无线传感网络煤矿井下RSSI自适应定位算法分析与设计

摘要

煤炭是我国的主要能源，随着煤炭需求量的不断增大，近年来我国煤矿事故攀升趋势严重，煤矿安全状况令人担忧，煤矿安全已成为煤矿生产的重要环节。受我国煤矿复杂地形影响，煤矿井下通信具有电磁干扰强烈、时间和空间特性明显、网络拓扑复杂等特点，导致煤矿井下实时数据无法被及时准确地采集，使得井上监控安全中心无法进行有效的预警和灾后营救工作，并且，随着室内定位应用需求的日益增多，定位技术方法复杂多样，针对煤矿井下特殊环境进行单独分析，提供适用性较强的解决方案，以实现煤矿井下人员实时有效的定位，不仅具有一定的学术研究价值，而且对煤矿工业安全生产，保证生命财产安全有着重要的意义。 本文主要针对煤矿井下定位系统体系结构、巷道环境特征、煤矿井下通信特点、室内定位技术方法等进行研究，具体研究工作如下: (1)对无线信号传播模型进行了有效分析和研究，在传统对数-常态分布模型的基础上，根据煤矿井下节点部署情况和环境特征，通过动态计算并选择RSSI测距模型中的路径损耗指数，提高节点测距精度，降低定位算法由于测距精度较低而导致的误差。 (2)对煤矿井下环境特征进行有效分析和研究，将传统RSSI三边定位算法运用于煤矿井下节点定位，结合巷道环境中的直线巷道、向上和向下弯道情况，将两个信标节点与待定位节点位置关系分成外离、外切、相交、内含等情况，并建立巷道损耗模型，弯道巷壁损耗模型，提出无线传感网络煤矿井下RSSI自适应定位算法，提高煤矿井下节点定位精度，并解决实际复杂环境下，RSSI值存在随机误差，导致三边定位法方程无解的问题。 (3)由于煤矿井下存在环境恶劣，传感器节点能量有限，人为破坏等问题，当出现节点失效的情况，使得巷道内信号覆盖不足，传统的煤矿井下定位方法将无法适用，本文根据巷道结构以及节点运动趋势，并结合牛顿插值定理建立待定位节点在时间、方向等参数上的函数曲线，通过函数曲线建立的经验模型，可以帮助实现节点覆盖度不足情况下的节点位置信息的预测，提高信号覆盖不足情况下的节点定位精度。仿真实验表明无线传感网络煤矿井下RSSI自适应定位算法相比传统的煤矿井下定位算法在定位精度上得到了较大提高，能够较好地满足煤矿井下精确定位的要求，并且在部分节点失效等恶劣条件下仍然能保持较好的定位精度，为保证矿井数据采集的有效性和安全性奠定了坚实基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 煤矿井下定位技术国内外研究现状

1．3 主要研究工作内容

1．4 论文组织结构

第二章 煤矿井下节点定位技术相关研究分析

2．1 煤矿井下无线传感器网络定位系统研究与设计

2．1．1 煤矿井下无线传感器网络体系结构

2．1．2 煤矿井下无线传感器网络定位系统体系结构

2．2 煤矿矿井巷道环境结构及特点分析

2．2．1 煤矿矿井巷道结构

2．2．2 煤矿矿井巷道环境特点分析

2．2．3 煤矿井下通信特点分析

2．3 无线传感网络煤矿井下节点定位技术概述

2．3．1 煤矿井下定位技术分析

2．3．2 无线传感网络煤矿井下测距模型分析

2．3．3 无线传感网络煤矿井下定位算法分析

2．4 本章小节

第三章 无线传感网络煤矿井下RSSI自适应定位算法研究与设计

3．1 无线传感网络煤矿井下节点部署方案

3．2 无线传感网煤矿井下自适应RSSI定位算法

3．2．1 煤矿井下自适应RSSI三角质心定位算法(N>=3)

3．2．2 煤矿井下自适应RSSI三角质心定位算法(N=2)

3．2．3 煤矿井下自适应RSSI三角质心定位算法(N=1)

3．3 本章小结

第四章 仿真实验设计与结果分析

4．1 仿真实验及算法概述

4．2 定位精度比较

4．3 两个信标节点定位精度比较

4．4 单个信标节点定位精度比较

4．5 本章小结

第五章 总结与下一步工作

5．1 总结

5．2 下一步工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间公开发表的论文