CN102761964B - 基于ZigBee的井下人员定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的井下人员定位方法，在巷道内设置有多个基站，基站包括多个主基站和多个从基站，主基站与从基站间隔设置；主基站与定位目标采取问答式通信方式，多个定位目标采取时分复用方式与主基站或从基站基于ZigBee通信；按照距离h₁将两相邻基站之间的区域分为近基站区域和远基站区域，当定位目标处于近基站区时，采用RSSI定位方法定位；当定位目标处于远基站区时，采用V-T定位方法定位。该基于ZigBee的井下人员定位方法定位精度高、定位范围大。

Description

基于ZigBee的井下人员定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee的井下人员定位方法，特别是涉及一种针对信号强度易受环境影响定位精度难以提高、基于RSSI定位算法中基站的定位距离远小于其通信距离等问题而提出的一种基于ZigBee的井下人员定位方案。

背景技术

井下人员的精确定位能为加强矿井监管提供支持，也能够为矿难救援提供重要帮助，是矿井安全生产的重要保障。定位算法可分为基于非测距的定位算法和基于测距的定位算法两大类。基于非测距的定位算法包括：质心法、DV-Hop算法等，这类方法需要密集的无线传感网络才能达到较高的定位精度，提高定位精度的成本代价很大，而井下狭窄的环境也不适宜用这类定位算法；基于测距的定位算法包括：TOA(Time ofArrival)、TDOA(Time Difference ofArrival)、AOA(Angleof Arrival)、RSSI定位法等，这类方法中，由于电磁波速度太快，TOA、TDOA需要高精度时钟，AOA需要专门测向设备，因此TOA、TDOA、AOA定位算法对硬件要求都很高，大规模应用所需设备投入成本很大，而RSSI定位算法因信号强度值RSSI，即接收功率P_R可以直接从设备相关寄存器中获取，对设备要求低，易实现，成本较低，因而拥有很好的应用前景。

尽管如此，由于无线信号的信号强度易受多径效应、金属反射、湿度等众多环境因素影响，基于RSSI的定位算法定位精度难以提高，有效定位距离也远小于其通信距离。目前基于RSSI的定位算法主要有信号衰减模型法和信号指纹法。前者以IEEE802.15.4标准的信号衰减曲线为基础，再根据实际环境确立参数建立信号强度与距离的数学关系模型，然后以该模型进行测距和定位，这种方法在短距离内有较高的定位精度，但是随着距离的增加，信号衰减不太明显之后其定位精度显著下降；后者则采用建立特定环境下RSSI指纹数据库的办法，然后在定位时将采集的接收功率数据P_R与该指纹数据库相匹配进行定位，这种方法虽然定位精度比较有保障，但是对环境的应变性和适应性差。

基于Zigbee技术的定位通常采用RSSI定位算法，即根据电磁波传输的信号强度与传输距离存在指数衰减关系，通过测量信号强度来确定传输距离，进行定位。在近距离时，传输的信号强度衰减较快，传输距离对传输的信号强度的干扰不敏感，定位精度较高。在远距离时，传输的信号强度衰减较慢，传输距离对传输的信号强度的干扰较为敏感，在受到干扰的影响下定位精度不能保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于ZigBee的井下人员定位方法，该基于ZigBee的井下人员定位方法定位精度高、定位范围大。

发明的技术解决方案如下：

一种基于ZigBee的井下人员定位方案，在巷道内设置有多个基站，基站包括多个主基站和多个从基站，主基站与从基站间隔设置；主基站与定位目标采取问答式通信方式，多个定位目标采取时分复用方式与主基站或从基站基于ZigBee通信；

按照距离h₁将两相邻基站之间的区域分为近基站区域和远基站区域，即定位目标与最近的基站的距离小于h₁时，表明定位目标处于近基站区域；否则定位目标处于远基站区域；【距离h₁是由RSSI定位的性质决定，若距离h₁较远，定位精度变差，在本发明实例中，h₁取10m】

当定位目标处于近基站区时，采用RSSI定位方法定位；

当定位目标处于远基站区时，采用V-T定位方法定位。

所述的RSSI定位方法为：定位目标与最近的基站的距离其中P_R0是相对发射基站参考距离的接收功率，u为衰减系数；【参考距离d₀=1米，衰减系数u是通过在矿井巷道采集到的数据通过一元线性回归的方法获取】

$\stackrel{\‾}{P_R}\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_R\left(i\right),$ P_R(i)∈[μ-0.84σ,μ+0.84σ]；

其中，是P_R的平均值，k是n个P_R值中落入[μ-0.84σ,μ+0.84σ]的值的个数，均值 $\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_R\left(i\right),$ 标准差 $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(P_R\left(i\right)-\mathrm{\μ})}^2};$

P_R(i)的获取方法如下：

与当前基站—记为基站X—通信连接的上位机缓存某一定位目标的n个接收功率值P_R[i]数据，若有m个接收功率P_R大于阈值P_RT，则表明定位目标在近基站区域，该n个P_R[i]数据为有效数据，其中，n是连续时间内，同一基站接收到同一目标节点的接收功率数据个数；【n由数据实时性考虑，本发明中，设置n=10，m是一个经验阈值，本发明设置n=7，P_RT是基站X到其近基站边界处的接收功率值，h₁=10米时，测量的接收功率P_RT=-62.02dBm；】基站X【指当前基站，即获取P_R(i)对应的基站】相邻的两侧的基站对目标节点的信号强度分别：P_Rl、P_Rr，由P_Rl、P_Rr值的大小判断定位目标在该基站的哪一侧。

3.根据权利要求2所述的基于ZigBee的井下人员定位方案，其特征在于，V-T定位方法为基于d=vt+h₁定位，d为定位目标与基站X的距离，v为定位目标在近基站区域内的平均速度；基站X【指当前基站，即获取P_R(i)对应的基站】相邻的两侧的基站对目标节点的信号强度分别：P_Rl、P_Rr，由P_Rl、P_Rr值的大小判断定位目标在基站的哪一侧。

4.根据权利要求3所述的基于ZigBee的井下人员定位方案，其特征在于，平均速度的计算方法为：当判断一个定位目标进入近基站区时，开始对其进行计时；当判断该定位目标走出近基站区时，停止对其计时，并读取计时时间t₁；计算该定位目标平均运动速度：v=2h₁/t₁。【特殊情况下，如果定位目标从基站处开始进入，在这里的2h1用h1代替。】

如图1所示，将距基站A、B的h₁米以内范围设它们的近基站区，h₁米以外设它们的为远基站区。为了以下描述方便，假设定位目标从基站A向基站B的方向移动。在近基站区，采用RSSI定位算法，同时上位机对井下人员在近基站区的运动进行计时，假设从基站A至近基站A区域的右边界的距离h₁的计时时间为t₁，因此，获取的井下人员的运动平均速度v=2h₁/t₁；在远基站区，上位机对该人员从近基站A区域的右边界处重新计时，由计时时间t估计其在巷道远基站区距基站A的距离，如下式：

d=vt+h₁；

因此，可以通过上式来计算定位目标在远基站区距基站的距离，并由此来确定该人员在远基站区的精确位置。算法的流程图如图4。

算法步骤：

Step1：初始化，根据经验设定一个井下人员的默认速度V_def、基站A至近基站区的右边界处的距离h₁米需要最短时间T_min和最长时间T_max。如果此h₁米内所需时间t₁大于最长时间T_max，则该人员在该区域作业，而没有向前移动，如果h₁米内所需时间t₁小于最短时间T_min，则可能是***故障。在以上这两种情况下，***将默认该人员速度V_def；

Step2：判断定位目标进入近基站区，并开始计时；

Step3：判断定位目标离开近基站区，计时结束；

Step4：判断h₁米人员所需时间T_min<t₁<T_max，若是，则根据h₁米的距离和所需时间来获取平均速度v；否则，井下人员运动平均速度为默认速度V_def；

Step5：根据Step4的平均运动速度，估计人员所在巷道远基站区的实时位置；

Step6：判断人员是否在井下，若是，则转Step2；否则，结束循环。

ZigBee通信方案，该通信方案旨在排除基站、节点间的信号相互干扰，确保定位精度。方案将定位基站分为：主机站、从基站，加上定位目标构成了ZigBee定位通信***。主、从基站的区别在于主基站能够主动发出定位请求，从基站只接收定位响应。

ZigBee通信***基站布置图1所示，在矿井巷道上，主、从基站相间布置。定位基站与定位目标采取时分复用问答式通信方式：主基站按照定位目标ID号依次发出定位请求，定位目标接收到定位请求后采用广播的方式应答定位请求，然后主、从基站通过RS485总线依次将接收的目标定位信息上传到上位机中，上位机根据信息对定位目标进行定位和显示。ZigBee通信***数据流图和主基站工作时序图分别如图2、图3所示。

有益效果：

本发明的基于ZigBee的井下人员定位方法，基于ZigBee技术，将矿井巷道的某段视为直线或分段直线，并将该巷道两基站间的区域划分为两个区域：近基站区、远基站区。例如，在矿井巷道设置两个ZigBee模块的基站分别是主基站A和从基站B，距离60米，其中h₁=10米，如图1所示。结果表明，近基站区实验的测量最大绝对误差为3米，远基站区仿真的最大绝对误差为5米。与目前矿井常用的基于RFID井下定位***相比，本发明能实现井下人员的精确定位，而且能降低***成本。

附图说明

图1为矿井巷道及基站布置示意图；

图2为ZigBee定位***数据流图；

图3为主基站工作时序图；

图4为V-T算法流程图；

图5为本发明的总体流程图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

1、基站布置与ZigBee定位***通信

***中主基站、从基站和作为定位目标节点均采用ZigBee技术通信，由于井下人员定位***中定位基站、定位目标众多，而采取的又是基于RSSI的定位方式，在排除基站与基站、基站与定位目标、定位目标与定位目标之间的信号相互干扰的条件下实现ZigBee定位***的正常通信是首要解决的任务。

为了防止一个定位目标同时接收到多个定位请求的情况，这里将定位基站分为主基站和从基站，并在巷道中采取主、从基站间隔布置的方式，如图1所示，主基站和从基站的区别是主基站能发出定位请求，也能接收定位应答，而从基站只能接收定位应答。

ZigBee定位***的数据流图如图2所示，主基站是该ZigBee通信***的核心。主基站按照定位目标ID号依次发出定位请求，定位请求数据包包括：定位目标ID、基站ID。定位目标节点接收到定位请求后，核对接收到的定位目标ID与自己的ID是否一致。如果定位目标ID和自己的ID一致，则采用广播的方式向主基站和从基站进行应答定位请求，应答数据包包括：目标ID，主基站和从基站接收该应答数据包，并提取接收功率值P_R和相应的定位目标节点ID、主基站ID或者从基站ID构成一个新的发送数据包，然后主基站和从基站通过RS485总线依次将该发送数据包上传到上位机中，上位机根据信息对定位目标节点进行测距，并由已知基站的位置将目标节点转化为坐标在上位机进行图形化显示。如果定位目标ID和自己的ID不一致，则不做应答，等待下一个定位请求。

本发明中的广播通信与点对点通信方式的区别：点对点通信方式的发送设备（该发送设备可以是主机站、目标节点）的发送数据包包括：源ID号和目的ID号。而广播通信方式的发送设备（该发送设备只能是目标节点）的发送数据包只包括：源ID号，而不包括目的ID号。

主基站工作时序如图3所示，主基站有n个工作时序，每个时序内完成对一个定位目标的定位操作；每个工作时序又有4个时隙：请求、等待、接收、上传，如果定位目标没有应答响应，接收、上传时隙将直接跳过，以加快***定位扫描频率。

为判断定位目标所处位置区域以便确定定位算法，上位机对某一个基站上传的同一个目标节点的n个接收功率数据P_R[n]缓存于上位机，然后上位机对该缓存的n个接收功率数据P_R[n]与设定的阈值P_RT进行比较。其中，P_RT是根据矿井巷道的具体环境下设定，即近基站边界处测量的接收功率值，在本发明我们在某矿井巷道实验，设置基站到近基站边界处的距离为10米，即h₁=10米。从而测量的阈值P_RT=-62.02dBm。若有多于m(m<n)个P_R值大于阈值P_RT，则判断该目标处于近基站区，采用近基站区RSSI定位算法；否则判断为远基站区，采用远基站区V-T定位方法。

2、近基站区RSSI定位算法

若判断目标在近基站区，则采用近基站区RSSI定位算法对其进行定位，首先用高斯滤波模型对缓存中的n个P_R数据进行滤波处理，然后采用RSSI测距模型计算定位目标距离基站的距离。整个过程在上位机完成，具体步骤如下：

1）计算缓存数据P_R[n]的均值μ和标准差σ；

均值 $\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_R\left(i\right),$ 标准差 $\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(P_R\left(i\right)-\mathrm{\&mu;})}^2}.$

2）计算P_R的高概率发生区间[μ-0.84σ,μ+0.84σ]，并从P_R[n]中筛选出落入该区间的全部P_R值P_R[k],0<k≤n；

3）求P_R[k]的几何平均值

4）将代入公式求出目标距离该基站的距离d，其中P_R0是参考距离d₀=1米时的接收功率，衰减系数u是在矿井巷道采集到的数据，并由这些数据通过一元线性回归的方法获取；

5）根据基站的相邻两侧基站接收到的目标节点的接收功率，由以上两接收功率的强弱，判断目标节点在基站的哪一侧。如：左、右侧相邻基站接收到该目标节点功率分别为P_Rl、P_Rr,若P_Rl>P_Rr，则目标节点在该基站左侧，否则，在目标节点在该基站右侧。

6）根据测距结果，并由已知的基站坐标，将目标节点的位置转化为坐标在上位机进行图形化显示。

此外，近基站区还要估计定位目标的平均运动速度，具体步骤如下：

1）当判断一个定位目标进入近基站区时，开始对其进行计时；

2）当判断该定位目标走出近基站区时，停止对其计时，并读取计时时间t₁；

3）计算该定位目标平均运动速度：v=2h₁/t₁，其中h₁为近基站边界到处对应基站的距离，即近基站区域半径。

3、远基站区V-T定位方法

远基站区根据近基站区估计的定位目标平均运动速度v和该目标在进入该远基站区的时间长度t估计定位目标当前距离定位基站的距离，整个过程在上位机完成，具体步骤如下：

1）当判断一个定位目标进入远基站区时，开始对其进行计时；

2）读取近基站区估计的该目标平均运动速度v；

3）读取当前计时t；

4）利用公式d=vt+h₁计算目标距离该基站的距离d，其中h₁为近基站边界处到对应基站的距离，即近基站区域半径；

5）根据基站的相邻两侧基站接收到的目标节点的接收功率，由以上两接收功率的强弱，判断目标节点在基站的哪一侧，如：左、右边相邻基站接收到该目标节点功率分别为P_Rl、P_Rr,若P_Rl>P_Rr，则目标节点在该基站左侧，否则，在目标节点在该基站右侧；

6）根据测距结果，并由已知的基站坐标，将目标节点的位置转化为坐标在上位机进行图形化显示。

4、***实现说明：实现的流程图如图5所示。

实现步骤：

1）***初始化，根据目标节点的ID设置主基站要轮流循环广播的ID范围，由于实验采用了10个目标节点，其ID号范围（1000，1009）。因此，本发明设置主基站要轮流循环广播的ID范围是（1000,1009）。

2）主基站根据ID范围依次发起定位请求，其中数据包包括:主基站自身ID、目标节点ID。

3）目标节点判断是否为自己ID，若是，目标节点向主基站、从基站广播一个定位数据包；否则，等待下一个定位请求。

4）主基站、从基站接收目标节点广播的数据包，该数据包中包括：目标节点ID、接收功率值P_R。

5）主基站、从基站将接收到目标数据包，然后将该基站的ID、目标节点ID、接收功率值P_R添加到该基站的发送数据包，再通过RS485总线上传到上位机。

6）上位机缓存n个接收功率值P_R[n]数据，判断目标节点是在哪个区域。若有m个接收功率P_R大于阈值P_RT，则表明目标节点在近基站区域，因此采用RSSI算法，算出距基站的距离d，同时通过该基站相邻的两侧的基站对目标节点的信号强度分别：P_Rl、P_Rr，由P_Rl、P_Rr值的大小判断在基站的哪一侧；否则，目标节点在远基站区域采用V-T定位算法，算出距基站的距离d，同样通过以上方法确定目标节点在该基站的哪一侧。

7）转化为坐标进行图形化显示。

Claims (2)

1.一种基于ZigBee的井下人员定位方案，其特征在于，在巷道内设置有多个基站，基站包括多个主基站和多个从基站，主基站与从基站间隔设置；主基站与定位目标采取问答式通信方式，多个定位目标采取时分复用方式与主基站或从基站基于ZigBee通信；

按照距离h₁将两相邻基站之间的区域分为近基站区域和远基站区域，即定位目标与最近的基站的距离小于h₁时，表明定位目标处于近基站区域；否则定位目标处于远基站区域；

当定位目标处于近基站区时，采用RSSI定位方法定位；

当定位目标处于远基站区时，采用V-T定位方法定位；

所述的RSSI定位方法为：定位目标与最近的基站的距离其中P_R0是相对发射基站参考距离的接收功率，u为衰减系数；

$\stackrel{\&OverBar;}{P_R}=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_R\left(i\right),$ P_R(i)∈[μ-0.84σ,μ+0.84σ]；

其中，是P_R的平均值，k是n个P_R值中落入[μ-0.84σ,μ+0.84σ]的值的个数，均值 $\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_R\left(i\right),$ 标准差 $\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(P_R\left(i\right)-\mathrm{\&mu;})}^2};$

P_R(i)的获取方法如下：

与当前基站—记为基站X—通信连接的上位机缓存某一定位目标的n个接收功率值P_R[i]数据，若有m个接收功率P_R大于阈值P_RT，则表明定位目标在近基站区域，该n个P_R[i]数据为有效数据，其中，n是连续时间内，同一基站接收到同一目标节点的接收功率数据个数；

基站X相邻的两侧的基站对目标节点的信号强度分别为：P_Rl、P_Rr，由P_Rl、P_Rr值的大小判断定位目标在该基站的哪一侧；

V-T定位方法为基于d＝vt+h₁定位，d为定位目标与基站X的距离，v为定位目标在近基站区域内的平均速度；基站X相邻的两侧的基站对目标节点的信号强度分别为：P_Rl、P_Rr，由P_Rl、P_Rr值的大小判断定位目标在基站的哪一侧。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的井下人员定位方案，其特征在于，平均速度的计算方法为：当判断一个定位目标进入近基站区时，开始对其进行计时；当判断该定位目标走出近基站区时，停止对其计时，并读取计时时间t₁；计算该定位目标平均运动速度：v＝2h₁/t₁。