（计算机系统结构专业论文）井下定位系统数据采集与处理的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前，国家对煤矿安全生产的重视程度已提高到前所未有的高度，但是煤矿安全生 产事故还是不断地发生，而事故发生后抢险救灾和安全救护的不力，在很大程度暴露出 目前的监控系统所存在的诸如对井下工作人员管理困难和无法实时定位跟踪井下工作 人员等问题。 本文着手于解决上述问题，介绍了以无线传感器网络技术为平台的井下定位系统的 设计与实现。该系统由数据采集子系统、数据处理子系统和地面监控中心的管理子系统 三部分组成。数据采集子系统采集移动定位终端的定位数据，然后将数据发送至数据处 理子系统，由其完成对数据的分析与处理，并对井下工作人员进行精确的定位计算，最 后将结果发送至管理子系统，从而完成对井下工作人员的实时定位跟踪。 本文介绍了无线传感器网络中几种比较典型的路由协议以及定位算法，分析了它们 的优缺点，结合实际情况提出了系统的定位原理；同时，介绍了系统的需求与功能、组 成与结构，并详细介绍了各子系统之间的通信协议；最后详细阐述了采集子系统和处理 子系统的设计与实现，包括采集子系统的程序框架设计、路由协议的设计、i o 通信程 序的设计以及定位算法的设计。 此外，本文分析了2 4 g h z 无线电磁波在自由空间的传播模型，针对煤矿井下巷道 的特殊环境，充分考虑无线电磁波实际传播损耗特性与理论的差异，对其进行分段拟合， 为每个巷道的传播模型单独用分段函数表示，并根据煤矿井下巷道的结构特点提出了路 径的概念以及基于信号强度的定位算法。通过实验，结果表明，算法的定位精度能满足 大规模煤矿的要求。 关键词：煤矿安全；事件驱动；定位；传播模型 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gf o r p o s i t i o n i n gs y s t e mi nm i n e a b s tr a c t a tp r e s e n t , t h ea t t e n t i o no fs a f ep r o d u c i n gi nc o a lm i n eh a sb e e ni n c r e a s e dt oa n u n p r e c e d e n t e dl e v e lb ys t a t e ，b u ta c c i d e n t so c c u rc o n s t a n t l yi nc o a lm i n e ，a n dt h ep o o rr e s c u e a f t e rt h ea c c i d e n te x p o s e st h ec u r r e n tm o n i t o r i n gs y s t e m sf l a w s f o re x a m p l e ，i t sd i f f i c u l tt o m a n a g ew o r k e r si nt i m ea n d i ta l s oc a n tp o s i t i o na n dt r a c kt h e m t h i sp a p e ri n i t i a t e st or e s o l v et h e s ei s s u e sa n di n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fap o s i t i o n i n gs y s t e mi nm i n eb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y t h es y s t e m c o n s i s t so fd a t a a c q u i s i t i o ns u b s y s t e m ，d a t ap r o c e s s i n gs u b s y s t e m a n dm a n a g e m e n t s u b s y s t e mo fg r o u n dc o n t r o lc e n t e r d a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e mc o l l e c t i o n sp o s i t i o n i n gd a t a f r o mm o b i l ep o s i t i o n i n gt e r m i n a l ，a n dt h e ns e n d st h e mt od a t ap r o c e s s i n gs u b s y s t e m ，d a t a p r o c e s s i n gs u b s y s t e mc a l c u l a t e st h ep o s i t i o no fw o r k e ri nm i n ea c c u r a t e l ya f t e ra n a l y s i st h e i n f o r m a t i o n ，a n dt h e ns e n d st h er e s u l t st ot h em a n a g e m e n ts u b s y s t e mt oc o m p l e t et h e r e a l - t i m ep o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n go fw o r k e r si nm i n e t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lt y p i c a lr o u t i n gp r o t o c o l sa n dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m si n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a n a l y s e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n dt h e nt h el o c a t i o n p r i n c i p l ei sp r o p o s e db a s e do nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n t h er e q u i r e m e n t sa n df u n c t i o n s a sw e l l a st h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s b e t w e e ne a c hs u b s y s t e ma r ea l s op r e s e n t e di nd e t a i l l a s t l y ，t h ep a p e re x p o u n d st h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h ea c q u i s i t i o ns u b s y s t e ma n dp r o c e s s i n gs u b s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n o fp r o g r a mf r a m e w o r k , r o u t i n gp r o t o c o l s ，i oc o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n dt h el o c a t i o n a l g o r i t h m si nd e t a i l i n a d d i t i o n , t h ep a p e ra n a l y s i s t h e p r o p a g a t i o nm o d e l o ft h e2 4 g h zw i r e l e s s e l e c t r o m a g n e t i cw a v ei nf r e es p a c e a c c o r d i n gt ot h es p e c i a ls u r r o u n d i n g so fl a n e w a y i nc o a l m i n e ，p i e c e w i s ef i t t i n gi sm a d ea f t e rc o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c e so f w i r e l e s se l e c t r o m a g n e t i c w a v e sp r o p a g a t i n gp r o p e r t yb e t w e e nt h e o r ya n dp r a c t i c es e r i o u s l y ；d i f f e r e n tl a n e w a y s p r o p a g a t i o nm o d e li ss h o w e db yd i f f e r e n tp i e c e w i s ef u n c t i o n t h ec o n c e p to fp a t hi sp r o p o s e d b a s e do nt h es t r u c t u r ef e a t u r eo fl a n e w a y si nc o a lm i n e ，a sw e l la st h ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m b a s e do nr s s i t h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c c u r a c yo ft h e p o s i t i o n i n ga l g o r i t h mm e e t st h er e q u i r e m e n t so fl a r g e - s c a l ec o a lm i n e s k e yw o r d s ：s a f e t ) rc o a lm i n e ；e v e n t - d r i v e n ；p o s i t i o n i n g ；p r o p a g a t i o nm o d e l i i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：茎王垫至至鱼盏亟叠塾塾丝兰坠丑量耋丝 作者签名：粒一一 日期：2 1 翌年l 月l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题背景 我国煤炭资源十分丰富。煤炭工业是我国重要的基础能源产业，在我国能源供给结 构中处于重要战略地位，在能源消费结构中也处于主导地位。2 0 0 7 年煤炭在我国一次能 源生产和消费结构中的比重分别占7 6 和6 9 ，预计到2 0 5 0 年在一次能源生产中仍将 占5 0 左右。随着中国经济快速增长，预期“十一五”期间国内煤炭需求将继续保持快 速增长。“十一五”期间，我国国民生产总值增长速度约为7 5 8 5 ，年均煤炭消费增 长量约为4 4 5 。 我国的煤炭产量主要来自于煤矿井下开采。煤矿井下开采作业相对于其它职业来说 是危险系数较高的一项职业，在我国更是如此。虽然经过了几年的治理和整顿，但国内 煤矿生产安全状况依然不尽人意。我国作为世界上最大的产煤国，百万吨煤炭产量的死 亡率达6 人，是世界平均数的1 2 倍，更是美国的1 0 0 倍。每年死于煤矿事故的官方数 字是6 0 0 0 人。这不仅给人民群众造成了巨大的痛苦，国家财产遭受损失，增加了社会 的不稳定因素，而且严重影响了我国在国际上的形象，也成为西方某些国家以借人权干 涉中国内政的借口之一。 事故的发生是不确定的。近年来，随着对煤炭需求量的不断增大，全国各地煤矿事 故时有发生。事故发生后必须依据当时情况，采取果断的措施进行处理，对井下人员进 行紧急抢救。但鉴于目前国内煤矿生产的现状，地面监控人员对井下工作人员的监控由 于受各种条件的限制还很不完善，井下工作人员的情况不能及时反映给救援人员，导致 事故发生时不能及时、准确地得到井下工作人员的信息，从而无法做出正确的决策，给 救援工作的开展增加了很大的难度，以致会造成抢险不及时，有可能耽误对生命的抢救。 为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行 煤矿安全监测职能，有效进行井下工作人员管理，保证抢险救灾、安全救护的高效实施 显得尤为重要和紧迫。 目前我国大中型煤矿及众多乡镇煤矿均已大量装备了煤矿安全生产监控系统，这极 大地改善了我国煤矿安全生产状况，有效遏制了重特大瓦斯煤尘爆炸事故的发生。但这 些安全生产监控系统还普遍存在井下工作人员管理困难，无法实时跟踪井下工作人员位 置，当事故发生时不能准备报告遇险人员的具体位置，因而难以为救援提供可靠的技术 保障。 井下定位系统数据采集与处理的设计与实现 因此，开发新型的井下定位系统，实现对井下工作人员的实时跟踪和定位，增强地 面监控人员对井下工作人员的监控管理能力，实时清楚地掌握每个工作人员的位置及活 动轨迹，有着重要的经济效益和社会效益。 1 2国内外研究现状及发展 对于井下定位技术的研究，最早的可以追溯到1 9 9 1 年南非德比尔公司的芬什矿山 使用的地下矿铲运机自动测位系统【l 】，该系统在矿山四周的关键位置布置了一组红外邻 近效应探测器。当车辆通过某探测器下面时，装在车上的红外线发射器向该探测器发射 一个用于识别该车辆的数码，这个数码被传到一个控制着调度过程的中央计算机。该系 统中的红外线探测器之间需要设置识别环路设备，这意味着基础设施费用提高，并且系 统的灵活性较差。 1 9 9 4 年在南非普雷米尔( p r e m i e r ) 金刚石矿安装了一种微波信标系统，它包括一 个车上安装的监测器【2 j 。该监测器连续探测设在矿山周围各关键点的微波信标是否出现， 该信标为圆柱形，用电池供电，发射超过3 米范围的统一调制识别信号。 1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种基于射频识别( r f i d ) 技术【3 】的人 员探测系统，用于监测矿工是否进入危险地带。这个系统使用顶板安装的天线，用来监 控装在每个矿工帽上的小型无源信标，进而可以知道各个天线所覆盖范围内的人员情 况。 目前，随着国家对煤矿安全的日益重视和监管力度的不断加强，我国大中型煤矿及 广大乡镇小煤矿已装备了煤矿安全生产监控系统。国内也有很多企业开始从事井下人员 定位与管理系统的研究与开发，如北京凌天世纪自动化有限公司研制的k j l 5 5 型矿用人 员跟踪考勤系统、维深电子研制的井下人员跟踪系统以及上海秀派电子科技有限公司研 制的井下人员及设备跟踪系统等。上述系统基本上都是采取的r f i d 技术。这类系统通 过在矿井入口处以及一些关键通道入口处使用射频卡读写系统来实现对下井工作人员 的登记记录，从而进行跟踪定位。实际上这只是实现了人员的粗定位，即只是将人员定 位在一定的范围内，而没有把人员定位在一个具体的位置点上，因此不能实现人员的实 时跟踪和定位。 另外，这类系统还存在以下几个问题： ( 1 ) 射频卡读写系统读写距离非常有限，它只能用于上下矿井人员的考勤记录； ( 2 ) 射频卡读写系统使用的通信频率较低，抗干扰能力差； ( 3 ) 射频卡读写系统读写速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读写系统的情 况。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 如果使用用于远距离识别的有源r f i d 系统，不仅读写器需要固定位置安装， 对卡的方向位置和读写器天线方向的匹配也有一定的要求，因而系统的灵活性大受限 制，而且整个系统也不再具备成本优势。 近年来，随着传感器、电子、自动控制、计算机和信息传输这些领域新成果、新技 术的不断出现，使用无线传感器网络来研制矿井综合监控系统成为了该领域的研究热 点。 1 3 本文主要内容和组织结构 根据国内外研究现状及国内煤矿行业的具体实情，结合煤矿作业的特殊要求，本文 采用无线传感器网络技术设计并实现了一种新型的井下定位系统。 本文主要以井下定位系统中的数据采集与处理过程作为重点进行论述，所做的工作 主要有如下几项： ( 1 ) 分析目前几种典型的无线传感器网络路由协议；讨论国内外几种重要的定位算 法，并分析其可靠性，确定系统中的定位原理。 ( 2 ) 分析井下定位系统的需求、功能、组成与结构，设计系统中的通信规范。 ( 3 ) 讨论基于事件驱动的程序设计流程，针对单片机的特点设计基于消息循环的程 序框架：设计面向煤矿井下巷道的无线传感器网络路由协议。 ( 4 ) 讨论了系统中的i o 通信程序设计，针对其存在的问题提出解决方案；设计一 种适合煤矿井下环境的定位算法。 论文共分为五章。第一章为绪论，介绍了选题背景以及国内外定位技术的概况；第 二章详细介绍了典型的无线传感器网络路由协议以及定位算法，并提出了系统的定位原 理；第三章阐述了井下定位系统的总体设计，包括系统需求与功能、组成与结构以及详 细的通信规范；第四章详细介绍了数据子采集系统的设计与实现，包括基于消息循环的 程序框架设计，路由协议的设计，移动定位终端、基准定位器以及协调器的软件设计； 第五章详细介绍了数据处理子系统的设计与实现，包括串口程序设计，套接字程序设计， 定位算法的设计以及a r m 平台应用程序和上位机服务器应用程序的设计；结论部分对 本文的工作进行了总结，并提出了系统存在的问题和需要改进的地方以及对下一步研究 工作的展望。 井下定位系统数据采集与处理的设计与实现 2 相关技术背景介绍 2 1is m2 4 g h z 频段 i s m 频段即工业、科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以 用于工业、科学研究和微波医疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一 定的发射功率( 一般低于lw ) ，并且不要对其它频段造成干扰即可。i s m 频段在各国 的规定并不统一，如在美国有三个频段9 0 2 9 2 8 m h z 、2 4 0 0 2 4 8 4 5 m h z 以及 5 7 2 5 5 8 5 0 m h z ，而在欧洲9 0 0 m h z 的频段则有部分用于g s m 通信。 2 4 g h z 为各国共同的i s m 频段，因此无线局域网、蓝牙以及z i g b e e 等无线网络均 可工作在2 4 g h z 频段上。 了解电磁波的传播损耗特性是进行无线组网的基础，研究2 4 g h z 电磁波的传播损 耗特性对无线传感器网络有着重要的意义。在任何情况下，传播模型把信号强度在传播 过程中的损耗与两个终端之间的距离联系起来了。因此，要对2 4 g h z 电磁波传播损耗 特性进行研究，找到在不同环境下2 4 g h z 电磁波传播的传播模型。 电磁波传播损耗特性的研究方法通常可以分为以下三种模式：经验模式、确定性模 式和半经验或半确定性模式【4 】。 经验模式是根据大量的测量结果统计分析后导出的公式。用经验模式预测传播模型 的方法简单，不需要相关环境的详细信息，而且可以很容易和快速地应用它们，但是不 能提供非常精确的传播损耗估算值。 确定性模式是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法。目前基于确定性模 式的方法已经有很多种，但在许多环境情况下，确定性的传播模型预测是一种极其复杂 的电磁问题，这使它不可能预测高度精确的电磁波的传播损耗特性。 半经验或半确定性模式是基于经验模式和确定性模式的一种折中的方法。它是基于 确定性方法用于一般环境中导出的传播模型。为了改善它们和实验结果的一致性，则需 要对传播模型进行修正。 2 2 无线传感器网络路由协议综述 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括寻找源节 点和目的节点之间的优化路径以及将数据分组沿着优化路径正确转发两个方面。在无线 传感器网络中，节点的能量有限且一般情况下没有能量补充，因此其路由协议需要高效 地利用能量。同时传感器节点数目庞大，节点只能获得局部拓扑信息，路由协议要在获 得的局部拓扑信息上选择合适的路径。 大连理工大学硕士学位论文 无线传感器网络路由协议具有很强的应用相关性，不同的路由协议适用于不同的无 线传感器网络。另外，路由协议中常常结合了数据融合和数据管理机制，通过减少传送 的信息来节省能量。一个网络设计的成功与否，路由协议非常关键。无线传感器网络中， 大多数节点无法直接与网关通信，需要经过中间节点进行多跳路由。 2 2 1已有无线传感器网络路由协议分类 无线传感器网络路由协议可以从网络拓扑结构和协议工作特性两个方面划分【5 1 ，如 图2 1 所示。 图2 1 无线传感器网络路由协议分类 f i g 2 1 t h et a x o n o m yo fr o u t i n gp r o t o c o l si nw s n s 2 2 2 典型路由协议分析 ( 1 ) 平面型路由协议 在平面型路由协议中，每个传感器节点有着相同的地位和作用，所有传感器节点共 同执行收集信息的任务。由于节点数量的庞大，因此不可能为每个节点赋予一个全局的 标号。该种路由协议适用于以数据为中心的路由协议，由s i n k 节点对网络发送查询信 息，查询信息包括感兴趣的区域和感兴趣的数据类型，节点在接收到查询消息时，按查 询要求发送数据。该种协议比较典型的有洪泛( f l o o d i n g ) 路由协议、基于协商的路由 协议s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 1 6 】和定向扩散( d i r e c t e d d i f f u s i o n ) t 卜州协议。这三种协议提出的许多设计思想对以后协议的设计具有重要的影响。 f l o o d i n g 和g o s s i p i n g f l o o d i n g 是最早的一种无线路由协议，它不需要维护网络拓扑结构和计算路由，接 收到消息的节点以广播的形式转发数据。f l o o d i n g 实现简单，是目前采用最为广泛的一 种路由协议。但是，由于其转发数据的盲目性，带来了“内爆”和“重叠”现象。 井下定位系统数据采集与处理的设计与实现 如图2 2 所示，节点a 向节点b 和c 发送d a t a 数据，节点b 和c 又向其邻居节 点d 发送该d a t a 数据，因此，节点d 在短时间内收到两个d a t a 数据。在有众多节 点的传感器网络中，由于各节点都参与数据的中转，因而造成传输数据成倍地增长。 图2 2 洪泛中的“内爆”现象 f i g 2 2 t h ei m p l o s i o np r o b l e mi nf l o o d i n g 在图2 3 中，节点a 感知区域为q 和r ，节点b 感知区域为r 和s 。节点a 和b 向节点c 发送自身感知数据时，监测区域发送了两次，因此造成了数据冗余现象的产生。 、 ，r 、 ， ， 、 q + i m ) 个未知节点( 编号朋+ 1 n ) 组成，钞。，y 2 ，虬) 表示这玎个节点的位 置， y 。，y ：，y 。) 表示m 个信标节点的位置，z 表示所有节点之间的距离向量，那么定 位问题就可以用下面的关系式来表示： 以，咒，刁叫m ，儿，以) ( 2 1 ) 定位问题的关键就是要找到式( 2 1 ) 中的转化关系，使这个关系式的前后保持一 一对应，转化关系厂在具体的算法中可以是矩阵方程、坐标图等。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 。2 三类定位算法 针对无线传感器网络本身的特点以及所应用的环境，目前已经提出了多种不同的定 位算法，这些定位算法主要分为三类：基于直接测量距离或角度的定位、基于多跳通信 的定位和基于坐标系统转换的定位。 ( 1 ) 基于直接测量距离或角度的定位算法 基于直接测量距离或角度的定位算法根据测量距离和角度的技术不同可以进一步 分为：利用r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) 的定位【l 州、利用t o a ( t i m eo f a r r i v a l 的定位【2 0 1 、利用t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 的定位【2 1 j 和利用a o a ( a n g l e o f a r r i v a l ) 的定位【2 2 1 。这类定位算法通常是三步法定位：第一步是测量未知节点到信标 节点的距离或角度；第二步是利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算未知 节点的坐标；第三步是利用未知节点到邻居节点的距离来修正未知节点的坐标。基于直 接测量距离或角度的定位算法一般需要较高的信标节点密度或者计算和通信能力较强 的信标节点，而且除了r s s i 测距技术外，其它三种都要求额外的软硬件支持。 ( 2 ) 基于多跳通信的定位算法 基于多跳通信的定位算法与第一类基本相同，不同之处在于未知节点到信标节点的 距离或角度是通过多跳通信的方法间接获得的，这类算法包括d v h o p 和 d v d i s t a n c e 2 3 1 、d v b e a r i n g 、d v r a d i a l 【2 4 1 和h o p t e r r a i n 2 5 1 。定位的第一步是信标节 点把它的位置信息扩散到整个网络中，同时获得未知节点到信标节点的距离或角度，这 个过程称为矢量路由，最后每个节点计算它的坐标。矢量路由使得一个信标节点以多跳 通信的方式被网络中所有节点所利用，因而相对于第一类算法，它需要的信标节点密度 大大下降，而且不需要信标节点有更强的能力，可以和未知节点完全一样。在节点密度 高、分布均匀的网络中，这类定位算法的定位性能较好，但是在节点密度低和不规则网 络中，它的定位精确度下降，因为在矢量路由过程中的累积误差使得最后得到的距离或 角度误差很大。 ( 3 ) 基于坐标系统转换的定位算法 基于坐标系统转换的定位算法的基本思想是首先建立一系列包含部分节点的局部 坐标系统，然后通过相邻坐标系统包含的公共节点，把所有局部坐标系统融合成一个全 局坐标系统，这个坐标系统表示节点的相对坐标，最后需要利用信标节点把它们转换为 绝对坐标【2 酬。一方面，在建立局部坐标系统的过程中，这类算法只利用了单跳或两跳邻 居节点之间的距离，没有累积误差或者误差很小，另一方面，需要的信标节点密度较低， 理论上，二维网络只需要3 个信标节点，三维网络只需要4 个口7 1 ，如果不要求绝对坐标， 则不需要信标节点。从以上两方面可以看出，基于坐标系统转换的定位算法结合了前面 井下定位系统数据采集与处理的设计与实现 两类算法的优点，但是性能上并未提高很多，原因是这类算法复杂度大大提高，局部坐 标系统的融合以及相对坐标到绝对坐标的转换都会带来很大的计算和通信消耗，而且局 部坐标系统的转换和融合过程会引用误差传递，导致累积误差的产生。 2 3 3 基于测距的定位算法 本文讨论的井下定位系统主要采用了基于r s s i 的测距技术。本节主要介绍两种应 用广泛的基于测距的定位算法，即多边定位法( m u l t i l a t e r a lp o s i t i o n i n g ) 和三边定位法 ( t r i l a t e r a lp o s i t i o n i n g ) 1 2 8 。 ( 1 ) 多边定位法 如图2 7 所示，己知参考点4 ，鸣，4 ，的坐标( x 。，y 。) ，( x ：，y ：) ，( x 。，y 。) 。 a i 图2 7 多边定位法 f i g 2 7 m u l t i l a t e r a lp o s i t i o n i n g 设待定位的节点m 的坐标为( x ，y ) ，则有 ( x - x i ) 2 + t y - y i ) 22 五2 ( x o x 2 ) 2 + t y - y 2 ) 2 = 1 2 2 ： ( x - x 。) 2 + t y - y 。) 2 = 2 将式( 2 2 ) 写成线性方程a x = 6 的形式，其中 a = 2 ( x i x 。) 2 ( x 2 一工。) 2 ( 霸一l 一工。) 2 ( y i y 。) 2 ( y 2 一y 。) 2 ( 儿一l 一少。) 6 = x 1 2 一2 + y 1 2 一y ”2 一2 + 厶2 x 2 2 一x n 2 + y 2 2 一y 月2 一，2 2 + 2 ； 石一1 2 一矗2 + 儿一1 2 一夕h 2 0 一1 2 + 名2 小 习 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 节点的坐标 ，力可以通过式( 2 3 ) 中x 的最小均方误差( m m s e ) 估计子 又= 似7 4 ) 一a7 西求解，故多边定位法又称最大似然估计法。 ( 2 ) 三边定位法 三边定位是多边定位的特例，即刀= 3 的情况。理想情况是以参考点位置( x iy ，) 和 距离t 确定三个圆相交于一点，这一点就是节点的估计位置。然而，实际应用中，每次 测距的结果均有误差，三个圆不相交于一点，通常采用多边估计使用的最大似然估计法 求解待定位节点的坐标，根据多边定位的估计子可以计算节点的位置。 显然，这两种算法均着眼于二维平面定位，要求第一阶段的测距结果准确无误，且 计算量偏大，难以将其直接用于矿井这种特殊的环境。 2 4 系统定位原理 本文中的定位算法的主要理论是电磁波的自由空间传播模型【2 9 】。当发射端和接收端 之间存在一个明确的、未被阻塞的直射路径时，自由空间的传播模型可用来预测接收信 号的强度。具体说来，在自由空间，接收机天线接收到的信号功率只是发射一接收距离 d ( 单位：米) 的函数，并服从逆平方律扩展，即 w ) = 糕 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，只为发射功率；g t 和g ，分别为发射天线增益和接收天线增益；l 是 与传播无关的系统损耗因子( l 1 ) ，包括发射衰减、滤波器损耗和天线损耗等；允为 波长。 上式一般用来对位于远场区域的某距离d 预测该处的接收功率，此时通常需要选择 一个已知的接收功率参考点d 。参考点d 。的选择原则是：它既要位于远场区域即 a o d ，( d ，为超越远场距离，或称f r a u n h o f e r 距离) ，又要小于移动通信系统的实际 作用距离。对于工作频率为2 4 g h z 左右，使用低增益天线的通信系统，d 。典型取值为 1 米( 室内环境) 。参考点的接收功率只( 矾) 由实测获得。以只( d 。) 作为参照，自由空 间的接收功率可以用下式计算： p ( d ) = 只( 盛) ( 导) 2 表示成对数形式如下： p , , ( d ) d b m = g ( d o ) d g m + 2 0 l o g l o ( 晋) ( 2 5 ) 井下定位系统数据采集与处理的设计与实现 只要确定d 。和只( d 。) ，根据式( 2 5 ) 的模型，如果能够测量接收功率只( d ) ，就可 以估算出发射端与接收端之间的距离d 。 在矿井巷道这种近似一维的环境下，若存在两个或两个以上的基准定位器同时接收 到来自同一移动定位终端的信号，并获得其r s s i ，就可以通过专门的定位算法确定其 相对于基准定位器的位置。而基准定位器在矿井巷道中的位置是已知的，将其与相对位 置信息进行融合，即可确定移动定位终端在整个矿井中的具体位置信息，这就是本系统 中使用的定位算法的基本原理。 但是，由于各种环境因素以及干扰的存在，电磁波的实际传播模型与式( 2 5 ) 的理 论传播模型有一定的差别，因此必须对其做出相应的修正。本文将在5 3 节中进行详细 论述。 2 5 本章小结 本章介绍了i s m2 4 g h z 频段的相关知识；详细描述了无线传感器网络中常见的路 由协议；讨论了目前比较流行的定位算法原理并分析了其优缺点；根据系统特性及目f j i 技术背景提出了井下定位系统的定位原理。 大连理工大学硕士学位论文 3 井下定位系统总体设计 井下定位系统可分为二部分，分别是数据采集子系统和数据处理子系统。数据采集 子系统包括移动定位终端、基准定位器和定位分站中的协调器。数据处理子系统包括定 位分站中的a r m 平台和上位机服务器。 3 1 系统需求与功能 定位分站中的a r m 平台收集数据采集子系统发送过来的数据，并在上位机服务器 中进行处理；同时上位机服务器将处理结果写入数据库或是通过套接字通信直接发给客 户端管理系统进行显示。井下定位系统要实现如下具体功能： ( 1 ) 当前井下人员分布 根据煤矿井下实际情况绘制井下巷道的结构图，并显示当前井下工作人员总数、三 维显示各个巷道上的工作人员以及以列表形式显示各区域当前工作人员及总数。该图是 动态的，随着井下人员的入井和出井以及移动，该图会实时更新。 ( 2 ) 井下人员考勤管理 统计每个工作人员的出入井时刻、出入重点区域时刻以及出入限制区域时刻。根 据这些统计信息计算工作人员的出勤情况和工作量，以及实现对特殊区域和人员超时等 的监控。 ( 3 ) 查找井下人员的活动路线 可以根据工作人员编号查询其在某个特定时间段内的活动路线并三维显示出来。 ( 4 ) 系统报警功能 包括环境监测值超标报警、设备故障报警、异常人员报警、禁区报警、人员求救报 警、区域超员报警、人员超时报警、移动定位终端故障报警以及移动定位终端非法报警 等。系统把这些紧急事件或可能引起安全事故的安全隐患，以醒目的方式显示给操作人 员，从而对其进行处理，防患于未然，杜绝事故的发生。 ( 5 ) 语音通信功能 地面监控人员可以通过客户端管理系统向移动定位终端发送语音数据，来完成与井 下工作人员的通信。 3 2 系统组成与结构 井下定位系统是集软硬件设计于一体的综合自动化监控系统，主要由客户端管理系 统、上位机服务器、数据库服务器、定位分站、基准定位器、移动定位终端以及环境 监测分站组成。系统的组成与结构如图3 1 所示。 卜f 定位系统数据采集与处理的设计与实现 井【诗| ：分 井下部分 r 他蚴妒躺鞴紫站 f舀一趟w 舀rm 州一。舀”“m 。i ，舀 888 888 。仃 携带移动定位终端的t 作人员 风速c o 甲烷温度 剀 f 1 93 s y s t e ma r c h i t e c t u r e 用多个定位网络覆盖整个煤矿，各】捌络之叫用光纤网络瓦连，并与上位机服务器连 网。定位网络中的移动定何终端安装在每个 ：作人员的安全帽上，基准定位器定时r 播 带有该基准定位器编号的无线信号：附近的移动定位终端接收无线信号的同时，检测其 信号强度r s s i ，并将自己的编引坩加到陔信号上，形成定位数据，再发送距自己最近 的基准定位器；基准定位器收到定位数掘后，通过合适的路由，发送到定位分站：定位 分站将所有接收到的数据发送至上位机服务器进行处理，并结合煤矿井下的地图结构信 息，确定井下工作人员的位置。 下面就系统结构图中涉及到的各个部分作简要说明。 ( 1 ) 客户端管理系统 客户端管理系统即井下定位系统的界面化管理软件，用于对井下工作人员进行实时 跟踪定位，同时用于对井下工作进行管理和调度等。 ( 2 ) 上位机服务器 大连理工大学硕士学位论文 上位机服务器是地面计算机。系统的服务器应用程序运行在此计算机上，且是连接 定位分站和客户端管理系统的枢纽。 ( 3 ) 定位分站 定位分站包括协调器和a r m 平台。其中协调器采用，n 公司的c c 2 4 3 0 设计，它能 够组建一个无线定位网络；而a r m 平台则负责把井下采集到的数据发送到上位机服务 器。协调器和a r m 平台两者之间采用串口进行通信。 ( 4 ) 基准定位器 基准定位器、移动定位终端以及环境监测分站均采用t i 公司的c c 2 4 3 0 设计。它在 无线定位网络中充当路由器的角色，并且它由用户指定固定坐标。基准定位器定时广播 无线信号和心跳数据，同时转发其它数据到定位分站。 ( 5 ) 移动定位终端 在定位网络中，它接收基准定位器广播的无线信号，然后检测r s s i 值，最后发送 到距其最近的基准定位器，由基准定位器通过合适的路由发送到定位分站。 ( 6 ) 环境监测分站 在系统中，它主要是收集环境传感器采集到的环境监测数据，然后通过合适的路由 将数据转发至定位分站。 ( 7 ) 数据库服务器 数据库服务器用于存储煤矿井下地图结构、定位相关信息、环境监测值以及各种历 史数据和报警信息等。 3 3 系统的数据流图 数据流图【3 0 】有两个主要目的，一个是指明数据在系统中移动时如何被变换；另一个 则是描述对数据流进行变换的功能或子功能。数据流图提供了附加的信息，它们可以用 于信息域的分析，并作为功能建模的基础。 如图3 2 所示，数据流图使用四种