一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，包括設(shè)置在隧道施工人員及施工車輛上的定位節(jié)點，設(shè)置在隧道中的若干用于采集定位節(jié)點信息的參考節(jié)點，參考節(jié)點的輸出端連接有ZigBee網(wǎng)關(guān)基站，ZigBee網(wǎng)關(guān)基站的輸出端通過信號轉(zhuǎn)換模塊連接至監(jiān)控中心。本實用新型能夠全面、及時、準確的對隧道內(nèi)施工人員進行定位，保證施工人員安全。
【專利說明】
-種基于Z i gBee的隧道定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及無線定位技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于Zi濁ee的隧道定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國家經(jīng)濟實力的日益強大和社會發(fā)展的需要，各種隧道W及地下工程開發(fā)愈 來愈多，目前我國已成為世界上隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。運些工程在給人們帶 來極大便利的同時，也帶來了較大的施工風(fēng)險，對于工程的建設(shè)者和管理者來講，則意味著 安全生產(chǎn)的風(fēng)險系數(shù)愈來愈高，安全管理的壓力愈來愈大。目前，?？诮鉀Q隧道人員安全問 題的技術(shù)在國內(nèi)仍然發(fā)展緩慢，尤其是隧道施工時人員的定位問題是所有問題的重中之 重。其中較為實用的是RFID技術(shù)。運種方式采用人員刷卡形式雖然相對來說成本較為低廉， 但運種定位方式是不連續(xù)的，通過不斷的刷卡確定人員在某一區(qū)域內(nèi)而不能精確的確定該 人員的具體位置，并且運種系統(tǒng)只能單向傳輸固定的信息，因而此類應(yīng)用更多的體現(xiàn)了工 作管理而對于安全防護方面卻有先天不足之處。
[0003] 目前定位算法分為兩大類:第一類是基于測距的定位算法，包括到達時間差TD0A、 到達角度A0A、到達時間TOAdTDOA需要在節(jié)點上安裝特殊的信號收發(fā)裝置，通過測量兩種不 同傳輸速率的信號傳輸時間差來計算兩節(jié)點間的距離。但受到超聲波傳播距離的限制和非 視距問題對超聲波信號傳播的影響。AOA是基于信號傳輸?shù)慕嵌炔煌M而形成的扇形重疊 區(qū)為機理的定位算法，AOA同樣也需要在節(jié)點上安裝特殊的信號收發(fā)裝置。而且測距過程容 易受到外界環(huán)境的影響，因此不適合在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中使用。TOA是通過測量從目標節(jié)點發(fā)出 的信號W直線到達參考節(jié)點的時間，可W得到相應(yīng)的距離，隨即得到目標節(jié)點的定位結(jié)果。 TOA方法局限性大，它要求接收端能夠得到無線信號開始傳輸?shù)臅r間，因此需要各節(jié)點時間 同步，從而對節(jié)點的要求很高。第二類是無需測距的定位算法。無需測距的定位算法定位誤 差較大，精度低。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的在于提供一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，W克服上述現(xiàn)有技 術(shù)存在的缺陷，本實用新型能夠全面、及時、準確的對隧道內(nèi)施工人員進行定位，保證施工 人員安全。
[0005] 為達到上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，包括設(shè)置在隧道施工人員及施工車輛上的定位 節(jié)點，設(shè)置在隧道中的若干用于采集定位節(jié)點信息的參考節(jié)點，參考節(jié)點的輸出端連接有 Zi濁ee網(wǎng)關(guān)基站，ZigBee網(wǎng)關(guān)基站的輸出端通過信號轉(zhuǎn)換模塊連接至監(jiān)控中屯、。
[0007] 進一步地，隧道包括第一定位區(qū)域和第二定位區(qū)域，第一定位區(qū)域為隧道口至掌 子面之間的區(qū)域，第二定位區(qū)域為掌子面W內(nèi)區(qū)域。
[000引進一步地，第一定位區(qū)域中的參考節(jié)點均勻分布在第一定位區(qū)域的一側(cè);第二定 位區(qū)域中的參考節(jié)點均勻分布在第一定位區(qū)域的兩側(cè)。
[0009] 進一步地，第一定位區(qū)域中相鄰兩個參考節(jié)點的橫向間距為20~30米。
[0010] 進一步地，第二定位區(qū)域中相鄰兩個參考節(jié)點的橫向間距為10~15米。
[0011] 進一步地，監(jiān)控中屯、包括主監(jiān)控中屯、和分監(jiān)控中屯、，所述分監(jiān)控中屯、包括分監(jiān)控 主機和顯示屏。
[0012] 進一步地，ZigBee網(wǎng)關(guān)基站設(shè)有若干個，且相鄰的兩個ZigBee網(wǎng)關(guān)基站橫向間距 為150米。
[0013] 進一步地，參考節(jié)點為CC2430忍片。
[0014] 進一步地，定位節(jié)點為CC2431忍片。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有W下有益的技術(shù)效果：
[0016] 本實用新型的參考節(jié)點采集到定位節(jié)點的信息后，將采集信息傳輸給ZigBee網(wǎng)關(guān) 基站，ZigBee網(wǎng)關(guān)基站再通過信息轉(zhuǎn)換器將采集定位信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中屯、，監(jiān)控 中屯、實時顯示隧道人員信息和車輛信息，顯示的內(nèi)容包括：ID號，姓名，時間，總?cè)藬?shù)等，使 領(lǐng)導(dǎo)及監(jiān)管人員不用進入桐內(nèi)，不必查看監(jiān)控室電腦就能及時了解隧道內(nèi)施工人員情況， 同時，該系統(tǒng)還具有自主診斷的功能，能夠診斷無線定位系統(tǒng)的基站是否正常工作，當基站 出現(xiàn)故障時系統(tǒng)會發(fā)出提示信息。該系統(tǒng)能夠統(tǒng)計施工人員在桐內(nèi)連續(xù)工作的時間，當有 人長時間（如10小時W上)未出桐時，系統(tǒng)會發(fā)出警告提示。該系統(tǒng)可W長時間儲存數(shù)據(jù)信 息，可將定位數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，W便管理人員隨時查詢歷史定位信息。
[0017] 進一步地，本實用新型根據(jù)隧道定位需求，分為第一定位區(qū)域和第二定位區(qū)域，第 一定位區(qū)域隧道口到掌子面主要是施工人員和車輛出入，所有在運一區(qū)域主要進行人員和 車輛定位。運一區(qū)域間隔150m放置一個基站，相鄰兩參考節(jié)點橫向間距取20-30m，定位節(jié)點 放置在施工人員的安全帽上和車輛頂部，該區(qū)域定位精度可W達到0.2m到0.3m。第二定位 區(qū)域是掌子面W內(nèi)的施工區(qū)，該區(qū)域是施工的主要區(qū)域，施工人員密集，危險系數(shù)大，所W 該區(qū)域在相鄰兩參考節(jié)點橫向間距取l〇-15m，隧道兩邊區(qū)域都布置有參考節(jié)點，該區(qū)域定 位精度可W達到0.1 mW內(nèi)。隧道施工人員在遇到突發(fā)事件時可通過定位卡上的預(yù)警按鈕來 向管理人員發(fā)出警報，本實用新型采用分區(qū)域定位，提高了資源的利用率，節(jié)約了項目成 本，具有一定的實用價值和推廣價值。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本實用新型系統(tǒng)的構(gòu)架圖；
[0019] 圖2是基于RSSI質(zhì)屯、算法原理圖；
[0020] 圖3是基于RSSI的加權(quán)質(zhì)屯、定位算法流程圖。
[002。 其中，1-主監(jiān)控中屯、，2-分監(jiān)控主機，3-顯示屏，4-信號轉(zhuǎn)換模塊，5-Zi濁ee網(wǎng)關(guān)基 站，6-參考節(jié)點，7-定位節(jié)點。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細描述：
[0023] 參見圖1，一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，根據(jù)隧道定位需求，分為第一定位區(qū) 域和第二定位區(qū)域，第一定位區(qū)域隧道口到掌子面主要是施工人員和車輛出入，所有在運 一區(qū)域主要進行人員和車輛定位。運一區(qū)域間隔150m放置一個基站，相鄰兩參考節(jié)點橫向 間距取20-30m，定位節(jié)點放置在施工人員的安全帽上和車輛頂部，該區(qū)域定位精度可W達 到0.2m到0.3m。第二定位區(qū)域是掌子面W內(nèi)的施工區(qū)，該區(qū)域是施工的主要區(qū)域，施工人員 密集，危險系數(shù)大，所W該區(qū)域在相鄰兩參考節(jié)點橫向間距取5-lOm，隧道兩邊區(qū)域都布置 有參考節(jié)點，該區(qū)域定位精度可W達到0.1 mW內(nèi)。參考節(jié)點采集到定位節(jié)點的信息后，將采 集信息傳輸給基站，基站再通過信息轉(zhuǎn)換器將采集定位信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿淼揽诜直O(jiān)控 中屯、和主監(jiān)控中屯、。隧道口出的Lm)屏實時顯示隧道人員信息和車輛信息。顯示的內(nèi)容包 括：ID號，姓名，時間，總?cè)藬?shù)等，使領(lǐng)導(dǎo)及監(jiān)管人員不用進入桐內(nèi)，不必查看監(jiān)控室電腦就 能及時了解隧道內(nèi)施工人員情況。
[0024] 如圖2所示為基于RSSI質(zhì)屯、算法原理圖，Ol，02,03為參考節(jié)點，D為未知節(jié)點，dl為 節(jié)點Ol到定位節(jié)點的距離，d2節(jié)點02到定位節(jié)點的距離，d3節(jié)點03到定位節(jié)點的距離。A點、 B點、C點分別為W01，02,03為圓屯、，dl，d2，d3為半徑畫圓，得到的S圓交疊點。
[0025] 其中基于RSSI的加權(quán)質(zhì)屯、定位算法，用于獲取定位節(jié)點的精確位置坐標。原理如 下：
[0026] 首先通過根據(jù)RSSI模型:RSSI=A-10nlg(d)，（其中n為傳播因子，A為環(huán)境因數(shù)，A 和n都是經(jīng)驗值，由用戶根據(jù)實際情況給定）。將已知定位節(jié)點接收到的RSSI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為距 離信息，將運些距離從小到大進行排序，并優(yōu)選距離最小所對應(yīng)的4個參考節(jié)點進行定位， 每次取其中的3個參考節(jié)點進行組合，運樣就會有4種不同的組合。然后如圖2所示，分別W 選取的3個參考節(jié)點01，02,03為圓屯、，W定位節(jié)點昭I慘考節(jié)點之間的距離dl，d2，d3為半徑 畫圓，3個圓相交會產(chǎn)生公共部分，對3個圓的交點組成的=角形進行分析，利用優(yōu)選的參考 節(jié)點和定位節(jié)點之間的距離為每一個坐標增加權(quán)值，W體現(xiàn)不同頂點的貢獻。該算法中定 位節(jié)點的估計坐標可W用W下公式表示：
[0027]
[002引 W此方法，分別對其他S種組合的定位節(jié)點坐標進行計算，總共得到四個估計點。 最后，取四個估計點組成的多邊形的質(zhì)屯、為定位節(jié)點的位置坐標。
[0029] 如圖3所示為基于RSSI的加權(quán)質(zhì)屯、定位算法流程圖：首先定位節(jié)點發(fā)起計算請求， 參考節(jié)點接收消息后收集獲取多個RSSI值，參考節(jié)點根據(jù)接收的多個RSSI值計算出其平均 值，然后連同自身的ID及坐標信息一起發(fā)送給定位節(jié)點。定位節(jié)點判斷接受的信息值是否 大于4,如果判斷值小于4則返回第一步。當接受值大于4時，定位節(jié)點選擇四個最大的RSSI 值，再調(diào)用設(shè)定好的A值和n值，根據(jù)RSSI模型:RSSI=A-10nlg(d)，啟動定位引擎計算出到 運些參考節(jié)點的距離。然后根據(jù)質(zhì)屯、定位算法算出位置坐標。
[0030] 下面對本實用新型的實施過程作進一步詳細說明：
[0031] 如圖1所示，包括監(jiān)控中屯、、隧道口分監(jiān)控中屯、、信號轉(zhuǎn)換模塊和隧道內(nèi)定位系統(tǒng)， 其中監(jiān)控中屯、、隧道口分監(jiān)控中屯、、信號轉(zhuǎn)換模塊依次和定位系統(tǒng)相連。定位節(jié)點安裝在施 工人員安全帽和車輛頂部，當施工人員和車輛進入隧道時，布置在隧道的參考節(jié)點就會采 集到人員和車輛的位置信息，同時將定位信息傳輸基站，基站再通過信息轉(zhuǎn)換器將采集定 位信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿淼揽诜直O(jiān)控中屯、和總監(jiān)控中屯、。隧道口出的Lm)屏實時顯示隧道 人員信息和車輛信息。顯示的內(nèi)容包括：ID號，姓名，時間，總?cè)藬?shù)等，使領(lǐng)導(dǎo)及監(jiān)管人員不 用進入桐內(nèi)，不必查看監(jiān)控室電腦就能及時了解隧道內(nèi)施工人員情況。
[0032]工作原理:參考節(jié)點和定位節(jié)點及基站在隧道中安裝完成之后，將參考節(jié)點的位 置坐標存儲在監(jiān)控中屯、計算機中。上電之后，各組成部分和各節(jié)點自動組成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。 定位節(jié)點向附近的參考節(jié)點發(fā)起計算請求，附近的參考節(jié)點接收消息后收集獲取到的RSSI 值，參考節(jié)點根據(jù)接收的多個RSSI值，計算出其RSSI平均值，然后連同自身的ID及坐標信息 一起發(fā)送給定位節(jié)點。定位節(jié)點收到附近參考節(jié)點發(fā)送的信息后，對其RSSI值進行排序，選 擇四個最大的RSSI值，再調(diào)用設(shè)定好的A值和n值，根據(jù)RSSI模型:RSSI=A-10nlg(d)，啟動 定位引擎計算出到運些參考節(jié)點的距離，進而確定定位節(jié)點的位置坐標。定位節(jié)點的定位 信息經(jīng)過參考節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到Zi濁ee網(wǎng)關(guān)基站，ZigBee網(wǎng)關(guān)基站再通過無線網(wǎng)絡(luò)將該定位信息 傳遞到計算機。
【主權(quán)項】
1. 一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在隧道施工人員及施工車 輛上的定位節(jié)點（7)，設(shè)置在隧道中的若干用于采集定位節(jié)點（7)信息的參考節(jié)點(6)，參考 節(jié)點（6)的輸出端連接有ZigBee網(wǎng)關(guān)基站（5)，ZigBee網(wǎng)關(guān)基站(5)的輸出端通過信號轉(zhuǎn)換 模塊(4)連接至監(jiān)控中心。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，隧道包括第一 定位區(qū)域和第二定位區(qū)域，第一定位區(qū)域為隧道口至掌子面之間的區(qū)域，第二定位區(qū)域為 掌子面以內(nèi)區(qū)域。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，第一定位區(qū)域 中的參考節(jié)點(6)均勻分布在第一定位區(qū)域的一側(cè);第二定位區(qū)域中的參考節(jié)點(6)均勻分 布在第一定位區(qū)域的兩側(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，第一定位區(qū)域 中相鄰兩個參考節(jié)點(6)的橫向間距為20~30米。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，第二定位區(qū)域 中相鄰兩個參考節(jié)點(6)的橫向間距為10~15米。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)控中心包括 主監(jiān)控中心（1)和分監(jiān)控中心，所述分監(jiān)控中心包括分監(jiān)控主機(2)和顯示屏(3)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，ZigBee網(wǎng)關(guān)基 站(5)設(shè)有若干個，且相鄰的兩個ZigBee網(wǎng)關(guān)基站(5)橫向間距為150米。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，參考節(jié)點（6) 為CC2430芯片。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee的隧道定位系統(tǒng)，其特征在于，定位節(jié)點（7) 為CC2431芯片。
【文檔編號】H04W64/00GK205584512SQ201620421685
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】王海英, 阮祺, 常肖, 梁鵬, 邱喜華, 呂東源
【申請人】長安大學(xué)