CN102711040B - 基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法和系统。本方法把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形定位单元并不对称的部署参考节点，记录每个矩形定位单元的信息，参考节点利用其他相邻参考节点的周期广播信号更新参考节点数据包中的对应参数，移动节点对参考节点数据包过滤、排序并记录相邻的移动节点ID，利用参考节点数据包、记录的相邻的移动节点ID和数据库中的信息，通过计算、排序和比较大小实现移动节点的定位；本系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络，部署在地面的中心交换机和安全监控和信息管理网络。本发明定位精度高、成本低、系统结构简单、功耗低，满足煤矿井下特定的使用环境和安全要求。

Description

基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法和系统

技术领域

本发明涉及一种定位方法和系统，具体的讲，是涉及一种基于无线传感器网络(Wirelesssensor network)的煤矿井下一维定位方法和系统。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，约占一次能源的70％，在我国95％以上的煤矿是井下人工开采。由于地质条件复杂、开采科学技术水平较低、管理不善等原因，导致我国煤矿安全事故频发，造成的生命财产及社会影响是难以估量的，严重制约着我国煤炭行业的健康发展，因此有必要研究适合于井下的人员定位系统，这对于提高生产效率、保障井下人员的安全、灾后及时抢救具有重要的意义。

我国煤矿井下是一个特殊的受限环境，它是由各种纵横交错、形状不同、长短不一的巷道组成，其长度可达几十到上百公里。而且矿井巷道空间狭小，无线信号在巷道内存在大量的反射、衍射、散射以及投射现象，设备功率需满足井下防爆的要求；同时由于巷道相对封闭，不能借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下定位。由此可见，地面成熟的定位方法和系统无法直接用在井下。

我国现有的井下人员定位系统大多是采用基于RFID(Radio Frequency Identification)射频识别技术的定位系统。中国专利申请01122258.1公开了一种井下人员智能定位安全管理系统，它由电子识别卡、巷道询问接收装置和管理调度中心构成。井下工作人员佩戴电子识别卡，识别卡写入员工的电子编号，由矿灯电瓶供电，当识别卡收到巷道询问接收装置的询问信号后，应答发射井下工作人员的编号信号，巷道询问接收装置收到应达的信号传送给管理调度中心，管理调度中心记录该信号和发生的时间。通过多点定位接收可以对井下工作人员进行跟踪定位，但是该发明只能确定井下工作人员的位置在询问装置的接收范围内，而一般的井下无线通信距离都为几十米的数量级，所以该定位系统的定位精度也是几十米的数量级，定位精度很低。另一方面，多目标同时识别能力不强，也易出现卡间的相互干扰。因此现有的定位系统无法满足井下人员位置情况精确实时掌握的要求。

无线传感器网络是由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点协同组织起来，通过无线通信方式形成的一个多跳、自组织网络系统。和传统的网络相比，无线传感器网络具有以下特点：(1)动态性：网络的拓扑结构可能因为很多因素的改变而变化，比如环境因素、新节点的加入和离开或已有的节点失效等；(2)自组织：无线传感器网路的动态性，要求传感器节点需要具有自组织的能力，能够自行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成能够转发数据的多跳无线传感器网络系统；(3)可靠性：节点的维护可能性很小，通信机密和安全十分重要，传感器网络具有强壮性和容错性；(4)以数据为中心：在无线传感器网络中，节点采用编号标识，节点编号是否全网唯一取决于网络通信协议的设计，用户使用无线传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点，网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。因此，基于无线传感器网络的定位技术非常适合在煤矿井下使用。

现有的无线传感器网络的定位方法主要有两大类：基于测距的定位方法(range-based)和无需测距的定位方法(range-free)。基于测距的定位方法主要有接收信号强度指示法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、到达时间法(Time Of Arrival，TOA)、到达时间差法(Time Difference Of Arrival，TDOA)和到达角度法(Angle Of Arrival，AOA)，这类方法通过测量节点间点到点的距离或者角度信息，使用三边测量法、三角测量法或者最大似然估计法计算移动节点的位置，定位精度相对较高，但对节点硬件要求高、成本高，定位效果易受环境影响；无需测距的定位方法主要有质心算法、DV-Hop和APIT，这类方法无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现移动节点的定位，定位精度非常依赖参考节点的密度，在参考节点部署稀疏的情况下，定位误差会很大。

现有的基于无线传感器网络的定位系统大都采用上述的定位方法，然而由于井下巷道环境的特殊性，电磁波在井下的传播是极其复杂的；而且由于巷道几何形状的约束和成本的考虑，参考节点不可能在一个平面内随机、密集的部署，只能沿巷道方向部署。因此现有的基于无线传感器网络的定位方法和系统不能直接应用于煤矿井下。

发明内容

为了克服上述不足，特别是为了克服矿井定位系统定位精度低、成本高、定位效果易受环境影响、巷道中参考节点的部署数量和部署密度受限、矿井设备体积受限、结构复杂、功耗高等问题，本发明提供了一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法和系统。该方法和系统充分利用无线传感器节点成本低、设备体积小、结构简单、功耗低的特点，结合矿井巷道实际工作环境，利用有限的参考节点实现精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法，包括以下步骤：

A.从巷道口起把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形区间，每个区间即是一个矩形定位单元，每个矩形定位单元内在巷道的墙壁上不对称的部署参考节点；

B.通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息；矩形定位单元的信息包括该矩形定位单元的矩形定位单元号、矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM、单元内部号以及和单元内部号相对应的参考节点坐标X；

其中矩形定位单元号是对矩形定位单元的编号，从巷道口的第一个矩形定位单元起，随着巷道延伸方向编号依次增加；矩形定位单元的宽d为巷道的宽；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通过测量或者已知的参考节点发射功率可以得出此值；单元内部号是对处于同一个矩形定位单元内的参考节点的编号，依巷道延伸方向看去，从靠近巷道口且位于左手边的参考节点开始，沿逆时针方向依次编号为1、2、3、4；参考节点坐标X是该参考节点相对于巷道口的距离；

C.以固定的时间间隔为周期，所有参考节点用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻参考节点的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择和参考节点数据包中的参数RA、RB分别对应的周期广播信号的RSSI值来更新参数RA、RB；周期广播数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号，参考节点数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、RA、RB、移动节点ID、RE；

其中数据包类型标识符标记该数据包的类型；RA是该参考节点接收的和其关于巷道的延伸方向的中心线中心对称的参考节点的周期广播信号的RSSI值；RB是该参考节点接收的和其处于不同矩形定位单元且同侧相邻的参考节点的周期广播信号的RSSI值；移动节点ID是移动节点的编号；RE是该参考节点接收到的和移动节点ID对应的定位请求信号的RSSI值；

D.定位时移动节点发送定位请求信号，参考节点根据接收到的定位请求信号更新参考节点数据包中的参数移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给移动节点，移动节点根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的参数RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID；矩形定位单元的部分信息包括该参考节点所在矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和最大可能RSSI值RM；

E.根据参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息、参考节点数据包中的参数和记录的相邻移动节点ID，通过计算、排序和比较数值大小得出移动节点的位置。

所述步骤A包括下列步骤：

A1.从巷道口起把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形区间，每个区间即是一个矩形定位单元，矩形定位单元的宽d为巷道的宽，矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和节点的通信半径r之间满足7d＜D＜2r；

A2.每个矩形定位单元内，以矩形定位单元的中心为原点，巷道延伸方向为正方向建立矩形定位单元一维坐标系，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为-2D/7处的两侧墙壁上各部署一个参考节点，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为3D/7处的两侧墙壁上各部署一个参考节点，参考节点离地的高度与移动节点的高度基本一致。

步骤D中，所述的移动节点根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤是移动节点只存储参考节点数据包中的参数移动节点ID和自己ID相同的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息；

所述的根据参考节点数据包中的参数RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序是根据过滤后的参考节点数据包中的参数RE的数值大小，按从大到小的顺序对参考节点数据包做第一次排序，排序后尽可能多的保留但最多只保留排在前六位的参考节点数据包和排在第一位的参考节点数据包所对应的矩形定位单元的部分信息；

所述的记录相邻的移动节点ID是其他移动节点收到定位请求信号后发送回复信号，如果回复信号的RSSI值R满足

RA1+(d1-D1/14)(RM1-RA1)/d1≤R

则记录该移动节点的移动节点ID；其中RA1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RA；D1、d1、RM1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的矩形定位单元的部分信息中的D、d、RM。

所述步骤E包括下列步骤：

E1.根据第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息和排在第一位的参考节点数据包中的参数判断

RA1+(d1-D1/14)(RM1-RA1)/d1≤RE1

是否满足，如果满足则确定移动节点坐标为第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，执行E7步，如果不满足，继续执行E2步；

其中RA1、RE1分别是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RA、RE；D1、d1、RM1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的D、d、RM；

E2.对第一次排序后的参考节点数据包作同胞参考节点处理，根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的数值大小，按从大到小的顺序对参考节点数据包做第二次排序，并只保留排在前两位的参考节点数据包；如果保留的两个参考节点数据包中的矩形定位单元号是一样的，继续执行E3步，否则，执行E4步；

E3.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减2/7D，执行E7步，否则，确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加2/7D，执行E7步；

E4.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包中的RB大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包中的RE，继续执行E5步，否则，执行E6步；

E5.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加1/7D，执行E7步，否则，确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减1/7D，执行E7步；

E6.确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X和第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X的中间值，执行E7步；

E7.已确定位置的移动节点如果与步骤D中记录的相邻的移动节点ID所对应的移动节点的当前确定位置相差1/7D，则这两个已确定位置的移动节点中较小位置的移动节点按照增大1/28D进行位置修正，较大位置的移动节点按照减小1/28D进行位置修正。

所述步骤E2中的同胞参考节点处理是对处于同一个矩形定位单元，单元内部号为1和2或者3和4的一对参考节点所对应的两个参考节点数据包的处理，参考节点数据包中的参数数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、移动节点ID不变，求出两个参考节点数据包中剩余参数的平均值，用求出的平均值更新单元内部号小的参考节点数据包中的对应参数，并只保留用平均值更新过的参考节点数据包。

一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统，该系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络，部署在地面的中心交换机和安全监控和信息管理网络；所述的无线传感器子网络包括本质安全型汇聚网关节点，本质安全型参考节点，本质安全型移动节点；所述的安全监控和信息管理网络包括地面监控终端，定位服务器，上层终端；地面监控终端和定位服务器通过中心交换机与本质安全型汇聚网关节点构成有线网络，并通过本地网络将实时定位数据传送给上层终端；本质安全型汇聚网关节点通过总线挂接在中心交换机上；本质安全型移动节点由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型汇聚网关节点，本质安全型参考节点，本质安全型移动节点构成无线定位网络；

所述本质安全型汇聚网关节点接收本质安全型移动节点发送的无线数据，将其转换成有线数据发送给中心交换机；接收中心交换机发送的有线数据，将其转换成无线数据发送给本质安全型参考节点；

所述本质安全型参考节点分配唯一对应的矩形定位单元号和单元内部号；周期性的用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻本质安全型参考节点的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择对应的周期广播信号的RSSI值更新参考节点数据包中的参数RA、RB；接收地面监控终端发送的对应的矩形定位单元的部分信息；接收本质安全型移动节点发送的定位请求信号并根据定位请求信号更新参考节点数据包中的移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给本质安全型移动节点；

所述本质安全型移动节点分配唯一的移动节点ID；向本质安全型参考节点发送定位请求信号，并接收本质安全型参考节点回送的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息，根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID，将第一次排序后保留的参考节点数据包和记录的相邻移动节点ID打包发送给地面监控终端；

所述中心交换机转发本质安全型移动节点发送给地面监控终端的参考节点数据包和相邻的移动节点ID、地面监控终端发送给本质安全型参考节点的矩形定位单元的部分信息；

所述地面监控终端通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息，并将矩形定位单元的部分信息发送给对应的本质安全型参考节点；接收本质安全型移动节点发送的参考节点数据包和相邻的移动节点ID，根据参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息、参考节点数据包中的参数和记录的相邻移动节点ID，通过计算、排序和比较数值大小得出本质安全型移动节点的位置，并发送给定位服务器和上层终端；

所述定位服务器接收并存储本质安全型移动节点的位置。

所述总线可以是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线。

所述本质安全型参考节点包括：处理器单元、存储器单元、无线收发器单元、电源单元。

所述本质安全型移动节点包括：处理器单元、存储器单元、无线收发器单元、电源单元。

所述地面监控终端包括：处理器单元、存储器单元、有线接口、电源接口。

所述无线传感器子网络中的设备均采用本质安全型防爆设备。

本发明的有益效果在于：

1.通过利用无线传感器网络的自组织、多跳和无线通信的特点，使得设备的功耗大幅度降低，系统设备结构简单、体积小，适合在煤矿巷道使用。

2.通过采用把巷道划分为矩形定位单元，使得定位更加适合巷道狭长的特点；在矩形定位单元内不对称的部署参考节点，降低了参考节点数量和密度的要求，节约成本。

3.参考节点利用其他相邻参考节点的周期广播信号可以动态更新定位时回送给移动节点的参考节点数据包，定位时所利用的参考节点数据包当中的参数是随着巷道环境的改变而改变的；利用参考节点数据包当中的参数和数据库中的信息，通过计算、排序和比较数值大小就可以实现移动节点的定位，一方面定位方法简单，减小了计算所带来的时延，另一方面可以避免定位误差特别大的情况，提高了定位精度，而且定位精度受环境影响小。

4.采用以树形为主的网络结构，在系统某一末段设备发生故障时，不会影响其他部分的正常运行，提高了系统的抗灾变能力。

附图说明

图1是本发明的本质安全型参考节点部署图；

图2是本发明的本质安全型参考节点的周期广播数据包格式示意图；

图3是本发明的本质安全型参考节点的参考节点数据包格式示意图；

图4是本发明的矩形定位单元区域图；

图5是本发明的定位系统组成框图；

图6是本发明的定位方法流程图；

图7是本发明的本质安全型参考节点和本质安全型移动节点的电路框图；

图8是本发明的地面监控终端电路框图；

图中：1、无线传感器子网络；1-1、本质安全型汇聚网关节点；1-2、本质安全型参考节点；1-3本质安全型移动节点；2、中心交换机；3、安全监控和信息管理网络；3-1、地面监控终端；3-2、定位服务器；3-3、上层终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但以下描述仅是说明性的，本发明的保护范围并不受下面描述的限制。本发明实现的是一维定位，数据库中各本质安全型参考节点的参考节点坐标X均是指其相对于巷道口的距离，节点坐标小说明其距离巷道口近，节点坐标大说明其距离巷道口远。

1.图1是本发明的本质安全型参考节点部署图。如图1所示，从巷道口起巷道被划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形区间，每个区间即是一个矩形定位单元，图1中虚线框内的巷道部分即为一个矩形定位单元；矩形定位单元的宽d为巷道的宽，为了保证本质安全型移动节点在巷道内的任何位置都可以和至少四个本质安全型参考节点通信，矩形定位单元的长D和节点通信半径r之间需要满足D＜2r；矩形定位单元号是对矩形定位单元的编号，从巷道口的第一个矩形定位单元起，随着巷道延伸方向编号依次增加；图1中，虚线框表示的矩形定位单元的矩形定位单元号为N，相邻的两个矩形定位单元的矩形定位单元号分别为N-1和N+1，这三个矩形定位单元是连续、不重叠、长边相等的；

每个矩形定位单元内，以矩形定位单元的中心为原点，巷道延伸方向为正方向建立矩形定位单元一维坐标系，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为-2D/7处的两侧墙壁上各部署一个本质安全型参考节点，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为3D/7处的两侧墙壁上各部署一个本质安全型参考节点，本质安全型参考节点离地的高度与本质安全型移动节点的高度基本一致。单元内部号是对处于同一个矩形定位单元内的本质安全型参考节点的编号，依巷道延伸方向看去，从靠近巷道口且位于左手边的本质安全型参考节点开始，沿逆时针方向依次编号为1、2、3、4。图1中，矩形定位单元号为N的矩形定位单元内部署了四个本质安全型参考节点，单元内部号的编号规则如图1中圈内的数字所示，矩形定位单元号为N、单元内部号为1和2的本质安全型参考节点所对应的矩形定位单元一维坐标系的坐标为-2D/7，矩形定位单元号为N、单元内部号为3和4的本质安全型参考节点所对应的矩形定位单元一维坐标系的坐标为3D/7。

最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通过测量或者已知的本质安全型参考节点发射功率可以得出此值；参考节点坐标X是该本质安全型参考节点相对于巷道口的距离。通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息，矩形定位单元的信息包括该矩形定位单元的矩形定位单元号、矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM、单元内部号以及和单元内部号相对应的参考节点坐标X，矩形定位单元的部分信息包括该矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM；矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM和矩形定位单元号是一一对应的，用矩形定位单元号去搜索数据库可以得到相应的矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM；参考节点坐标X和矩形定位单元号、单元内部号是一一对应的，用矩形定位单元号和单元内部号去搜索数据库可以得到相应的参考节点坐标X。

2.图2是本发明的本质安全型参考节点的周期广播数据包格式示意图。如图2所示，本质安全型参考节点的周期广播数据包中包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号。本质安全型参考节点被分配唯一的矩形定位单元号和单元内部号，两者是一一对应的关系，通过周期广播数据包中的矩形定位单元号和单元内部号可以识别出该周期广播信号是由哪个本质安全型参考节点发送的。

3.图3是本发明的本质安全型参考节点的参考节点数据包格式示意图。如图3所示，本质安全型参考节点的参考节点数据包包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、RA、RB、移动节点ID、RE；其中数据包类型标识符标记该数据包的类型；RA是该本质安全型参考节点接收的和其关于巷道的延伸方向的中心线中心对称的本质安全型参考节点的周期广播信号的RSSI值；RB是该本质安全型参考节点接收的和其处于不同的矩形定位单元且同侧相邻的本质安全型参考节点的周期广播信号的RSSI值；移动节点ID是本质安全型移动节点的编号；RE是该本质安全型参考节点接收到的和移动节点ID相对应的定位请求信号的RSSI值。

结合图1中的矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点来说明参数的含义：

RA是矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点接收到矩形定位单元号为N，单元内部号为2的本质安全型参考节点的周期广播信号的RSSI值；

RB是矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点接收到矩形定位单元号为N-1，单元内部号为4的本质安全型参考节点的周期广播信号的RSSI值。

参考节点数据包和数据库中的矩形定位单元的信息是一一对应的，用参考节点数据包中的矩形定位单元号搜索数据库，可以得到相应的矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM，用参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号去搜索数据库可以得到相应的参考节点坐标X。

4.图4是本发明的矩形定位单元区域图。如图4所示，一个矩形定位单元被划分为七个等长的区域，每个区域的长度为D/7；每个区域都有独特的特征，本发明的定位方法实质上是通过独特的特征来判断本质安全型移动节点当前所处的区域，然后把所处区域中心的一维坐标作为本质安全型移动节点的当前位置坐标。

当距离比较小时，RSSI值随距离增加的衰减曲线斜率大且曲线光滑，截取很小的一段曲线，可以认为这一小段曲线是直线；在这段直线上，利用已知的两对距离和RSSI的对应关系可以求出其他距离所对应的RSSI值，而且可以通过比较RSSI值的大小来判断距离的大小。

下面以矩形定位单元号为N的矩形定位单元为例，对AR1和AR2区域的特征进行说明：

如图4所示，AR1区域可以被划分为两个虚线所示的相交的半圆，两个半圆都以本质安全型参考节点为圆心，半径都是D/14，为了保证两个半圆相交，矩形定位单元的长D和矩形定位单元的宽d之间需要满足7d＜D；在任何一个半圆内时，认为RSSI和距离的关系是线性的，利用最大可能RSSI值RM和参考节点数据包中的参数RA，可以求出当本质安全型移动节点位于圆上时和位于该圆圆心处的本质安全型参考节点之间通信信号的RSSI值；如果有本质安全型参考节点接收到本质安全型移动节点发送的定位请求信号的RSSI值不小于上述求出的RSSI值，那么可以判断出本质安全型移动节点在以该本质安全型参考节点为圆心的半圆内或半圆上。当本质安全型移动节点位于矩形定位单元号为N的矩形定位单元的AR1区域时，根据参考节点数据包中参数RE的值，按从大到小的顺序对参考节点数据包排序，那么排在第一位的参考节点数据包是矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所对应的参考节点数据包或者是矩形定位单元号为N，单元内部号为2的本质安全型参考节点所对应的参考节点数据包，且排在第一位的参考节点数据包中的参数RE满足位于以该本质安全型参考节点为圆心的半圆内或半圆上时的条件；

同理，当本质安全型移动节点位于矩形定位单元号为N的矩形定位单元的AR2区域时，根据参考节点数据包中参数RE的值，按从大到小的顺序对参考节点数据包排序，那么排在第一位的参考节点数据包是矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的参考节点数据包或者是矩形定位单元号为N，单元内部号为4的本质安全型参考节点所对应的参考节点数据包，且排在第一位的参考节点数据包中的参数RE满足位于以该本质安全型参考节点为圆心的半圆内或半圆上时的条件。

RSSI值和距离的关系不是线性的，但是基本上呈现出RSSI值随着距离的增加而减小的趋势，可以通过比较和不同的本质安全型参考节点之间通信信号的RSSI值大小来判断到这些不同本质安全型参考节点的距离的大小，根据和本质安全型参考节点之间通信信号的RSSI值大小对和本质安全型参考节点对应的参考节点数据包排序，不同的顺序对应着不同的距离大小关系，即不同的顺序对应着不同的区域。

同胞参考节点是处于同一个矩形定位单元，单元内部号为1和2或者3和4的一对本质安全型参考节点，其实同胞参考节点是指巷道两侧墙壁上关于巷道的延伸方向的中心线中心对称的一对本质安全型参考节点，同胞参考节点的两个本质安全型参考节点的参考节点坐标X是相同的。同胞参考节点处理是对同胞参考节点所发送的两个参考节点数据包的处理，参考节点数据包中的参数数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、移动节点ID不变，求出两个参考节点数据包中剩余参数的平均值，用求出的平均值更新单元内部号小的参考节点数据包中的对应参数，并只保留用平均值更新过的参考节点数据包。同胞参考节点处理实际上是对参考节点数据包中参数RA、RB、RE的平均，平均可以使这些参数更准确；可以滤除RSSI和距离关系曲线当中的突变点，使RSSI值和距离的关系更好的符合RSSI值随着距离的增加而减小的趋势。

下面以矩形定位单元号为N的矩形定位单元为例，对AR3、AR4、AR5、AR6和AR7区域的特征进行说明：

从图4可以看出，矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点和矩形定位单元号为N，单元内部号为4的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点关于矩形定位单元一维坐标系的坐标为D/14处的矩形定位单元长边的垂线是中心对称的，这里所说的同胞参考节点关于矩形定位单元一维坐标系的坐标为D/14处的矩形定位单元长边的垂线是中心对称是指矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点和矩形定位单元号为N，单元内部号为4的本质安全型参考节点关于矩形定位单元一维坐标系的坐标为D/14处的矩形定位单元长边的垂线是中心对称，矩形定位单元号为N，单元内部号为2的本质安全型参考节点和矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点关于矩形定位单元一维坐标系的坐标为D/14处的矩形定位单元长边的垂线也是中心对称；

同理，矩形定位单元号为N-1，单元内部号为4的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点和矩形定位单元号为N+1，单元内部号为1的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点关于矩形定位单元一维坐标系的坐标为D/14处的矩形定位单元长边的垂线是中心对称的；矩形定位单元号为N-1，单元内部号为4的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点和矩形定位单元号为N，单元内部号为4的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点关于矩形定位单元一维坐标系的坐标为-D/14处的矩形定位单元长边的垂线是中心对称的；矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点和矩形定位单元号为N+1，单元内部号为1的本质安全型参考节点所属的同胞参考节点关于矩形定位单元一维坐标系的坐标为3D/14处的矩形定位单元长边的垂线是中心对称的。

当本质安全型移动节点位于矩形定位单元号为N的矩形定位单元的AR3区域时，由上述的同胞参考节点的中心对称关系可以得出：本质安全型移动节点到矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点的距离比到矩形定位单元号为N，单元内部号为4的本质安全型参考节点的距离近，所以矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点的参考节点数据包中的参数RE比矩形定位单元号为N，单元内部号为4的本质安全型参考节点的参考节点数据包中的参数RE大；本质安全型移动节点到矩形定位单元号为N，单元内部号为2的本质安全型参考节点的距离比到矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点的距离近，所以矩形定位单元号为N，单元内部号为2的本质安全型参考节点的参考节点数据包中的参数RE比矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点的参考节点数据包中的参数RE大；作同胞参考节点处理后，矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE比矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE大；同理，作同胞参考节点处理后，矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE比矩形定位单元号为N-1，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE大；根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的值，按从大到小的顺序对同胞参考节点处理后的参考节点数据包排序，那么排在第一位的是矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，排在第二位的是矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，也就是说排在第一位和第二位的参考节点数据包中的矩形定位单元号是一样的，且排在第一位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X小于排在第二位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X；

同理，当本质安全型移动节点位于矩形定位单元号为N的矩形定位单元的AR4区域时，作同胞参考节点处理并根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的值，按从大到小的顺序对同胞参考节点处理后的参考节点数据包排序，那么排在第一位的是矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，排在第二位的是矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，也就是说排在第一位和第二位的参考节点数据包中的矩形定位单元号是一样的，且排在第一位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X大于排在第二位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X；

当本质安全型移动节点位于矩形定位单元号为N的矩形定位单元的AR5区域时，作同胞参考节点处理并根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的值，按从大到小的顺序对同胞参考节点处理后的参考节点数据包排序，那么排在第一位的是矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，排在第二位的是矩形定位单元号为N-1，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，也就是说排在第一位和第二位的参考节点数据包中的矩形定位单元号是不一样的，且排在第一位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X大于排在第二位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X；同时，由于本质安全型移动节点到矩形定位单元号为N-1，单元内部号为3的本质安全型参考节点的距离比矩形定位单元号为N，单元内部号为2的本质安全型参考节点到矩形定位单元号为N-1，单元内部号为3的本质安全型参考节点的距离远，本质安全型移动节点到矩形定位单元号为N-1，单元内部号为4的本质安全型参考节点的距离比矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点到矩形定位单元号为N-1，单元内部号为4的本质安全型参考节点的距离远，所以作同胞参考节点处理后，矩形定位单元号为N，单元内部号为1的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RB比矩形定位单元号为N-1，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE大，也就是说作同胞参考节点处理并根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的值，按从大到小的顺序对同胞参考节点处理后的参考节点数据包排序后，排在第一位的参考节点数据包中的参数RB大于排在第二位的参考节点数据包中的参数RE；

当本质安全型移动节点位于矩形定位单元号为N的矩形定位单元的AR6区域时，作同胞参考节点处理并根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的值，按从大到小的顺序对同胞参考节点处理后的参考节点数据包排序，那么排在第一位的是矩形定位单元号为N，单元内部号为3的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，排在第二位的是矩形定位单元号为N+1，单元内部号为1的本质安全型参考节点所对应的同胞参考节点处理后的参考节点数据包，也就是说排在第一位和第二位的参考节点数据包中的矩形定位单元号是不一样的，且排在第一位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X小于排在第二位的参考节点数据包对应的参考节点坐标X；同时，排在第一位的参考节点数据包中的参数RB大于排在第二位的参考节点数据包中的参数RE；

当本质安全型移动节点位于矩形定位单元号为N的矩形定位单元的AR7区域时，作同胞参考节点处理并根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的值，按从大到小的顺序对同胞参考节点处理后的参考节点数据包排序，排在第一位和第二位的参考节点数据包是不确定的，但排在第一位和第二位的参考节点数据包中的矩形定位单元号总是不一样的。同时，排在第一位的参考节点数据包中的参数RB小于排在第二位的参考节点数据包中的参数RE；

另外两个本质安全型移动节点之间的通信也可以提高定位的精度；如AR1区域的分析，可以求出当本质安全型移动节点位于以本质安全型参考节点为圆心，半径为D/14的圆上时和该圆圆心处的本质安全型参考节点之间通信信号的RSSI值，如果两个本质安全型移动节点之间通信信号的RSSI值不小于上述求出的RSSI值，那么这两个本质安全型移动节点之间的距离是不大于D/14的，可以进一步修正这两个本质安全型移动节点的位置；但是并不是所有满足上述关系的两个本质安全型移动节点都可以提高定位精度的，位于同一定位区域内的本质安全型移动节点的通信是不能提高任何定位精度的。只有当两个处于相邻定位区域的本质安全型移动节点，如果他们之间通信信号的RSSI值满足上述关系，那么就可以进一步提高定位精度。

5.图5是本发明的定位系统组成框图。如图5所示，本发明基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络1，部署在地面的中心交换机2和安全监控和信息管理网络3；无线传感器子网络包括本质安全型汇聚网关节点1-1，本质安全型参考节点1-2，本质安全型移动节点1-3；安全监控和信息管理网络包括地面监控终端3-1，定位服务器3-2，上层终端3-3；地面监控终端3-1和定位服务器3-2通过中心交换机2与本质安全型汇聚网关节点1-1构成有线网络，并通过本地网络将实时定位数据传送给上层终端3-3；本质安全型汇聚网关节点1-1通过总线挂接在中心交换机2上；本质安全型移动节点1-3由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型汇聚网关节点1-1，本质安全型参考节点1-2，本质安全型移动节点1-3构成无线定位网络；

定位服务器3-2与地面监控终端3-1连接，接收并存储来自地面监控终端3-1的本质安全型移动节点的位置数据。地面监控终端3-1根据图1所示矩形定位单元的划分、本质安全型参考节点的部署通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息，并将矩形定位单元的部分信息通过中心交换机2和本质安全型汇聚网关节点1-1发送给对应的本质安全型参考节点1-2；接收本质安全型移动节点1-3发送的参考节点数据包和相邻的移动节点ID，根据参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息、参考节点数据包中的参数和记录的相邻的移动节点ID，通过计算、排序和比较数值大小得出本质安全型移动节点1-3的位置，并发送给定位服务器3-2；通过本地网络将本质安全型移动节点位置数据发送给上层终端3-3。中心交换机2转发本质安全型移动节点1-3发送给地面监控终端3-1的参考节点数据包和相邻的移动节点ID、地面监控终端3-1发送给本质安全型参考节点1-2的矩形定位单元的部分信息。本质安全型汇聚网管节点1-1负责数据在不同网络之间切换，接收本质安全型移动节点1-3发送的无线数据，将其转换成有线数据发送给中心交换机2；接收中心交换机2发送的有线数据，将其转换成无线数据发送给本质安全型参考节点1-2。本质安全型参考节点1-2分配唯一对应的矩形定位单元号和单元内部号，从地面监控终端3-1接收对应的矩形定位单元的部分信息；周期性的用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻本质安全型参考节点1-2的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择对应的周期广播信号的RSSI值更新定位时回送给本质安全型移动节点1-3的参考节点数据包中的参数RA、RB；接收本质安全型移动节点1-3发送的定位请求信号并根据定位请求信号更新参考节点数据包中的移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给本质安全型移动节点1-3；本质安全型移动节点1-3分配唯一的移动节点ID；向本质安全型参考节点1-2发送定位请求信号，并接收本质安全型参考节点1-2回送的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息，根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID，将第一次排序后保留的参考节点数据包和记录的相邻移动节点ID打包发送给地面监控终端3-1。

6.图6是本发明的定位方法流程图。如图6所示，本发明基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法包括以下步骤：

A.从巷道口起把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形区间，每个区间即是一个矩形定位单元，每个矩形定位单元内在巷道的墙壁上不对称的部署参考节点；

B.通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息；

C.以固定的时间间隔为周期，所有参考节点用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻参考节点的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择和参考节点数据包中的参数RA、RB分别对应的周期广播信号的RSSI值来更新参数RA、RB；

D.定位时移动节点发送定位请求信号，参考节点根据接收到的定位请求信号更新参考节点数据包中的参数移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给移动节点，移动节点根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的参数RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID；

E.根据参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息、参考节点数据包中的参数和记录的相邻移动节点ID，通过计算、排序和比较数值大小得出移动节点的位置。

所述步骤A包括下列步骤：

A1.从巷道口起把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形区间，每个区间即是一个矩形定位单元，矩形定位单元的宽d为巷道的宽，矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和节点的通信半径r之间满足7d＜D＜2r；

A2.每个矩形定位单元内，以矩形定位单元的中心为原点，巷道延伸方向为正方向建立矩形定位单元一维坐标系，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为-2D/7处的两侧墙壁上各部署一个参考节点，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为3D/7处的两侧墙壁上各部署一个参考节点，参考节点离地的高度与移动节点的高度基本一致。

步骤D中，所述的移动节点根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤是移动节点只存储参考节点数据包中的参数移动节点ID和自己ID相同的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息；

所述的根据参考节点数据包中的参数RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序是根据过滤后的参考节点数据包中的参数RE的数值大小，按从大到小的顺序对参考节点数据包做第一次排序，排序后尽可能多的保留但最多只保留排在前六位的参考节点数据包和排在第一位的参考节点数据包所对应的矩形定位单元的部分信息；

所述的记录相邻的移动节点ID是其他移动节点收到定位请求信号后发送回复信号，如果回复信号的RSSI值R满足

RA1+(d1-D1/14)(RM1-RA1)/d1≤R

则记录该移动节点的移动节点ID；其中RA1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RA；D1、d1、RM1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的矩形定位单元的部分信息中的D、d、RM。

所述步骤E包括下列步骤：

E1.根据第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息和排在第一位的参考节点数据包中的参数判断

RA1+(d1-D1/14)(RM1-RA1)/d1≤RE1

是否满足，如果满足则确定移动节点坐标为第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，执行E7步，如果不满足，继续执行E2步；

其中RA1、RE1分别是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RA、RE；D1、d1、RM1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的D、d、RM；

E2.对第一次排序后的参考节点数据包作同胞参考节点处理，根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的数值大小，按从大到小的顺序对参考节点数据包做第二次排序，并只保留排在前两位的参考节点数据包；如果保留的两个参考节点数据包中的矩形定位单元号是一样的，继续执行E3步，否则，执行E4步；

E3.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减2/7D，执行E7步，否则，确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加2/7D，执行E7步；

E4.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包中的RB大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包中的RE，继续执行E5步，否则，执行E6步；

E5.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加1/7D，执行E7步，否则，确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减1/7D，执行E7步；

E6.确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X和第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X的中间值，执行E7步；

E7.已确定位置的移动节点如果与步骤D中记录的相邻的移动节点ID所对应的移动节点的当前确定位置相差1/7D，则这两个已确定位置的移动节点中较小位置的移动节点按照增大1/28D进行位置修正，较大位置的移动节点按照减小1/28D进行位置修正。

7.图7是本发明的本质安全型参考节点和本质安全型移动节点的电路框图。如图7所示，本质安全型参考节点1-2和本质安全型移动节点1-3的电路框图是相同的，包括处理器单元1-20、存储器单元1-21、无线收发器单元1-22、电源单元1-23。存储器单元1-21、无线收发器单元1-22、电源单元1-23均与处理器单元1-20相连。电源单元1-23负责为各个单元提供电能；无线收发器单元1-22负责接收无线电磁波信号并从信号中提取数据，将待发射数据转化成无线电磁波信号并发射；处理器单元1-20负责对接收的数据进行分析并将相应数据存入存储器单元1-21，从存储器单元1-21中提取相应数据用于发射；存储器单元1-21负责存储数据，另外本质安全型参考节点1-2的存储器单元1-21存储相应的矩形定位单元号和单元内部号，本质安全型移动节点1-3的存储器单元1-21存储相应的移动节点ID。本质安全型参考节点通过无线收发器单元接收地面监控终端发送的矩形定位单元的部分信息；本质安全型参考节点从存储器单元获得矩形定位单元号和单元内部号，通过无线收发器单元进行周期广播，并通过无线收发器单元获取其他相邻本质安全型参考节点周期广播信号的RSSI值，将其存入存储器单元；本质安全型参考节点通过无线收发器单元接收本质安全移动节点的定位请求信号、提取数据并更新存储器单元的对应数据后，从存储器单元中提取相应的数据通过无线收发器单元发送给本质安全型移动节点。本质安全型移动节点从存储器单元获得移动节点ID，通过无线收发器单元发送定位请求信号；利用无线收发器单元接收本质安全型参考节点发送来的参考节点数据包和矩形定位单元的部分信息并提取数据，根据移动节点ID、RE过滤和第一次排序后，记录相邻的移动节点ID，将保留的参考节点数据包和记录的相邻移动节点ID通过无线收发器单元发送给地面监控终端。同时，本质安全型参考节点和本质安全型移动节点配备有防爆外壳。

8.图8是本发明的地面监控终端的电路框图。如图8所示，地面监控终端3-1包括处理器单元3-10、存储器单元3-11、有线接口3-12、电源接口3-13。存储器单元3-11、有线接口3-12、电源接口3-13均与处理器单元3-10相连。地面监控终端通过有线接口与定位服务器以及中心交换机相连，并通过本地网络和上层终端相连，构成有线网络。地面监控终端将每个矩形定位单元的信息存入到存储器单元中并将矩形定位单元的部分信息发送给对应的本质安全型参考节点。定位时，从有线接口获取井下各本质安全型移动节点发送的参考节点数据包和相邻的移动节点ID，根据参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索存储器单元，利用搜索到的对应数据库信息、参考节点数据包中的参数和相邻的移动节点ID，通过计算、排序和比较大小数值得到本质安全型移动节点的位置，并将其发送给定位服务器和上层终端。

Claims (9)

1.一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.从巷道口起把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形区间，每个区间即是一个矩形定位单元，每个矩形定位单元内在巷道的墙壁上不对称的部署参考节点；

B.通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息；矩形定位单元的信息包括该矩形定位单元的矩形定位单元号、矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM、单元内部号以及和单元内部号相对应的参考节点坐标X；

其中矩形定位单元号是对矩形定位单元的编号，从巷道口的第一个矩形定位单元起，随着巷道延伸方向编号依次增加；矩形定位单元的宽d为巷道的宽；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通过测量或者已知的参考节点发射功率可以得出此值；单元内部号是对处于同一个矩形定位单元内的参考节点的编号，依巷道延伸方向看去，从靠近巷道口且位于左手边的参考节点开始，沿逆时针方向依次编号为1、2、3、4；参考节点坐标X是该参考节点相对于巷道口的距离；

C.以固定的时间间隔为周期，所有参考节点用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻参考节点的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择和参考节点数据包中的参数RA、RB分别对应的周期广播信号的RSSI值来更新参数RA、RB；周期广播数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号，参考节点数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、RA、RB、移动节点ID、RE；

其中数据包类型标识符标记该数据包的类型；RA是该参考节点接收的和其关于巷道的延伸方向的中心线中心对称的参考节点的周期广播信号的RSSI值；RB是该参考节点接收的和其处于不同矩形定位单元且同侧相邻的参考节点的周期广播信号的RSSI值；移动节点ID是移动节点的编号；RE是该参考节点接收到的和移动节点ID对应的定位请求信号的RSSI值；

D.定位时移动节点发送定位请求信号，参考节点根据接收到的定位请求信号更新参考节点数据包中的参数移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给移动节点，移动节点根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的参数RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID；矩形定位单元的部分信息包括该参考节点所在矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和最大可能RSSI值RM；

E.根据参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息、参考节点数据包中的参数和记录的相邻移动节点ID，通过计算、排序和比较数值大小得出移动节点的位置，其特征在于，包括下列步骤：

E1.根据第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息和排在第一位的参考节点数据包中的参数判断

RA1+(d1-D1/14)(RM1-RA1)/d1≤RE1

是否满足，如果满足则确定移动节点坐标为第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，执行E7步，如果不满足，继续执行E2步；

其中RA1、RE1分别是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RA、RE；D1、d1、RM1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的D、d、RM；

E2.对第一次排序后的参考节点数据包作同胞参考节点处理，根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的数值大小，按从大到小的顺序对参考节点数据包做第二次排序，并只保留排在前两位的参考节点数据包；如果保留的两个参考节点数据包中的矩形定位单元号是一样的，继续执行E3步，否则，执行E4步；

E3.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减2/7D，执行E7步，否则，确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加2/7D，执行E7步；

E4.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RB大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包中的参数RE，继续执行E5步，否则，执行E6步；

E5.如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加1/7D，执行E7步，否则，确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减1/7D，执行E7步；

E6.确定移动节点坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X和第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X的中间值，执行E7步；

E7.已确定位置的移动节点如果与步骤D中记录的相邻的移动节点ID所对应的移动节点的当前确定位置相差1/7D，则这两个已确定位置的移动节点中较小位置的移动节点按照增大1/28D进行位置修正，较大位置的移动节点按照减小1/28D进行位置修正；

进一步地，所述步骤E2中的同胞参考节点处理是对处于同一个矩形定位单元，单元内部号为1和2或者3和4的一对参考节点所发送的两个参考节点数据包的处理，参考节点数据包中的参数数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、移动节点ID不变，求出两个参考节点数据包中剩余参数的平均值，用求出的平均值更新单元内部号小的参考节点数据包中的对应参数，并只保留用平均值更新过的参考节点数据包。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法，其特征在于，所述步骤A包括下列步骤：

A1.从巷道口起把巷道划分为多个连续不重叠的长边相等的矩形区间，每个区间即是一个矩形定位单元，矩形定位单元的宽d为巷道的宽，矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和节点的通信半径r之间满足7d＜D＜2r；

A2.每个矩形定位单元内，以矩形定位单元的中心为原点，巷道延伸方向为正方向建立矩形定位单元一维坐标系，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为-2D/7处的两侧墙壁上各部署一个参考节点，在矩形定位单元一维坐标系的坐标为3D/7处的两侧墙壁上各部署一个参考节点，参考节点离地的高度与移动节点的高度基本一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的煤矿井下一维定位方法，其特征在于，步骤D中，所述的移动节点根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤是移动节点只存储参考节点数据包中的参数移动节点ID和自己ID相同的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息；

所述的根据参考节点数据包中的参数RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序是根据过滤后的参考节点数据包中的参数RE的数值大小，按从大到小的顺序对参考节点数据包做第一次排序，排序后尽可能多的保留但最多只保留排在前六位的参考节点数据包和排在第一位的参考节点数据包所对应的矩形定位单元的部分信息；

所述的记录相邻的移动节点ID是其他移动节点收到定位请求信号后发送回复信号，如果回复信号的RSSI值R满足

RA1+(d1-D1/14)(RM1-RA1)/d1≤R

则记录该移动节点的移动节点ID；其中RA1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RA；D1、d1、RM1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的矩形定位单元的部分信息中的D、d、RM。

4.一种基于无线传感网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，该系统包括部署在巷道中的多个无线传感器子网络(1)，部署在地面的中心交换机(2)和安全监控和信息管理网络(3)；所述的无线传感器子网络包括本质安全型汇聚网关节点(1-1)，本质安全型参考节点(1-2)，本质安全型移动节点(1-3)；所述的安全监控和信息管理网络包括地面监控终端(3-1)，定位服务器(3-2)，上层终端(3-3)；地面监控终端(3-1)和定位服务器(3-2)通过中心交换机(2)与本质安全型汇聚网关节点(1-1)构成有线网络，并通过本地网络将实时定位数据传送给上层终端(3-3)；本质安全型汇聚网关节点(1-1)通过总线挂接在中心交换机(2)上；本质安全型移动节点(1-3)由井下作业人员或者机械装置携带；本质安全型汇聚网关节点(1-1)，本质安全型参考节点(1-2)，本质安全型移动节点(1-3)构成无线定位网络；

所述本质安全型汇聚网关节点(1-1)接收本质安全型移动节点(1-3)发送的无线数据，将其转换成有线数据发送给中心交换机(2)；接收中心交换机(2)发送的有线数据，将其转换成无线数据发送给本质安全型参考节点(1-2)；

所述本质安全型参考节点(1-2)分配唯一对应的矩形定位单元号和单元内部号；周期性的用周期广播数据包的格式向外发送周期广播信号，接收其他相邻本质安全型参考节点(1-2)的周期广播数据包并提取对应的周期广播信号的RSSI值，根据周期广播数据包的参数识别周期广播信号，选择对应的周期广播信号的RSSI值更新参考节点数据包中的参数RA、RB，周期广播数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号，参考节点数据包中的参数至少应该包括数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、RA、RB、移动节点ID、RE；接收地面监控终端(3-1)发送的对应的矩形定位单元的部分信息，矩形定位单元的部分信息包括该本质安全型参考节点(1-2)所在矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d和最大可能RSSI值RM；接收本质安全型移动节点(1-3)发送的定位请求信号并根据定位请求信号更新参考节点数据包中的移动节点ID、RE后回送参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息给本质安全型移动节点(1-3)；

其中矩形定位单元号是对矩形定位单元的编号，从巷道口的第一个矩形定位单元起，随着巷道延伸方向编号依次增加；单元内部号是对处于同一个矩形定位单元内的本质安全型参考节点(1-2)的编号，依巷道延伸方向看去，从靠近巷道口且位于左手边的本质安全型参考节点(1-2)开始，沿逆时针方向依次编号为1、2、3、4；数据包类型标识符标记该数据包的类型；RA是该本质安全型参考节点(1-2)接收的和其关于巷道的延伸方向的中心线中心对称的本质安全型参考节点(1-2)的周期广播信号的RSSI值；RB是该本质安全型参考节点(1-2)接收的和其处于不同矩形定位单元且同侧相邻的本质安全型参考节点(1-2)的周期广播信号的RSSI值；移动节点ID是本质安全型移动节点(1-3)的编号；RE是该本质安全型参考节点(1-2)接收到的和移动节点ID对应的定位请求信号的RSSI值；矩形定位单元的宽d为巷道的宽；最大可能RSSI值RM是可以接收到的最大RSSI值，通过测量或者已知的本质安全型参考节点(1-2)发射功率可以得出此值；

所述本质安全型移动节点(1-3)分配唯一的移动节点ID；向本质安全型参考节点(1-2)发送定位请求信号，并接收本质安全型参考节点(1-2)回送的参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息，根据接收到的参考节点数据包中的移动节点ID对参考节点数据包和相应的矩形定位单元的部分信息过滤、根据参考节点数据包中的RE对过滤后的参考节点数据包做第一次排序并记录相邻的移动节点ID，将第一次排序后保留的参考节点数据包和记录的相邻移动节点ID打包发送给地面监控终端(3-1)；

所述中心交换机(2)转发本质安全型移动节点(1-3)发送给地面监控终端(3-1)的参考节点数据包和相邻的移动节点ID、地面监控终端(3-1)发送给本质安全型参考节点(1-2)的矩形定位单元的部分信息；

所述地面监控终端(3-1)通过建立数据库记录每个矩形定位单元的信息，并将矩形定位单元的部分信息发送给对应的本质安全型参考节点(1-2)，矩形定位单元的信息包括该矩形定位单元的矩形定位单元号、矩形定位单元的长D、矩形定位单元的宽d、最大可能RSSI值RM、单元内部号以及和单元内部号相对应的参考节点坐标X；接收本质安全型移动节点(1-3)发送的参考节点数据包和相邻的移动节点ID，根据参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息、参考节点数据包中的参数和记录的相邻移动节点ID，按如下步骤计算、排序和比较数值大小得出本质安全型移动节点(1-3)的位置：

(1)根据第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的矩形定位单元号和单元内部号搜索数据库，利用搜索到的矩形定位单元的信息和排在第一位的参考节点数据包中的参数判断

RA1+(d1-D1/14)(RM1-RA1)/d1≤RE1

是否满足，如果满足则确定本质安全型移动节点(1-3)坐标为第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，执行(7)步，如果不满足，继续执行(2)步；

其中RA1、RE1分别是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RA、RE；D1、d1、RM1是第一次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的D、d、RM；

(2)对第一次排序后的参考节点数据包作同胞参考节点处理，根据同胞参考节点处理后的参考节点数据包中的参数RE的数值大小，按从大到小的顺序对参考节点数据包做第二次排序，并只保留排在前两位的参考节点数据包；如果保留的两个参考节点数据包中的矩形定位单元号是一样的，继续执行(3)步，否则，执行(4)步；

步骤(2)中所述的同胞参考节点处理是对处于同一个矩形定位单元，单元内部号为1和2或者3和4的一对参考节点所发送的两个参考节点数据包的处理，参考节点数据包中的参数数据包类型标识符、矩形定位单元号、单元内部号、移动节点ID不变，求出两个参考节点数据包中剩余参数的平均值，用求出的平均值更新单元内部号小的参考节点数据包中的对应参数，并只保留用平均值更新过的参考节点数据包；

(3)如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定本质安全型移动节点(1-3)坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减2/7D，执行(7)步，否则，确定本质安全型移动节点(1-3)坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加2/7D，执行(7)步；

(4)如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包中的参数RB大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包中的参数RE，继续执行(5)步，否则，执行(6)步；

(5)如果第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X大于第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X，则确定本质安全型移动节点(1-3)坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X加1/7D，执行(7)步，否则，确定本质安全型移动节点(1-3)坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X减1/7D，执行(7)步；

(6)确定本质安全型移动节点(1-3)坐标为第二次排序后排在第一位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X和第二次排序后排在第二位的参考节点数据包所对应的数据库中的参考节点坐标X的中间值，执行(7)步；

(7)已确定位置的本质安全型移动节点(1-3)如果与步骤D中记录的相邻的本质安全型移动节点(1-3)ID所对应的本质安全型移动节点(1-3)的当前确定位置相差1/7D，则这两个已确定位置的本质安全型移动节点(1-3)中较小位置的本质安全型移动节点(1-3)按照增大1/28D进行位置修正，较大位置的本质安全型移动节点(1-3)按照减小1/28D进行位置修正；

将经上述步骤获得的本质安全型移动节点(1-3)的位置，发送给定位服务器(3-2)和上层终端(3-3)：

其中参考节点坐标X是该本质安全型参考节点(1-2)相对于巷道口的距离；

所述定位服务器(3-2)接收并存储本质安全型移动节点(1-3)的位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，所述总线可以是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线。

6.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，所述本质安全型参考节点(1-2)包括：处理器单元、存储器单元、无线收发器单元、电源单元。

7.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，所述本质安全型移动节点(1-3)包括：处理器单元、存储器单元、无线收发器单元、电源单元。

8.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，所述地面监控终端(3-1)包括：处理器单元、存储器单元、有线接口、电源接口。

9.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网络的煤矿井下一维定位系统，其特征在于，所述无线传感器子网络(1)中的设备均采用本质安全型防爆设备。