專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬區(qū)域定位和遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，尤其涉及一種利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域定位、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程信息感知的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，常用的定位技術(shù)，如全球定位系統(tǒng)(Global PositioningSystem，GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)等，在國(guó)防和民用領(lǐng)域均發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。然而對(duì)于某些特定的應(yīng)用環(huán)境，如礦井、隧道、辦公室、醫(yī)院、工地和廠房?jī)?nèi)部等場(chǎng)所，GPS衛(wèi)星信號(hào)受干擾或者完全被屏蔽，定位效能大大降低甚至根本無(wú)法工作。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)雖然能夠進(jìn)行自主導(dǎo)航定位，但受限于算法原理，定位誤差隨時(shí)間發(fā)散，難以符合區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間定位的性能要求。
目前對(duì)于特定環(huán)境下的區(qū)域定位，例如以煤礦井下人員定位為例，一般采用身份識(shí)別器(Radio Frequency Identification，RFID)和有線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)定位兩種方式。前者通過(guò)礦工攜帶唯一編碼的身份識(shí)別器，與井下固定位置的讀卡器建立握手或問(wèn)答機(jī)制，從而將人員定位到讀卡器附近。這種定位方式存在以下不足首先無(wú)法實(shí)現(xiàn)人員全程的連續(xù)定位，僅能離散地在建立問(wèn)答機(jī)制后定位到設(shè)置讀卡器的地理位置；其次定位精度較低，定位精度取決于讀卡器設(shè)置的距離。限于成本和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面的考慮，設(shè)置讀卡器的數(shù)量有限，因而采用RFID的定位方式通常僅能提供幾十米量級(jí)的定位精度?；谟芯€(xiàn)局域網(wǎng)定位的方式則是預(yù)先在井下布置有線(xiàn)連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(即網(wǎng)關(guān))，工作人員通過(guò)攜帶的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，并通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)和幾何定位原理確定人員的位置。該種定位方式能夠?qū)崿F(xiàn)人員連續(xù)且相對(duì)精確的定位，因而成為目前研究應(yīng)用的主流方案之一，并且已有相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)。然而這種依靠有線(xiàn)電纜連接的網(wǎng)絡(luò)，存在組網(wǎng)困難，系統(tǒng)靈活性和可移植性差等缺陷，對(duì)于小型，短期和相對(duì)流動(dòng)性較大的應(yīng)用尤為不便。同時(shí)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)自身線(xiàn)纜保護(hù)及維護(hù)要求很高，一旦線(xiàn)路漏電產(chǎn)生電火花，反而易導(dǎo)致礦井瓦斯爆炸等事故，因而存在一定的安全隱患。并且這種有線(xiàn)局域網(wǎng)定位方式只具有單一的定位功能，不能提供現(xiàn)場(chǎng)的有關(guān)信息，不利于進(jìn)行主動(dòng)地監(jiān)控。
與此同時(shí)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)煤礦礦井爆炸坍塌事件頻發(fā)，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。從技術(shù)層面上究其原因，主要是缺乏行之有效的環(huán)境安全監(jiān)測(cè)與告警系統(tǒng)。因而目前社會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和信息感知等提出了更高的要求，尤其是出于對(duì)安全的顧慮。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和記錄的方式已無(wú)法滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)效率、成本和數(shù)據(jù)量等多方面的需求。本發(fā)明提出的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)，可以解決這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
三、技術(shù)方案
1、技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位系統(tǒng)，其采用無(wú)線(xiàn)“透明化”的定位網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況的實(shí)時(shí)感知。
2、技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)終端，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接；無(wú)線(xiàn)終端包括移動(dòng)用戶(hù)終端和數(shù)據(jù)采集終端，移動(dòng)用戶(hù)終端和數(shù)據(jù)采集終端處于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)有線(xiàn)連接。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)型、星型、節(jié)點(diǎn)型或混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立網(wǎng)關(guān)與所有無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
監(jiān)控計(jì)算機(jī)和管理員組成控制中心，監(jiān)控計(jì)算機(jī)有線(xiàn)連接到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)，并負(fù)責(zé)控制網(wǎng)關(guān)和建立與所有無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的透明連接。監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成移動(dòng)用戶(hù)終端的定位解算，同時(shí)針對(duì)數(shù)據(jù)采集終端發(fā)回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。管理員根據(jù)實(shí)時(shí)的人員或設(shè)備定位和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)用戶(hù)終端的管理、指揮和調(diào)度。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)和大量的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)關(guān)利用有線(xiàn)方式接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制指令，并轉(zhuǎn)發(fā)和控制所有無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，最后將從移動(dòng)用戶(hù)終端、數(shù)據(jù)采集終端處獲得的原始數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。
移動(dòng)用戶(hù)終端和數(shù)據(jù)采集終端在地理位置上均處于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)。不同的移動(dòng)用戶(hù)終端和數(shù)據(jù)采集終端均有唯一分配的身份編碼，各自相關(guān)信息也已預(yù)先錄入到監(jiān)控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中。移動(dòng)用戶(hù)終端定時(shí)向周?chē)鸁o(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身代碼，以進(jìn)行位置解算，同時(shí)根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)傳來(lái)的指令采取相應(yīng)的行動(dòng)。數(shù)據(jù)采集終端則根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令，采集現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)信息，并利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)最終傳遞回監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)。
3、有益效果本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于國(guó)防和民用領(lǐng)域的區(qū)域定位和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，尤其是傳統(tǒng)定位方法無(wú)法涉足的特定區(qū)域，如礦井、隧道、辦公室、醫(yī)院、工地和廠房?jī)?nèi)部等場(chǎng)所。通過(guò)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員或設(shè)備的精確定位，進(jìn)而提高指揮、調(diào)度和監(jiān)督管理的效能。整套網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)化設(shè)計(jì)，顯著改善了布網(wǎng)的靈活性和系統(tǒng)的可移植性，因而對(duì)小型或流動(dòng)性較大的應(yīng)用環(huán)境具有重要的應(yīng)用價(jià)值。無(wú)線(xiàn)化設(shè)計(jì)也提高了系統(tǒng)自身的可靠性和安全性?；跓o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和環(huán)境信息感知能力，有效提高了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度和環(huán)境的監(jiān)控，能夠降低事故發(fā)生率，這對(duì)于社會(huì)財(cái)產(chǎn)和人身的安全保障具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
四

圖1是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的工作流程圖示意圖；圖3是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位流程圖；圖4是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集流程圖。
五具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2所示，本實(shí)施例的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)4、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)2和無(wú)線(xiàn)終端3，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)2包括網(wǎng)關(guān)6和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)7，網(wǎng)關(guān)6和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)7之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接；無(wú)線(xiàn)終端3包括移動(dòng)用戶(hù)終端8和數(shù)據(jù)采集終端9，移動(dòng)用戶(hù)終端8和數(shù)據(jù)采集終端9處于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)2的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)4與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)2中的網(wǎng)關(guān)6有線(xiàn)連接。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)2采用樹(shù)型、星型、節(jié)點(diǎn)型或混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立網(wǎng)關(guān)6與所有無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)7的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
本實(shí)施例是一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井人員定位導(dǎo)航和環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和實(shí)際需求的不同也可以選取不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。其實(shí)施過(guò)程如下首先進(jìn)行井下巷道的ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)布網(wǎng)?；赯igBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種特殊的移動(dòng)自組織Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)感知其它節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。因此僅需在合理的位置安置ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，確保ZigBee有效通訊范圍內(nèi)至少存在兩個(gè)或更多節(jié)點(diǎn)即可。隨著礦井的深挖或項(xiàng)目的變更，只需對(duì)ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展或?qū)ΜF(xiàn)有位置進(jìn)行調(diào)整，即可便捷、迅速組建新的網(wǎng)絡(luò)，因此與傳統(tǒng)的有線(xiàn)布網(wǎng)相比，極大地增強(qiáng)了布網(wǎng)的靈活性和系統(tǒng)的可移植性；布網(wǎng)完成后，需對(duì)井下ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)和終端進(jìn)行注冊(cè)登記。需錄入數(shù)據(jù)庫(kù)的信息通常包括全部ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)、位置等，以及無(wú)線(xiàn)移動(dòng)終端和數(shù)據(jù)采集終端的ID號(hào)和基本信息，以便后續(xù)定位解算和監(jiān)督管理。
圖3表明了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位流程圖。通常，作為井下移動(dòng)用戶(hù)的礦工自身攜帶內(nèi)嵌ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊的終端模塊。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)不斷偵測(cè)移動(dòng)用戶(hù)終端的信息，一旦建立連接后即可獲知移動(dòng)用戶(hù)的ID編碼及其信號(hào)強(qiáng)度，并將礦工編碼和信號(hào)強(qiáng)度等原始信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)回控制中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算用戶(hù)到特定ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的距離，結(jié)合預(yù)設(shè)的ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的位置以及礦工的歷史信息，采用幾何定位原理實(shí)現(xiàn)礦工的精確定位，并進(jìn)行定位顯示和相應(yīng)處理。
圖4表明基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集流程圖。內(nèi)嵌ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊模塊和數(shù)據(jù)采集模塊的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端接收傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的控制中心指令。一旦要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，開(kāi)始采集井下環(huán)境指標(biāo)，如瓦斯?jié)舛取⒁谎趸紳舛?、空氣溫度、濕度和礦井巷道內(nèi)的壓差等。數(shù)據(jù)采集終端ID號(hào)和采集的數(shù)據(jù)通過(guò)臨近的ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)回控制中心。監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成礦井現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)，并實(shí)時(shí)判斷各項(xiàng)指標(biāo)是否正常。一旦指標(biāo)超常，如瓦斯?jié)舛冗^(guò)高等，立即啟動(dòng)提示和告警功能，以便及時(shí)對(duì)井下施工過(guò)程及環(huán)境采取相應(yīng)的措施，從而確保井下安全。
權(quán)利要求
1.一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)(4)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(2)和無(wú)線(xiàn)終端(3)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(2)包括網(wǎng)關(guān)(6)和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)(7)，網(wǎng)關(guān)(6)和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)(7)之間為無(wú)線(xiàn)連接；無(wú)線(xiàn)終端(3)包括移動(dòng)用戶(hù)終端(8)和數(shù)據(jù)采集終端(9)，移動(dòng)用戶(hù)終端(8)和數(shù)據(jù)采集終端(9)處于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(2)的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)(4)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(2)中的網(wǎng)關(guān)(6)有線(xiàn)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)，其特征在于，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(2)采用樹(shù)型、星型、節(jié)點(diǎn)型或混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立網(wǎng)關(guān)(6)與所有無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)(7)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域定位與現(xiàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)，包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)終端，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間為無(wú)線(xiàn)連接；無(wú)線(xiàn)終端包括移動(dòng)用戶(hù)終端和數(shù)據(jù)采集終端，移動(dòng)用戶(hù)終端和數(shù)據(jù)采集終端處于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)有線(xiàn)連接。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于國(guó)防和民用領(lǐng)域的區(qū)域定位和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，無(wú)線(xiàn)化設(shè)計(jì)也提高了系統(tǒng)自身的可靠性和安全性。有效提高了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度和環(huán)境的監(jiān)控，能夠降低事故發(fā)生率，這對(duì)于社會(huì)財(cái)產(chǎn)和人身的安全保障具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)H04B5/00GK101035042SQ20071002000
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者孫永榮, 沈雪松, 陳武, 劉建業(yè), 侯書(shū)朋, 丁佐權(quán), 許睿 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)