基于TDOA和RSSI復合算法的WSN井下人員定位系統

創新者：林 震 唐 巍 郭 婷 孫 璐 魏東旭

基于TDOA和RSSI復合算法的WSN井下人員定位系統

創新者：林 震 唐 巍 郭 婷 孫 璐 魏東旭

為了實現煤礦井下人員的精確定位，設計了一種基于TDOA和RSSI復合算法的WSN煤礦井下人員定位系統，建立了系統體系結構，并設計了系統的軟硬件。實驗結果表明，本文設計的基于Zigbee技術的煤礦井下人員定位系統，針對井下特殊環境，可以便捷的在井上實現對井下作業人員的實時跟蹤，方便的完成了對井下人員的管理，保障了井下作業人員的安全。系統定位精確、穩定性好，具有一定的實用價值。

近年來，國家對煤礦安全生產的問題非常重視，但是由于種種原因，在我國礦難還是經常發生，而礦難發生后，由于目前現有井下監控裝置性能上的不足，很難實現對井下作業人員的有效管理，井上人員也很難通過井上系統及時掌握井下作業人員的分布情況，經常導致搶險救災的不力，致使更多人員的傷亡。本文設計的基于TDOA和RSSI復合算法的WSN井下人員定位系統，通過Zigbee技術和優化復合算法，可以較好的實現對煤礦井下作業人員的實時監測，可為相關作業人員提供煤礦礦井中各工作面的巷道網絡、每個井下作業人員的位置以及危險區域位置等動態信息。

定位算法

目前常用的定位測距算法有TDOA 算法、RSSI算法等。相關研究證明：TDOA 算法在對比較遠的距離定位時，精度是很好的，不過近距離定位精度相對較差；而RSSI算法是一種比較粗糙的定位算法，比較適用于近距離的定位，對遠距離的定位精度較差。

為此，本文提出了一種基于RSSI 和 TDOA 的改進定位組合算法。此算法無論定位距離的遠近，都可以得到較好的測距定位效果。

在傳統RSSI定位算法和TDOA定位算法的基礎上，我們將之進行加權處理，可以得到：

值，qk是在點（xk,yk）處的q值。從設定的初始（xk,yk）出發，沿著梯度下降方向gk找到最優解，在迭代過程中，不斷更新初始值，而對于一個正定二次函數，將f（xk+αk×gk）進行泰勒展開，要確定αk使得則當gk的二階范數小于0.01時，就可以終止迭代，得出最優解，從而得到目標的位置。

系統結構

系統采用WSN技術為核心，實現對煤礦井下人員的跟蹤定位。整個系統由井下人員定位系統、總線傳輸裝置和井上監控系統三部分組成。井下人員定位系統是本文的研究重點，它由ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備等各類傳感節點組成；井上監控部分主要由監控終端計算機、通訊網絡組成，主要實現對井下人員信息的收集和處理。系統的相關信息通過CAN總線進行傳輸。整個定位系統模型結構圖如圖1所示。

井上監控系統

井上監控系統的任務是完成對井下人員相關信息數據的存儲和處理，根據這些信息可以了解井下作業人員的實時動態分布情況，并以此制作動態分布結構圖，同時還可以在井上監控系統中記錄每個井下作業人員的工號、姓名、下井時間等相關具體信息。還可以根據系統中制作的上位機軟件，自行生成管理和考勤作業報表。井上監控系統不僅可以實現對井下信息的統計收集，還可以將相關的控制指令由CAN總線傳輸到煤礦井下，實現對井下相關裝置的控制，甚至還可以進一步通過Internet、GPRS等實現遠程控制，進一步保障煤礦井下人員的安全，保證生產效益。

圖1　定位系統結構圖

CAN總線數據傳輸

CAN總線是井上和井下系統的連接樞紐，井上與監控系統相連，井下與Zigbee網絡中的協調器相連，井上和井下相關管理和控制信息的傳輸都通過它來實現。

井下定位系統

井下定位系統是整個控制系統的核心部分，也是本文研究的重點內容，在TDOA和RSSI復合算法的基礎上采用ZigBee技術實現信息的傳輸，井下定位裝置主要由協調器、ZigBee路由器和人員定位節點等組成。

協調器

協調器是井下定位系統的核心，它由控制器，ZigBee射頻模塊、時鐘電路、電源電路、復位電路、接口電路等組成。它一般安裝在井下巷道的出口或者入口處，實現對井下工作人員定位節點進行地址配置，同時可以實現對井下Zigbee網絡中的其它節點進行控制管理，并且收集井下Zigbee網絡中各節點的其他信息，然后由CAN總線將收集到的數據信息傳送到井上的終端上位機，由上位機進行計算和處理。系統各節點的結構基本相似，只是功能不同，圖2為協調器節點的結構框圖。在協調器節點中，核心控制芯片采用TI公司的MSP430，它負責控制整個協調器節點的工作，ZigBee芯片選擇使用Chipcon公司的CC2530芯片。

路由器

系統中ZigBee路由器主要用來接收井下作業人員定位節點的相關信息，包括井下工作人員的個人工號、姓名、位置數據等。路由器節點會選擇最佳傳輸路徑將接收到的相關信息及時傳輸到協調器節點。路由器節點一般安裝在煤礦巷道的兩側、巷道的岔口、地下各個工作面的進入口、可能會發生危險的場合等相關位置。煤礦井下人員定位系統的精確度其實就取決于路由器節點安裝的數目和密度。實際應用中，通常根據煤礦井下各個工作面的實際情況，以100米左右為基準距離進行定點安裝，但在部分井下結構復雜的區域，為防止特殊事故的發生，可將安裝距離縮小為50米，并且可以根據井下的具體實際情況，在每一個需要安裝的位置進行定點安裝。

人員定位節點

人員定位節點是煤礦井下工作人員攜帶的小型通信模塊，該小型通信模塊從功能劃分，為精簡功能設備；以本系統ZigBee網絡的結構來看，人員定位節點屬于ZigBee子網的最底端。該小型通信模塊節點是井下定位系統的終端器件，可以定時的發出其所在位置的信息，此信息通過路由器、協調器和CAN總線傳輸到井上上位機，實現井下工作人員的定位。本系統中礦井工作人員的定位節點模塊由于體積小，可以安裝在工人的安全帽中或者制作成腰牌，非常方便攜帶。

測試結果

我們模擬建立煤礦井下結構，采用3個路由節點安裝在煤礦的不同位置，路由節點的地址分別為：02CF、 02D2、02D4。4人分別攜帶終端人員定位節點，終端節點的地址分別為：3B102C、3B101E、3B1024、3B1011。終端節點可以向路由節點發送位置數據，此數據顯示對應終端節點和路由節點之間的距離。路由器節點將接受到的數據信息發送給協調器節點，協調器節點將接收到的數據信息在上位機上顯示。圖3為上位機顯示的終端節點在煤礦中的位置信息，從圖中我們可以實時看到終端節點的具體位置和此終端節點靠近哪個路由節點。圖4為終端節點和路由節點之間的16進制位置數據，此數據每隔4s更新一次，可實時顯示終端節點和路由節點之間的位置信息。經測試，本定位系統可以很好的在煤礦井下等環境實現人員定位，傳統定位算法的定位系統，誤差在3m左右，而本文的改進算法，測量精度可以達到1.3m左右，定位精度明顯提高。

圖2　協調器節點結構框圖

圖3　定位系統定位圖

圖4　定位系統位置數據

林 震 唐 巍 郭 婷 孫 璐 魏東旭

淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.020