專利名稱：基于井下無線傳感器網(wǎng)絡的未知節(jié)點定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于井下巷道無線傳感器網(wǎng)絡的未知移動節(jié)點自定位方法，屬于井下無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點定位領域。
背景技術：
煤礦等井下環(huán)境監(jiān)測一直以來是安全監(jiān)控領域的重點內(nèi)容之一，隨著無線傳感網(wǎng)技術的廣泛應用，井下無線傳感網(wǎng)絡技術得到了長足發(fā)展。然而井下電磁環(huán)境復雜惡劣，諸如節(jié)點定位等關鍵問題尚未得到很好地解決，為了提高井下無線傳感網(wǎng)絡的高效性和可靠性，針對井下環(huán)境的節(jié)點定位是十分必要的。目前無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點定位主要包括基于測距的以及距離無關的兩種方式。1、對于基于測距的定位方法，由于基于全球定位系統(tǒng)等井上定位方法并不適于井下，井下通常先采用接收信號強度指示方法測距，然后再基于RSSI測距結果進行定位。但RSSI測距精度往往對井下狹長巷道、作業(yè)機械或機車等引起的惡劣電磁環(huán)境較敏感，致使其定位精度較低，且很不穩(wěn)定，同時具備RSSI測距功能的節(jié)點成本也相對較高。2、對于距離無關的定位方法，盡管其節(jié)點成本相對較低，但井下狹長的巷道結構卻也嚴重制約了現(xiàn)有距離無關定位方法的精度，原因在于現(xiàn)有的距離無關或無需測距的定位方法，如距離矢量-跳數(shù)(Dv-Hop)方法，是通過估計單跳跳距并結合跳數(shù)來估計未知節(jié)點與信標節(jié)點間距離實現(xiàn)進一步定位的，而狹長空間結構使僅占固定節(jié)點數(shù)量10%左右的信標節(jié)點很難發(fā)揮其已知位置在寬度較窄方向上的參考作用，影響了未知節(jié)點的定位精度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的不足，而提出一種基于井下無線傳感器網(wǎng)絡的距離無關未知節(jié)點自定位方法，以提聞定位精度，降低實施成本。該方法包括如下步驟:步驟1:沿井下巷道長度方向，從巷口至巷尾，在巷道兩側等間隔交錯布放固定節(jié)點，并對每個固定節(jié)點分配唯一的由巷道號和節(jié)點序號組成的ID號，所述巷道同一側相鄰的固定節(jié)點間隔低于通信距離的1/3 ；步驟2:每個固定節(jié)點向周邊轉發(fā)自身的ID號，未知節(jié)點利用與其相距跳數(shù)為I的固定節(jié)點的ID號計算出這些固定節(jié)點在巷道中的相對位置，從而實現(xiàn)未知節(jié)點自定位。進一步地，所述步驟2中的相距跳數(shù)為I的固定節(jié)點分為兩種情況:I)若這些固定節(jié)點ID號中的巷道號均相同，則未知節(jié)點與這些固定節(jié)點在同一巷道；2)若這些固定節(jié)點ID號中的巷道號有不同:①未知節(jié)點取這些固定節(jié)點ID號中相同巷道號數(shù)量多的巷道作為所在巷道；②若這些固定節(jié)點ID號中相同巷道號的數(shù)量一樣，則未知節(jié)點取這些固定節(jié)點ID號中節(jié)點序號最小的相應巷道作為所在巷道。
作為方案優(yōu)化，所述固定節(jié)點中還包括絕對位置已知的用于輔助定位的信標節(jié)點。技術效果:1、利用與未知節(jié)點相距I跳的固定節(jié)點信息直接估計未知節(jié)點的位置，降低了反射、折射、繞射等井下復雜電磁環(huán)境的干擾，且定位精度不受井下狹長空間結構的影響。2、提出了避讓處理方法解決交叉巷道處未知節(jié)點的定位，提高了定位精度。3、可避免依賴井下不穩(wěn)定的RSSI測距，而且也可避免采用Dv-Hop算法時因狹長巷道結構造成的算法精度急劇惡化現(xiàn)象。4、易于實現(xiàn)，節(jié)點成本低，無需精確布放固定節(jié)點，即可提高現(xiàn)有距離無關定位算法的定位精度并降低運算量。
圖1為實施例1的一段橫井的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點布放圖。圖2為實施例1的定位結果示意圖。圖3為實施例2的有分支井下巷道的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點布放圖。圖4為實施例2的定位結果示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明方法的步驟詳述如下:步驟1:沿井下巷道長度方向，從巷口至巷尾，在巷道兩側等間隔交錯布放固定節(jié)點，并對每個固定節(jié)點分配唯一的由巷道號和節(jié)點序號組成的ID號。井下巷道長度通常至少幾百米，而寬度或高度卻不足5米，受作業(yè)機械、機車等影響，井下無線通信距離在50米左右，電磁干擾情況復雜。因此本方法不采用隨機布放固定節(jié)點的方式，而是沿井下巷道長度方向、不緊貼巷壁在巷道兩側等間隔交錯放置固定節(jié)點，同一側相鄰的固定節(jié)點間隔Dx低于通信距離的1/3。如圖1所示的一段橫井，巷道長度方向設為X軸，平行于X軸方向的粗實線表示巷壁，兩側交錯部分的起始固定節(jié)點的X坐標分別為O和Dx/2 ;巷道寬度方向設為y軸，Dy為相鄰交錯的固定節(jié)點間隔，Dy略小于巷道寬度，巷道兩側固定節(jié)點的I坐標分別為Dy/2、-Dy/2。節(jié)點坐標反映的是節(jié)點在巷道中的相對位置。這些固定節(jié)點由兩類組成，一類是圖1中“Λ”標記的信標節(jié)點，負責收集并向匯聚節(jié)點轉發(fā)附近節(jié)點所監(jiān)測的環(huán)境信息，信標節(jié)點的絕對位置已知；另一類是標記的非信標固定節(jié)點，主要負責收集所在位置的環(huán)境數(shù)據(jù)，其布放的相對位置與ID序號相關，但允許存在誤差，即低精度布放，其布放的累積誤差由信標節(jié)點控制，X軸、y軸方向分別不會超過Dx/2、Dy/2。固定節(jié)點的ID號的前一段為所在巷道號，后一段為在該巷道中的節(jié)點序號，因此由固定節(jié)點的ID信息可以粗略估計它在巷道中的相對位置。步驟2:每個固定節(jié)點向周邊轉發(fā)自身的ID號，未知節(jié)點利用與其相距跳數(shù)為I的固定節(jié)點的ID號計算出這些固定節(jié)點在巷道中的相對位置，從而實現(xiàn)未知節(jié)點自定位。井下作業(yè)人員在無線傳感網(wǎng)絡中通常作為未知節(jié)點(移動節(jié)點)，定位主要是指這些節(jié)點的定位。未知節(jié)點隨機散布在巷道中，其數(shù)量、分布因作業(yè)需求而不同。首先固定節(jié)點向周邊轉發(fā)自身的ID號，然后未知節(jié)點根據(jù)收到的ID號獲知固定節(jié)點所在的巷道號和序號，本方法中未知節(jié)點只利用與其相距跳數(shù)為I的固定節(jié)點的ID號估計出這些固定節(jié)點在巷道中的相對位置，并利用這些固定節(jié)點進行自定位。相距跳數(shù)為I的固定節(jié)點分為兩種情況:I)若這些固定節(jié)點ID號中的巷道號均相同，則未知節(jié)點與這些固定節(jié)點在同一巷道。這種情況下僅用未知節(jié)點鄰域的固定節(jié)點信息進行定位，方法如下:設第i個未知節(jié)點的坐標為(Mxi, Myi),該未知節(jié)點收到的固定節(jié)點ID有Ni個，均來自同一巷道P，節(jié)點序號分別是Ij，j=l，...，^它們的坐標(SXj，Syj)可以由下式估計:
權利要求
1.一種基于井下無線傳感器網(wǎng)絡的未知節(jié)點定位方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:沿井下巷道長度方向，從巷口至巷尾，在巷道兩側等間隔交錯布放固定節(jié)點，并對每個固定節(jié)點分配唯一的由巷道號和節(jié)點序號組成的ID號； 步驟2:每個固定節(jié)點向周邊轉發(fā)自身的ID號，未知節(jié)點利用與其相距跳數(shù)為I的固定節(jié)點的ID號計算出這些固定節(jié)點在巷道中的相對位置，從而實現(xiàn)未知節(jié)點自定位。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于井下無線傳感器網(wǎng)絡的未知節(jié)點定位方法，其特征在于:所述巷道同一側相鄰的固定節(jié)點間隔低于通信距離的1/3。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于井下無線傳感器網(wǎng)絡的未知節(jié)點定位方法，其特征在于:所述固定節(jié)點中還包括絕對位置已知的用于輔助定位的信標節(jié)點。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于井下無線傳感器網(wǎng)絡的未知節(jié)點定位方法，其特征在于:所述步驟2中的相距跳數(shù)為I的固定節(jié)點分為兩種情況: 1)若這些固定節(jié)點ID號中的巷道號均相同，則未知節(jié)點與這些固定節(jié)點在同一巷道； 2)若這些固定節(jié)點ID號中的巷道號有不同: ①未知節(jié)點取這些固定節(jié)點ID號中相同巷道號數(shù)量多的巷道作為所在巷道； ②若這些固定節(jié)點ID號中相同巷道號的數(shù)量一樣，則未知節(jié)點取這些固定節(jié)點ID號中節(jié)點序號最小的相應巷道作為所在巷道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于井下無線傳感器網(wǎng)絡的未知節(jié)點定位方法，屬于井下無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點定位領域。該方法首先沿井下巷道長度方向，從巷口至巷尾在巷道兩側等間隔交錯布放固定節(jié)點，并對每個固定節(jié)點分配唯一的ID號，未知節(jié)點利用與其相距跳數(shù)為1的固定節(jié)點的ID號計算出這些固定節(jié)點在巷道中的相對位置，從而實現(xiàn)未知節(jié)點自定位。本發(fā)明無需精確布放固定節(jié)點，可解決交叉巷道處的節(jié)點定位，定位精度高，運算量低，易于實施。
文檔編號H04W84/18GK103096463SQ20131000549
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權日2013年1月8日
發(fā)明者邱曉暉 申請人:南京郵電大學