ}+\mathrm{\δ})$ 得到的值作为Q_A，同理可以计算得到Q_B，Q_C，Q_D，设人员的坐标为(X，Y)。首先矩形中的锚节点设备感知到目标节点设备后，根据最佳矩形内点测试法PIR(perfectpoint-in-rectangle)，判断是否在矩形区域内，如在矩形区域内进行定位。

定位过程如下：

由以下公式计算Q_A，Q_B，Q_C，Q_D与标定值Q的均方偏差：

$D=\frac{{(Q_A-Q)}^2+{(Q_B-Q)}^2+{(Q_C-Q)}^2+{(Q_D-Q)}^2}{4}$

D与区分值F比较，F是经现场测定或人为设定的，若D≤F，则人员的坐标(X，Y)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_W\\ Y=Y_W\end{array}\right.$

若D＞F，对Q_A，Q_B，Q_C，Q_D比较排序，确定最大的两个RSSI值对应的锚节点设备，共分为四种情况，根据目标节点设备所在不同的四个三角形区域，依次对应以下四组公式计算坐标(X，Y)：

第一种状态，Q_A，Q_B值最大，锚节点设备在三角形△ABW区域内：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_A+X_B+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_A+Y_B+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第二种状态，Q_B，Q_C值最大，锚节点设备在三角形ΔBCW区域内；

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_B+X_C+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_B+Y_C+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第三种状态，Q_C，Q_D值最大，锚节点设备在三角形ΔCDW区域内；

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_C+X_D+X_w}{3}\\ Y=\frac{Y_C+Y_D+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第四种状态，Q_A，Q_D值最大，锚节点设备在三角形ΔADW区域内；

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_A+X_D+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_A+Y_D+Y_W}{3}\end{array}\right.$

所述系统进一步包括：无线传感器网络在设备正常情况下，巷道的所有区域同时被4个锚节点设备通信覆盖，提高系统的容灾度和定位精度；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的健康锚节点设备保证无线传感器网络的正常接续，为巷道内的后续锚节点设备提供路由。

所述系统进一步包括：锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，接收健康锚节点设备的RSSI值与标定值Q进行大小比较，在矩形区域内进一步缩小人员所在范围，根据锚节点设备和对角线交点的坐标，仍可以完成人员定位。

所述系统进一步包括：锚节点设备之间通过无线网络交互信息，具有相同的信号发射功率；汇聚节点连接骨干网和巷道内的锚节点设备网络。

所述系统进一步包括：目标节点设备与井上存储服务器、定位服务器及监控终端之间通过无线传感器网络和交换机连接，实现双向通信。

所述系统进一步包括：该系统中目标节点设备采集温度及甲烷检测数据，实时上传到存储服务器。

所述系统进一步包括：当目标节点设备的甲烷检测装置和温度传感器检测到甲烷含量或温度异常时，处理器控制蜂鸣器发出报警声，同时震动马达工作，将包含温度或甲烷含量的检测值和报警时间的报警数据经过无线传感器网络和交换机上传到监控终端。

所述系统进一步包括：当井下工作人员出现身体不适或其他紧急情况需要主动求助时，按下按键，处理器控制蜂鸣器发出报警声，最近的锚节点设备的处理器控制LED灯闪烁，将包含报警时间的报警数据经过无线传感器网络和交换机上传到监控终端。

附图说明

图1井下高容灾度的监测定位及人员求助系统实施示意图；

图2锚节点设备硬件构成图；

图3锚节点设备井下巷道布置图；

图4巷道定位区域划分及节点通信范围示意图；

图5锚节点设备失效接续示意图；

图6目标节点设备硬件构成图；

图7目标节点设备的定位说明图；

图8PIR测试法原理说明图；

图9锚节点设备工作正常时定位流程图；

图10矩形区域内一个锚节点设备失效时定位流程图；

图11矩形区域内两个锚节点设备失效时定位流程图；

图12甲烷含量和温度异常系统工作流程图；

图13井下人员求助系统工作流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，所述系统主要包括：监控终端(1)、调度台(2)、定位服务器(3)、存储服务器(4)、交换机(5)和无线传感器网络；无线传感器网络包括：锚节点设备(6)和目标节点设备(7)；定位服务器负责对目标节点设备定位的相关计算，为监控终端提供人员及设备的位置信息；存储服务器负责存储和查询所有井下人员和设备的识别信息及各种检测数据；调度台负责发布调度信息和对紧急事件的处理措施；监控终端采用双屏显示，提供人员的位置和井下的环境监测数据。

如图2所示，锚节点设备(6)组成包括：处理器(8)、备用电池(9)、LED灯(10)、防爆外壳(11)。隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换机和服务器，所有锚节点设备由有线电缆供电，如果因为故障或井下突发状况导致无法持续供电，可以使用备用电池。

如图3所示，锚节点设备等间距的布置在巷道的两侧，对面的锚节点设备与另一侧最近的锚节点设备的连线垂直与巷道，巷道同侧的锚节点设备之间的距离均为d，锚节点设备的通信距离为R，巷道的宽度为h，节点的布置需要满足以下条件：且无线传感器网络在巷道中保证所有的区域同时被4个锚节点设备通信覆盖，使整个系统有较高的容灾度，也为目标节点设备的定位提供更多的参数，提高定位精度。

如图4所示，将巷道按照节点布置划分为矩形区域，对每一个锚节点设备分配ID号(编号)，每个矩形区域的编号是此矩形中最小的ID号，矩形区域内的锚节点设备互相告知相邻锚节点设备的ID号和矩形区域的编号，人员携带的目标节点设备和矩形定位区域内的锚节点设备之间协作通信，在矩形区域内通过比较接收到的RSSI值再次划分区域缩小定位范围，根据锚节点设备的坐标，在不同的范围内对应不同的方法计算人员位置。

如图5所示，按照锚节点设备布置可将巷道划分为许多矩形的区域，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的相邻健康锚节点设备处于对方的通信半径内，保证无线传感器网络的正常接续，为巷道内的后续锚节点设备提供路由，整个无线传感器网络的通信范围不受影响，同时为该区域内的目标节点设备提供定位服务。

如图6所示，目标节点设备(7)的组成包括：处理器(8)、蜂鸣器(12)、电源模块(13)、甲烷含量检测装置(14)、按键(15)、震动马达(16)、温度传感器(17)。目标节点设备检测到的甲烷含量、温度值和报警求助等信息的上传路径与定位的坐标参数的上传路径相同，目标节点设备与井上存储服务器、定位服务器及监控终端之间通过无线传感器网络和交换机连接，实现双向通信，当监控终端发现异常情况时，发送下行指令到目标节点设备，发出报警声，震动马达工作，提醒工作人员给予帮助。每隔一段时间服务器会发送一个时间同步指令到目标节点设备和锚节点设备，保证系统所有单元的时间同步。

处理器(8)采用TI公司的CC2530，其内置模块包括：CPU和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线信号收发模块。它以标准增强型8051CPU为核心，有三个不同的存储器访问总线(SFR、DATA和CODE/XDATA)，以单周期访问SFR、DATA和主SRAM，还包括中断控制器、内存仲裁器、8KBSRAM及内存块。数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电，具有电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗应用运行。外设中的ADC支持14位的模拟数字转换，具有多达12位的ENOB，还包括一个模拟多路转换器，有8个各自可配置的通道，以及一个参考电压发生器，转换结果可通过DMA写入存储器。CC2530提供了一个IEEE802.15.4兼容无线收发器，RF内核控制模拟无线模块，发射功率可调，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。虽然CC2530有片上温度传感器，但是从测量精度和设备本安性考虑，引入单独的温度传感器设计。

蜂鸣器(12)，采用无源蜂鸣器。

电源模块(13)包括电池、电压转换、和充电部分，电池使用锂离子蓄电池，锂电池应具有防反接功能，有内部和外部保护电路，具备防过充、防过放、过流、短路等功能，可维持均衡充放电。电压转换采用MAX1724系列电源转换稳压芯片，转换得到3.3V和3V稳定的工作电压，分别为处理器和传感器供电。电池充电电路采用TI的LM3658芯片，2.5～6V输入电压，输出电流高达1A，电流的实际大小通过外置电阻加以调节。此外，内置的功率FET可以根据环境温度自行调节操作速率，设有热能调节与电池温度测量等功能以及多个安全计时器，因此确保芯片无论在任何温度之下都能以最高的效率进行充电。

甲烷含量检测装置(甲烷传感器，检测电路，放大电路)(14)。甲烷传感器采用载体催化元件，包括检测元件(黑元件)和补偿元件(白元件)，黑元件是一种对甲烷气体很敏感的载体催化元件，白元件对甲烷气体不起反应，对催化元件的阻值变化(由外界温度、湿度等变化导致)起补偿作用。催化元件具有抗中毒性，可防止硫化物、有机硅蒸汽吸附在催化剂表面阻断甲烷的接触。检测电路是由甲烷传感器和电阻组成惠更斯电桥，黑白元件为电桥的两个臂，无甲烷气体时，电桥处于平衡状态，当甲烷气体进入传感器内在热催化传感元件表面发生氧化放热反应，元件的温度升高，随之电阻变大，电桥的电压输出不平衡，根据电压变化检测甲烷气体的浓度，一定的甲烷浓度范围内，产生正比于甲烷浓度的直流电压变化信号。电桥输出的微弱电压信号进入由AD620集成运算放大器组成的放大电路中，然后输入到处理器中，使用CC2530内部集成的14位模数转换器进行A/D转换。

震动马达(16)采用横向(X轴)线性马达，相对于转子马达和Z轴线性马达，振动的空间更大，更高的加速度使振动反馈更加明显，震感更强烈。

温度传感器(17)硬件设计采用热敏电阻pt100和惠斯特电桥，pt100用三线制接法，一端连接点一根引线，另一端连接两根引线的方式，与电桥配合消除引线电阻。Pt100作为一个桥臂电阻，将温度的变化最终转化为电压的变化，桥臂连接CC2530的模拟量输入口，经过A/D转换器，将电压信号转换为数字信号。

每个巷道以汇聚节点为原点(0，0)建立坐标；如图7所示，在每个矩形区域内确定对角线交点的坐标W(X_W，Y_W)，测量目标节点设备在(X_W，Y_W)位置接收到的四个锚节点设备如A(X_A，Y_A)，B(X_B，Y_B)，C(X_C，Y_C)，D(X_D，Y_D)发射信号的RSSI值，四个RSSI值的算数平均值作为标定值Q；定位时，设目标节点设备检测到的锚节点设备A的RSSI值经高斯滤波为Q_A，计算过程如下：

设接收同一锚节点设备的RSSI值服从N(μ，δ²)高斯分布，其概率密度为：

$f_{\left(RSSI\right)}=\frac{1}{\mathrm{\δ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(RSSI-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}}$

其中 $\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{RSSI}}_k,{\mathrm{\δ}}^2=\frac{1}{n-1}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{RSSI}}_k-\mathrm{\μ})}^2,{\mathrm{RSSI}}_k=\{{\mathrm{RSSI}}_1,{\mathrm{RSSI}}_2,...,{\mathrm{RSSI}}_n\}$ 是时间t内目标节点设备接收到锚节点设备A信号的RSSI值集合，t是经现场测定或人为设定的，区间(μ-δ≤RSSI_k≤μ+δ)是高概率区间，将在此区间的RSSI值进行均值滤波， $\stackrel{\‾}{RSSI}=\frac{1}{n^{\′}}\underset{k=1}{\overset{n^{\′}}{\Σ}}{\mathrm{RSSI}}_k,{\mathrm{RSSI}}_k\∈(\mathrm{\μ}-\mathrm{\δ},\mathrm{\μ}+\mathrm{\δ})$ 得到的值作为Q_A，同理可以计算得到Q_B，Q_C，Q_D。

矩形中的锚节点设备感知到目标节点设备后，根据最佳矩形内点测试法PIR(perfectpoint-in-rectangle)，判断人员是否在矩形区域内，原理如图8所示，当目标节点向任意方向移动时，同时远离(RSSI值逐渐变小)或靠近(RSSI值逐渐大)组成矩形的锚节点设备，证明目标节点设备不在矩形区域内部，反之，在矩形区域内部。当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，此测试法仍然适用。

定位方法根据组成矩形区域的锚节点设备是否工作正常(健康)分为三类情况：

(一)组成矩形区域的锚节点设备是否工作正常

(二)某个矩形区域内任意一个锚节点设备失效

(三)某个矩形区域内巷道同侧或对角位置的两个锚节点设备失效

接下来就三类情况分别叙述具体定位方法：

(一)结合图9和图7，组成矩形定位区域的锚节点设备健康时，定位过程如下：

1.(901)经PIR测试法判断人员是否进入矩形定位区域？

2.(902)进入编号为Z的矩形定位区域后，识别目标节点的身份信息(编号M)。

3.(903)经高斯滤波和均值滤波计算接收到锚节点设备的RSSI值Q_A，Q_B，Q_C，Q_D。

4.(904)由以下公式计算Q_A，Q_B，Q_C，Q_D与标定值Q的均方偏差：

$D=\frac{{(Q_A-Q)}^2+{(Q_B-Q)}^2+{(Q_C-Q)}^2+{(Q_D-Q)}^2}{4}$

5.(905)D与区分值F比较(F经现场测定或人为设定)，判断是否D≤F？

6.(906)如果D≤F，将目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过ID号最小的Z号锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器，W的坐标即为人员的坐标(X，Y)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_W\\ Y=Y_W\end{array}\right.$

7.(907)若D＞F，对Q_A，Q_B，Q_C，Q_D比较排序。

7.1(908)最大的两个RSSI值对应的锚节点设备的编号为N₁，N₂，共分为四种情况：

第一种状态，Q_A，Q_B值最大，锚节点设备在三角形ΔABW区域内；

第二种状态，Q_B，Q_C值最大，锚节点设备在三角形ΔBCW区域内；

第三种状态，Q_C，Q_D值最大，锚节点设备在三角形ΔCDW区域内；

第四种状态，Q_A，Q_D值最大，锚节点设备在三角形ΔADW区域内；

7.1(909)将所在三角形区域的锚节点设备编号N₁，N₂、目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过ID号最小的Z号锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器。

7.2(910)定位服务器根据目标节点设备所在不同的四个三角形区域，依次对应以下四组公式计算坐标(X，Y)：

第一种：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_A+X_B+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_A+Y_B+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第二种：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_B+X_C+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_B+Y_C+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第三种：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_C+X_D+X_w}{3}\\ Y=\frac{Y_C+Y_D+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第四种：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_A+X_D+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_A+Y_D+Y_W}{3}\end{array}\right.$

(二)结合图10和图7，矩形区域内任意一个锚节点设备失效时，定位过程如下：

1.(1001)经PIR测试法判断人员是否进入某一个锚节点设备失效的矩形定位区域？

2.(1002)确定失效锚节点设备的编号(此例设为A锚节点设备)。

3.(1003)识别目标节点的身份信息(编号M)。

4.(1004)经高斯滤波和均值滤波计算接收到锚节点设备的RSSI值Q_B，Q_C，Q_D。

5.(1005)由以下公式计算Q_B，Q_C，Q_D与标定值Q的均方偏差：

$D^{\′}=\frac{{(Q_B-Q)}^2+{(Q_C-Q)}^2+{(Q_D-Q)}^2}{3}$

6.(1006)D′与区分值F′比较(F′经现场测定或人为设定)，判断是否D′≤F′？

7.(1007)如果D′≤F′，将目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过编号最小的健康锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器，W的坐标即为人员的坐标(X，Y)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_W\\ Y=Y_W\end{array}\right.$

8.(1008)如果D′＞F′，Q_B，Q_C，Q_D分别与标定值Q比较大小。

8.1(1009)确定所在三角形区域，可分为四种情况：

第一种状态，Q_C＜Q，Q_B＞Q，锚节点设备在三角形ΔABW区域内；

第二种状态，Q_B＞Q，Q_C＞Q，锚节点设备在三角形ΔBCW区域内；

第三种状态，Q_C＞Q，Q_D＞Q，锚节点设备在三角形ΔCDW区域内；

第四种状态，Q_C＜Q，Q_D＞Q，锚节点设备在三角形ΔADW区域内；

8.1(1010)将所在三角形区域的锚节点设备ID号N₁，N₂、目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过编号最小的健康锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器。

8.2(1011)定位服务器根据目标节点设备所在四个不同三角区域，依次对应设备健康时的四组公式计算坐标(X，Y)。

(三)结合图11和图7任意矩形区域的巷道同侧或对角位置的两个锚节点设备失效时，定位过程如下：

1.(1101)经PIR测试法判断人员是否进入两个锚节点设备失效的矩形定位区域？

2.(1102)确定两个失效锚节点设备的编号及其相对位置(此例设为A，D)。

3.(1103)两个失效锚节点设备是否在巷道同侧？

4.(1104)如果在巷道同侧，识别目标节点的身份信息(编号M)。

4.1(1105)经高斯滤波和均值滤波计算接收到锚节点设备的RSSI值Q_B，Q_C。

4.2(1106)由以下公式计算Q_B，Q_C与标定值Q的均方偏差：

$D^{\′\′}=\frac{{(Q_B-Q)}^2+{(Q_C-Q)}^2}{2}$

4.3(1107)D″与区分值F″比较(F″经现场测定或人为设定)，判断是否D″≤F″？

4.4(1108)如果D″≤F″，将目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过编号最小的健康锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器，W的坐标即为人员的坐标(X，Y)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_W\\ Y=Y_W\end{array}\right.$

4.5(1109)如果D″＞F″，Q_B，Q_C分别与标定值Q比较大小。

4.5.1(1110)确定所在三角形区域，可分为四种情况：

第一种状态，Q_B＞Q，Q_C＜Q，锚节点设备在三角形ΔABW区域内；

第二种状态，Q_B＞Q，Q_C＞Q，锚节点设备在三角形ΔBCW区域内；

第三种状态，Q_B＜Q，Q_C＞Q，锚节点设备在三角形ΔCDW区域内；

第四种状态，Q_B＜Q，Q_C＜Q，锚节点设备在三角形ΔADW区域内；

4.5.2(1111)将所在三角形区域的锚节点设备ID号N₁，N₂、目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过编号最小的健康锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器。

4.5.3(1112)定位服务器根据目标节点设备所在四个不同三角区域，依次对应设备健康时的四组公式计算坐标(X，Y)。

5.(1113)如果两个失效锚节点不在巷道同侧，再次判断是否在矩形区域对角位置？(此例设为B，D)。

6(1114)如果两失效锚节点设备在矩形区域对角位置，识别目标节点设备的身份信息。

6.1(1115)经高斯滤波和均值滤波计算接收到锚节点设备的RSSI值Q_A，Q_C。

6.2(1116)由以下公式计算Q_A，Q_C与标定值Q的均方偏差：

$D^{\′\′}=\frac{{(Q_A-Q)}^2+{(Q_C-Q)}^2}{2}$

6.3(1117)D″与区分值F″比较(F″经现场测定或人为设定)，判断是否D″≤F″？

6.4(1118)如果D″≤F″，将目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过编号最小的健康锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器，W的坐标即为人员的坐标(X，Y)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_W\\ Y=Y_W\end{array}\right.$

6.5(1119)如果D″＞F″，Q_A，Q_C分别与标定值Q比较大小。

6.5.1(1120)确定所在三角形区域，可分为两种情况：

第一种状态，Q_A＞Q，Q_C＜Q，锚节点设备在三角形ΔABD区域内；

第二种状态，Q_A＜Q，Q_C＞Q，锚节点设备在三角形ΔBCD区域内；

6.5.2(1121)将所在三角形区域的锚节点设备编号N₁，N₂，N₃，目标节点的身份编号M及所在矩形定位区域的编号Z，通过编号最小的健康锚节点设备经汇聚节点上传到定位服务器。

6.5.3(1122)定位服务器根据目标节点设备所在两个不同三角区域，依次对应以下组公式计算坐标(X，Y)。

第一种：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_A+X_B+X_D}{3}\\ Y=\frac{Y_A+Y_B+Y_D}{3}\end{array}\right.$

第二种：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_B+X_C+X_D}{3}\\ Y=\frac{Y_B+Y_C+Y_D}{3}\end{array}\right.$

如图12所示，甲烷传感器和温度传感器实时监测数据，当人员所在区域的甲烷含量超出报警值或者温度异常时(1201)，蜂鸣器发出警告声(1202)，震动马达工作提醒人员注意(1203)，同时上传时间和甲烷含量值或温度(1204)，加入震动马达是因为井下某些工作场所因大型设备的运转产生较大的噪声，马达的震动由体感传递也可以提醒人员注意，调度台及时采取应对措施(1205)。

如图13所示，在本系统中，当携带目标节点设备的人员出现身体不适，或者处于危险环境需要帮助时，按下按键(1301)，蜂鸣器发出报警声(1302)，向周围发出求助信号(1303)，同时离目标节点设备最近的锚节点设备收到求助信号后，处理器控制LED灯闪烁提醒附近的同事(1304)，并且上传时间信息到监控终端(1305)，由调度人员通知附近的工作人员给予帮助，同时井上可以及时采取必要的应对措施(1306)。

通过以上结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明提供的煤矿井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，通过有线网络与无线传感器网络的配合，根据矿井实际工作环境，通过比较接收到的RSSI值划分缩小巷道定位区域，避免电磁环境变化的干扰，对目标实现精确定位。同时利用无线传感器网络在井下具有一定冗余度的拓扑结构，实现井下和井上的可靠性信息传输，为甲烷含量和温度实时检测及人员的求助功能提供保证。

尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，所述系统主要包括监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；其特征在于：无线传感器网络，包括锚节点设备和目标节点设备；锚节点设备包括：处理器、电源、备用电池、LED灯、防爆外壳；目标节点设备由井下人员携带，包括：处理器、蜂鸣器、电源模块、甲烷含量检测装置、按键、震动马达、温度传感器；隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换机和服务器；锚节点设备等间距的交错布置在巷道的两侧，对面的锚节点设备与另一侧相距最近的锚节点设备的连线垂直与巷道，巷道同侧的锚节点设备之间的距离均为d，通信距离为R，巷道的宽度为h，锚节点设备的布置需要满足以下条件：且目标节点设备比较接收到的不同锚节点设备RSSI值，缩小人员所在范围，锚节点设备作为参考点实现定位；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的相邻健康锚节点设备相互处于对方的通信半径内，维持无线传感器网络的正常接续，仍满足通信和定位的需求；当目标节点设备监测甲烷含量和温度异常时，震动马达工作提醒人员注意；当井下人员主动求助时，按下按键后，最近的锚节点设备收到求助信号后，LED灯闪烁，提醒周围同事给予帮助。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：每个巷道以汇聚节点为原点(0，0)建立坐标；在每个矩形区域内确定对角线交点的坐标W(X_W，Y_W)，测量目标节点设备在(X_W，Y_W)位置接收到的四个锚节点设备如A(X_A，Y_A)，B(X_B，Y_B)，C(X_C，Y_C)，D(X_D，Y_D)发射信号的RSSI值，三个RSSI值的算数平均值作为标定值Q；定位时，设目标节点设备检测到的锚节点设备A的RSSI值经高斯滤波为Q_A，计算过程如下：

设接收同一锚节点设备的RSSI值服从N(μ，δ²)高斯分布，其概率密度为：

$f_{\left(RSSI\right)}=\frac{1}{\mathrm{\δ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(RSSI-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}}$

其中 RSSI_k＝{RSSI₁，RSSI₂，...，RSSI_n}，是时间t内目标节点设备接收到锚节点设备A信号的RSSI值集合，t是经现场测定或人为设定的，区间(μ-δ≤RSSI_k≤μ+δ)是高概率区间，将在此区间的RSSI值进行均值滤波，RSSI_k∈(μ-δ，μ+δ)得到的值作为Q_A，同理可以计算得到Q_B，Q_C，Q_D，设人员的坐标为(X，Y)；矩形中的锚节点设备感知到目标节点设备后，根据最佳矩形内点测试法PIR(perfectpoint-in-rectangle)，判断是否在矩形区域内，如果在矩形区域内，定位过程如下：

由以下公式计算Q_A，Q_B，Q_C，Q_D与标定值Q的均方偏差：

$D=\frac{{(Q_A-Q)}^2+{(Q_B-Q)}^2+{(Q_C-Q)}^2+{(Q_D-Q)}^2}{4}$

D与区分值F比较，F是经现场测定或人为设定的，若D≤F，则人员的坐标(X，Y)：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_W\\ Y=Y_W\end{array}\right.$

若D＞F，对Q_A，Q_B，Q_C，Q_D比较排序，确定最大的两个RSSI值对应的锚节点设备，共分为四种情况，根据目标节点设备所在不同的四个三角形区域，依次对应以下四组公式计算坐标(X，Y)：

第一种状态，Q_A，Q_B值最大，锚节点设备在三角形ΔABW区域内：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_A+X_B+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_A+Y_B+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第二种状态，Q_B，Q_C值最大，锚节点设备在三角形ΔBCW区域内；

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_B+X_C+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_B+Y_C+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第三种状态，Q_C，Q_D值最大，锚节点设备在三角形ΔCDW区域内；

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_C+X_D+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_C+Y_D+Y_W}{3}\end{array}\right.$

第四种状态，Q_A，Q_D值最大，锚节点设备在三角形ΔADW区域内；

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{X_A+X_D+X_W}{3}\\ Y=\frac{Y_A+Y_D+Y_W}{3}\end{array}\right.$

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：无线传感器网络在设备正常情况下，巷道的所有区域同时被4个锚节点设备通信覆盖，提高系统的容灾度和定位精度；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的健康锚节点设备保证无线传感器网络的正常接续，为巷道内的后续锚节点设备提供路由。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，接收健康锚节点设备的RSSI值与标定值Q进行大小比较，在矩形区域内进一步缩小人员所在范围，根据锚节点设备和对角线交点的坐标，仍可以完成人员定位。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：锚节点设备之间通过无线网络交互信息，具有相同的信号发射功率；汇聚节点连接骨干网和巷道内的锚节点设备网络。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统中目标节点设备与井上存储服务器、定位服务器及监控终端之间通过无线传感器网络和交换机连接，实现双向通信。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统中目标节点设备采集温度及甲烷检测数据，实时上传到存储服务器。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当目标节点设备的甲烷检测装置和温度传感器检测到甲烷含量或温度异常时，由处理器控制蜂鸣器发出报警声，同时震动马达工作，将包含温度或甲烷含量的检测值和报警时间的报警数据经过无线传感器网络和交换机上传到监控终端。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当井下工作人员出现身体不适或其他紧急情况需要主动求助时，按下按键，由处理器控制蜂鸣器发出报警声，最近的锚节点设备的LED灯闪烁，将包含报警时间的报警数据经过无线传感器网络和交换机上传到监控终端。