CN105828433A

CN105828433A - 一种基于ZigBee的隧道定位系统及方法

Info

Publication number: CN105828433A
Application number: CN201610307501.3A
Authority: CN
Inventors: 王海英; 阮祺; 梁鹏; 邱喜华; 常肖; 吕东源
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2016-08-03

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的隧道定位系统及方法，包括设置在隧道施工人员及施工车辆上的定位节点，设置在隧道中的若干用于采集定位节点信息的参考节点，参考节点的输出端连接有ZigBee网关基站，ZigBee网关基站的输出端通过信号转换模块连接至监控中心。本发明能够全面、及时、准确的对隧道内施工人员进行定位，保证施工人员安全。

Description

一种基于ZigBee的隧道定位系统及方法

技术领域

本发明涉及无线定位技术领域，具体涉及一种基于ZigBee的隧道定位系统及方法。

背景技术

随着国家经济实力的日益强大和社会发展的需要，各种隧道以及地下工程开发愈来愈多，目前我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。这些工程在给人们带来极大便利的同时，也带来了较大的施工风险，对于工程的建设者和管理者来讲，则意味着安全生产的风险系数愈来愈高，安全管理的压力愈来愈大。目前，专门解决隧道人员安全问题的技术在国内仍然发展缓慢，尤其是隧道施工时人员的定位问题是所有问题的重中之重。其中较为实用的是RFID技术。这种方式采用人员刷卡形式虽然相对来说成本较为低廉，但这种定位方式是不连续的，通过不断的刷卡确定人员在某一区域内而不能精确的确定该人员的具体位置，并且这种系统只能单向传输固定的信息，因而此类应用更多的体现了工作管理而对于安全防护方面却有先天不足之处。

目前定位算法分为两大类：第一类是基于测距的定位算法，包括到达时间差TDOA、到达角度AOA、到达时间TOA。TDOA需要在节点上安装特殊的信号收发装置，通过测量两种不同传输速率的信号传输时间差来计算两节点间的距离。但受到超声波传播距离的限制和非视距问题对超声波信号传播的影响。AOA是基于信号传输的角度不同进而形成的扇形重叠区为机理的定位算法，AOA同样也需要在节点上安装特殊的信号收发装置。而且测距过程容易受到外界环境的影响，因此不适合在大规模网络中使用。TOA是通过测量从目标节点发出的信号以直线到达参考节点的时间，可以得到相应的距离，随即得到目标节点的定位结果。TOA方法局限性大，它要求接收端能够得到无线信号开始传输的时间，因此需要各节点时间同步，从而对节点的要求很高。第二类是无需测距的定位算法。无需测距的定位算法定位误差较大，精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的隧道定位系统及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明能够全面、及时、准确的对隧道内施工人员进行定位，保证施工人员安全。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于ZigBee的隧道定位系统，包括设置在隧道施工人员及施工车辆上的定位节点，设置在隧道中的若干用于采集定位节点信息的参考节点，参考节点的输出端连接有ZigBee网关基站，ZigBee网关基站的输出端通过信号转换模块连接至监控中心。

进一步地，隧道包括第一定位区域和第二定位区域，第一定位区域为隧道口至掌子面之间的区域，第二定位区域为掌子面以内区域。

进一步地，第一定位区域中的参考节点均匀分布在第一定位区域的一侧；第二定位区域中的参考节点均匀分布在第一定位区域的两侧。

进一步地，第一定位区域中相邻两个参考节点的横向间距为20～30米；第二定位区域中相邻两个参考节点的横向间距为10～15米。

进一步地，监控中心包括主监控中心和分监控中心，所述分监控中心包括分监控主机和显示屏。

进一步地，ZigBee网关基站设有若干个，且相邻的两个ZigBee网关基站横向间距为150米。

进一步地，参考节点为CC2430芯片，定位节点为CC2431芯片。

一种基于ZigBee的隧道定位方法，采用基于RSSI的加权质心定位算法，包括以下步骤：

步骤一：定位节点发起计算请求，参考节点接收请求消息后收集获取到的RSSI值；

步骤二：参考节点根据接收的若干个RSSI值，计算出RSSI平均值，然后将RSSI平均值、自身的ID及坐标信息发送给定位节点；

步骤三：定位节点判断接收的信息值是否大于4，若判断值小于4，则返回步骤一，若判断值大于等于4，则进入步骤四；

步骤四：定位节点对所接收的RSSI平均值进行排序，并选择四个最大的RSSI平均值及其对应的参考节点；

步骤五：根据RSSI模型计算出到这些参考节点的距离，进而算出定位节点的位置坐标。

进一步地，还包括步骤六：定位节点的定位信息经参考节点转发到ZigBee网关基站，ZigBee网关基站再通过无线网络将该定位信息传递到监控中心。

进一步地，参考节点为CC2430芯片，定位节点为CC2431芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的参考节点采集到定位节点的信息后，将采集信息传输给ZigBee网关基站，ZigBee网关基站再通过信息转换器将采集定位信息通过网络传输到监控中心，监控中心实时显示隧道人员信息和车辆信息，显示的内容包括：ID号，姓名，时间，总人数等，使领导及监管人员不用进入洞内，不必查看监控室电脑就能及时了解隧道内施工人员情况，同时，该系统还具有自主诊断的功能，能够诊断无线定位系统的基站是否正常工作，当基站出现故障时系统会发出提示信息。该系统能够统计施工人员在洞内连续工作的时间，当有人长时间(如10小时以上)未出洞时，系统会发出警告提示。该系统可以长时间储存数据信息，可将定位数据存入系统数据库，以便管理人员随时查询历史定位信息。

进一步地，本发明根据隧道定位需求，分为第一定位区域和第二定位区域，第一定位区域隧道口到掌子面主要是施工人员和车辆出入，所有在这一区域主要进行人员和车辆定位。这一区域间隔150m放置一个基站，相邻两参考节点横向间距取20-30m，定位节点放置在施工人员的安全帽上和车辆顶部，该区域定位精度可以达到0.2m到0.3m。第二定位区域是掌子面以内的施工区，该区域是施工的主要区域，施工人员密集，危险系数大，所以该区域在相邻两参考节点横向间距取10-15m，隧道两边区域都布置有参考节点，该区域定位精度可以达到0.1m以内。隧道施工人员在遇到突发事件时可通过定位卡上的预警按钮来向管理人员发出警报，本发明采用分区域定位，提高了资源的利用率，节约了项目成本，具有一定的实用价值和推广价值。

本发明方法采用基于RSSI的加权质心定位算法，定位节点发起计算请求，参考节点接收消息后收集获取到的RSSI值，参考节点根据接收的多个RSSI值，计算出其RSSI平均值，然后连同自身的ID及坐标信息一起发送给定位节点。定位节点收到附近参考节点发送的信息后，对其RSSI值进行排序，选择四个最大的RSSI值，根据RSSI模型启动定位引擎计算出到这些参考节点的距离，进而确定定位节点的位置坐标。定位节点的定位信息经过参考节点转发到ZigBee网关基站，ZigBee网关基站再通过无线网络将该定位信息传递到监控中心，使领导及监管人员不用进入洞内，不必查看监控室电脑就能及时了解隧道内施工人员情况。

附图说明

图1是本发明系统的构架图；

图2是基于RSSI质心算法原理图；

图3是基于RSSI的加权质心定位算法流程图。

其中，1-主监控中心，2-分监控主机，3-显示屏，4-信号转换模块，5-ZigBee网关基站，6-参考节点，7-定位节点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，一种基于ZigBee的隧道定位系统，根据隧道定位需求，分为第一定位区域和第二定位区域，第一定位区域隧道口到掌子面主要是施工人员和车辆出入，所有在这一区域主要进行人员和车辆定位。这一区域间隔150m放置一个基站，相邻两参考节点横向间距取20-30m，定位节点放置在施工人员的安全帽上和车辆顶部，该区域定位精度可以达到0.2m到0.3m。第二定位区域是掌子面以内的施工区，该区域是施工的主要区域，施工人员密集，危险系数大，所以该区域在相邻两参考节点横向间距取5-10m，隧道两边区域都布置有参考节点，该区域定位精度可以达到0.1m以内。参考节点采集到定位节点的信息后，将采集信息传输给基站，基站再通过信息转换器将采集定位信息通过网络传输到隧道口分监控中心和主监控中心。隧道口出的LED屏实时显示隧道人员信息和车辆信息。显示的内容包括：ID号，姓名，时间，总人数等，使领导及监管人员不用进入洞内，不必查看监控室电脑就能及时了解隧道内施工人员情况。

如图2所示为基于RSSI质心算法原理图，O1，O2，O3为参考节点，D为未知节点，d1为节点O1到定位节点的距离，d2节点O2到定位节点的距离，d3节点O3到定位节点的距离。A点、B点、C点分别为以O1，O2，O3为圆心，d1，d2，d3为半径画圆，得到的三圆交叠点。

其中基于RSSI的加权质心定位算法，用于获取定位节点的精确位置坐标。原理如下：

首先通过根据RSSI模型：RSSI＝A-10nlg(d)，(其中n为传播因子，A为环境因数，A和n都是经验值，由用户根据实际情况给定)。将已知定位节点接收到的RSSI数据转化为距离信息，将这些距离从小到大进行排序，并优选距离最小所对应的4个参考节点进行定位，每次取其中的3个参考节点进行组合，这样就会有4种不同的组合。然后如图2所示，分别以选取的3个参考节点O1，O2，O3为圆心，以定位节点D到参考节点之间的距离d1，d2，d3为半径画圆，3个圆相交会产生公共部分，对3个圆的交点组成的三角形进行分析，利用优选的参考节点和定位节点之间的距离为每一个坐标增加权值，以体现不同顶点的贡献。该算法中定位节点的估计坐标可以用以下公式表示：

\{\begin{matrix} x = \frac{x_{A} \times (\frac{1}{d_{2}} + \frac{1}{d_{3}}) + x_{B} \times (\frac{1}{d_{1}} + \frac{1}{d_{2}}) + x_{c} \times (\frac{1}{d_{1}} + \frac{1}{d_{3}})}{2 \times (\frac{1}{d_{1}} + \frac{1}{d_{2}} + \frac{1}{d_{3}})} \\ y = \frac{y_{A} \times (\frac{1}{d_{2}} + \frac{1}{d_{3}}) + y_{B} \times (\frac{1}{d_{1}} + \frac{1}{d_{2}}) + y_{c} \times (\frac{1}{d_{1}} + \frac{1}{d_{3}})}{2 \times (\frac{1}{d_{1}} + \frac{1}{d_{2}} + \frac{1}{d_{3}})} \end{matrix}

以此方法，分别对其他三种组合的定位节点坐标进行计算，总共得到四个估计点。最后，取四个估计点组成的多边形的质心为定位节点的位置坐标。

如图3所示为基于RSSI的加权质心定位算法流程图：首先定位节点发起计算请求，参考节点接收消息后收集获取多个RSSI值，参考节点根据接收的多个RSSI值计算出其平均值，然后连同自身的ID及坐标信息一起发送给定位节点。定位节点判断接受的信息值是否大于4，如果判断值小于4则返回第一步。当接受值大于4时，定位节点选择四个最大的RSSI值，再调用设定好的A值和n值，根据RSSI模型：RSSI＝A-10nlg(d)，启动定位引擎计算出到这些参考节点的距离。然后根据质心定位算法算出位置坐标。

下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：

如图1所示，包括监控中心、隧道口分监控中心、信号转换模块和隧道内定位系统，其中监控中心、隧道口分监控中心、信号转换模块依次和定位系统相连。定位节点安装在施工人员安全帽和车辆顶部，当施工人员和车辆进入隧道时，布置在隧道的参考节点就会采集到人员和车辆的位置信息，同时将定位信息传输基站，基站再通过信息转换器将采集定位信息通过网络传输到隧道口分监控中心和总监控中心。隧道口出的LED屏实时显示隧道人员信息和车辆信息。显示的内容包括：ID号，姓名，时间，总人数等，使领导及监管人员不用进入洞内，不必查看监控室电脑就能及时了解隧道内施工人员情况。

工作原理：参考节点和定位节点及基站在隧道中安装完成之后，将参考节点的位置坐标存储在监控中心计算机中。上电之后，各组成部分和各节点自动组成无线传输网络。定位节点向附近的参考节点发起计算请求，附近的参考节点接收消息后收集获取到的RSSI值，参考节点根据接收的多个RSSI值，计算出其RSSI平均值，然后连同自身的ID及坐标信息一起发送给定位节点。定位节点收到附近参考节点发送的信息后，对其RSSI值进行排序，选择四个最大的RSSI值，再调用设定好的A值和n值，根据RSSI模型：RSSI＝A-10nlg(d)，启动定位引擎计算出到这些参考节点的距离，进而确定定位节点的位置坐标。定位节点的定位信息经过参考节点转发到ZigBee网关基站，ZigBee网关基站再通过无线网络将该定位信息传递到计算机。

Claims

1.一种基于ZigBee的隧道定位系统，其特征在于，包括设置在隧道施工人员及施工车辆上的定位节点(7)，设置在隧道中的若干用于采集定位节点(7)信息的参考节点(6)，参考节点(6)的输出端连接有ZigBee网关基站(5)，ZigBee网关基站(5)的输出端通过信号转换模块(4)连接至监控中心。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的隧道定位系统，其特征在于，隧道包括第一定位区域和第二定位区域，第一定位区域为隧道口至掌子面之间的区域，第二定位区域为掌子面以内区域。

3.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee的隧道定位系统，其特征在于，第一定位区域中的参考节点(6)均匀分布在第一定位区域的一侧；第二定位区域中的参考节点(6)均匀分布在第一定位区域的两侧。

4.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee的隧道定位系统，其特征在于，第一定位区域中相邻两个参考节点(6)的横向间距为20～30米；第二定位区域中相邻两个参考节点(6)的横向间距为10～15米。

5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的隧道定位系统，其特征在于，监控中心包括主监控中心(1)和分监控中心，所述分监控中心包括分监控主机(2)和显示屏(3)。

6.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的隧道定位系统，其特征在于，ZigBee网关基站(5)设有若干个，且相邻的两个ZigBee网关基站(5)横向间距为150米。

7.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的隧道定位系统，其特征在于，参考节点(6)为CC2430芯片，定位节点(7)为CC2431芯片。

8.一种采用权利要求1所述的基于ZigBee的隧道定位系统的隧道定位方法，其特征在于，采用基于RSSI的加权质心定位算法，包括以下步骤：

步骤一：定位节点(7)发起计算请求，参考节点(6)接收请求消息后收集获取到的RSSI值；

步骤二：参考节点(6)根据接收的若干个RSSI值，计算出RSSI平均值，然后将RSSI平均值、自身的ID及坐标信息发送给定位节点(7)；

步骤三：定位节点(7)判断接收的信息值是否大于4，若判断值小于4，则返回步骤一，若判断值大于等于4，则进入步骤四；

步骤四：定位节点(7)对所接收的RSSI平均值进行排序，并选择四个最大的RSSI平均值及其对应的参考节点(6)；

步骤五：根据RSSI模型计算出到这些参考节点(6)的距离，进而算出定位节点(7)的位置坐标。

9.根据权利要求8所述的基于ZigBee的隧道定位方法，其特征在于，还包括步骤六：定位节点(7)的定位信息经参考节点(6)转发到ZigBee网关基站(5)，ZigBee网关基站(5)再通过无线网络将该定位信息传递到监控中心。

10.根据权利要求8所述的基于ZigBee的隧道定位方法，其特征在于，参考节点(6)为CC2430芯片，定位节点(7)为CC2431芯片。