基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统及方法

摘要

一种基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统及方法，涉及工业生产安防定位技术领域。由便携式的移动节点(1)、布置于生产车间的信标节点(2)、布置于监控室的sink节点(3)组成；节点间采用2.4G的无线通信方式连接，移动节点发送定位请求指令，接收在其无线射程内信标节点的应答信号，通过基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法得到自己的位置信息，依据此信息判断是否应该报警，并将信息传送到sink节点；监控主机与sink节点通过串口进行通信，实时显示移动节点的位置，并存储进行相关信息。优点在于，移动节点仅需要有与邻居信标节点进行通信的能力就可实现定位，在系统及节点上不必增加额外的硬件设施，降低了系统的成本和功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及工业生产安防定位技术领域，尤其是提供了一种基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统及方法。

背景技术

在工业生产车间中，基于安全生产和技术工艺保密的考虑，通常会将整个生产车间划分为不同的功能区域，如：安全区(畅行区)、重点防护区(限性区)以及危险区(禁行区)等。对于进入生产车间的人员，需要进行安防定位以确保其不会进入无权限许可的功能区域。传统的方式多采用安装闭路监控加警示牌的方式，但这种方式成本相对较高，需要消耗大量的人力和物力，且只能进行被动的监控。

另有采用电子识别卡的方式。进入生产车间的人员随身携带具有唯一编号的电子识别卡，询问装置发射询问信号，接收电子识别卡的应答信号，从而实现人员定位。这种定位系统主要存在两个问题，一个是定位精度低，一般在几十米的量级，不能完全满足应用需求。另外，工业生产车间面积区域通常比较大，而电子识别卡通信距离比较短，不能实现多跳通信，一般不适合于工业生产车间安放定位的应用场合。

无线传感器网络技术的蓬勃发展，使其在数据采集、目标监测和跟踪、环境保护等领域得到了广泛的应用。节点自身定位是无线传感器网络研究的重点之一，本发明利用嵌入式技术、无线通信技术和网络技术等提供了一种能在工业生产车间实现精确安防定位的自组织无线传感器网络系统，克服了以前工业生产车间安防定位的一些缺陷，可广泛应用于工业安全生产管理、考勤、参观、紧急情况处理等。

目前查到利用无线传感器网络实现定位方面的公示专利有两篇，它们与本发明的应用场合不同，并且采用了与本发明不同的定位方法：

2005-11-09公开的专利：CN1694569，题目：《一种基于无线传感器网络的井下定位系统、装置及方法》，发明人：崔莉；苗勇；赵泽；费璟昊；崔洪亮；刘巍。该发明涉及矿井安全监控领域。其系统包括：内置于矿灯内的带定位的移动节点；连接有线和无线网络的网关；系统管理中心。其定位方法为有线网关和移动节点相结合的位置定位方法，将网关的位置和移动节点的相对位置相加，得到移动节点的绝对位置。

2007-06-27公开的专利：CN1988550，题目：《一种无线传感器网络无锚点定位的分布式实现方法》，发明人：崔逊学；赵湛。该发明涉及在无线传感器网络中自身定位技术领域，通过各个网络节点相互测量距离数值来获得各自感知范围内的邻居信息，多次交换彼此的估计坐标。首先估算节点的大致位置，然后利用质点弹簧优化模型，在节点自身分别迭代计算自己的估计坐标位置。发明适用于节点之间提供相互测距功能的自组织无线传感器网络。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统及方法，设计一种便携式支持移动定位的无线传感器网络节点，设计一种移动节点与信标节点相配合的移动定位方案，实现对进入工业生产车间人员的精确定位。进入工业生产车间的人员，佩戴与其身份及权限相符的移动节点，移动节点借助于预先布置的信标节点利用定位算法实时的获得自己在生产车间中的位置，并将此位置信息自动地传送给监控室中的sink节点。当配带移动节点的人员在接近其无权限许可进入的功能区域时(限行区或禁行区)，移动节点会向佩戴人员发出报警信息进行提醒。

本发明的基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统包括：便携式的移动节点1、布置于生产车间的信标节点2、布置于监控室的sink节点3。工业生产车间安防定位方法为：基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法。即根据接收信号强度和信标节点的位置确定移动节点所在的最小环段区域，取此环段区域的中心坐标作为该移动节点的估计位置的定位方法。

本发明的基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统由便携式带定位功能的移动节点1、布置于生产车间的信标节点2和布置于监控室的sink节点3组成。移动节点、信标节点和sink节点均采用2.4G的无线通信方式连接，sink节点通过RS-232串口与监控室的监控主机相连。定位时，移动节点发送定位请求指令，接收在其无线射程内信标节点的应答信号，通过基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法得到自己的位置信息，依据此信息判断是否应该报警，并将信息传送到sink节点。监控主机与Sink节点通过串口进行通信，实时显示移动节点的位置，并存储进行相关信息。

便携式的移动节点由微处理器单元、存储器单元、射频通信单元、定位功能模块以及报警功能模块组成，可实现无线通信、数据处理以及包括定位和报警在内的各种应用程序。节点为嵌入式系统，具有结构紧凑、体积小等特点，可以放置于安全帽。为适应工厂环境，所有的节点均进行了防潮、防腐蚀和防霉的工艺处理，确保工作的可靠性。移动节点采用1.65Ah的FHP103450AR型锂电池供电，延长了节点的工作时间。

本发明的定位方法是基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法，由便携式移动节点1、布置于生产车间的信标节点2和布置于监控室的sink节点3组成。定位时，移动节点发送定位请求，在其无线射程内的信标节点接收到定位请求后发送应答信号。移动节点接收到应答信号后，首先根据接收信号强度以及无线信号传播信道衰减的对数常态分布模型和正态分布的“3σ”法则(即：对于正态分布X～N(μ，σ²)，尽管正态变量的取值范围是(-∞，+∞)，但它的值落在(μ-3σ，μ+3σ)内概率是99.74％，几乎是肯定的事)建立能量区间和与射程区间之间的对应关系。移动节点获得多个与信标节点相关的射程区间距离信息后，确定一个包围此移动节点的最小环段区域，取该环段区域的中心坐标作为移动节点的估计位置。移动节点获得自己的位置信息后，判断是否应该报警，并将信息传送到sink节点，在监控主机上实时显示移动节点的位置。

根据无线信号传播信道的对数常态分布模型和正态分布的“3σ”法则确定能量区间和射程区间，能量区间的分界点与射程区间的分界点一一对应，若移动节点接收到的信标节点的信号强度落在某个能量区间上，则可判定移动节点必定落在距离信标节点对应的射程区间上，即两者之间的距离必定小于此射程区间分界点对应的距离值。

移动节点根据信标节点坐标和判定的射程区间确定移动节点所在的环段区域和最小环段区域的步骤如下：

步骤S4：若已判定移动节点落在距离信标节点的某个射程区间上，两者之间的距离小于此射程区间分界点对应的距离值α_kR，则用r_i表示信标节点与坐标原点(工业生产车间安防定位的0参考点)之间的欧氏距离，用β_i表示信标节点与坐标原点的连线与横坐标轴正向的夹角，以坐标原点为圆心，以r_i-α_kR为半径画内弧线，以r_i+α_kR为半径画外弧线，以$\tan ({\mathrm{\β}}_i\±\arcsin \frac{{\mathrm{\α}}_{k_{\mathrm{ij}}}R}{r_i})$为斜率作射线分别交内外弧线与P_i、Q_i、S_i、T_i，P_iS_iT_iQ_i围成一个环段区域D_PiSiTiQi，移动节点必位于此环段区域D_PiSiTiQi内。

步骤S5：若得到多个射程区间信息，则可以获得多个环段区域，这些环段区域的交集即为所求的最小环段区域，最小环段区域的中心作为移动节点的估计位置。最小环段区域用如下方法求得：以坐标原点为圆心，取所有环段区域中半径最长的那一条内弧线作为最小环段区域的内弧线，取所有环段区域中半径最短的那条外弧线作为最小环段区域的外弧线，取所有环段区域中与X轴正向夹角最小的那条上边线为最小环段区域的上边线，取取所有环段区域中与X轴正向夹角最大的那条下边线为最小环段区域的下边线，四线围成的环段区域即为最小环段区域，最小环段区域的中心坐标即为对移动节点的位置估计。

进入生产车间的人员，如技术人员、操作人员或参观者由于其身份不同，因而佩戴具有不同预设权限的移动节点。在人员进入车间后，移动节点发送定位请求，接收其邻居信标节点的应答信号，根据应答信息和接收到的信号强度按照基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位方法，即基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法，获得自身的位置信息。然后根据此位置信息和预设的权限判断是否应该报警，并将信息传送到sink节点，由监控主机进行实时位置显示和信息存储。

本发明的安防定位方法的优点是：移动节点仅需要有与邻居信标节点进行通信的能力，无需直接测量信标节点和移动节点之间的距离或角度信息，因而在系统及节点上不必增加额外的硬件设施，降低了系统的成本和功耗。本发明可广泛应用于各工业生产车间的工作人员、参观人员或者移动设备的精确定位，实现工业安全生产管理、考勤、参观或紧急情况处理等。

附图说明

图1是基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统示意图。

图2是便携式的移动节点的结构示意图。

图3是工业生产车间安防定位方法(基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法)中进行能量区间划分和射程区间划分示意图，根据无线信号传播信道的对数常态分布模型和正态分布的“3σ”法则确定能量区间和对应的射程区间。

图4是工业生产车间安防定位方法(基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法)中根据信标节点坐标和判定的射程区间确定环段区域的示意图；是单个信标节点确定的环段区域。

图5是工业生产车间安防定位方法(基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法)中根据信标节点坐标和判定的射程区间确定最小环段区域的示意图；是两个信标节点确定的最小环段区域。

图6是工业生产车间安防定位方法的一个示例性的流程图。

具体实施方式

图1是基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统示意图，该系统由移动节点(1)、信标节点(2)和sink节点(3)组成，节点之间通过2.4G的无线通信方式连接。Sink节点通过串口与监控室内的监控主机相连接。监控主机上运行监控管理软件，可以实时显示工业生产车间中各移动节点的位置信息，亦可通过sink节点对移动节点和信标节点发出相关的命令信息。

图2是便携式的移动节点结构示意图。该移动节点包括为微处理器单元、存储器单元、射频通信单元、定位功能模块以及报警功能模块。节点为嵌入式系统，具有结构紧凑、体积小等特点，可以放置于安全帽。为适应工厂环境，所有的节点均进行了防潮、防腐蚀和防霉的工艺处理，确保工作的可靠性。移动节点采用1.65Ah的FHP103450AR型锂电池供电，延长了节点的工作时间。

图3工业生产车间安防定位方法(基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法)中进行能量区间划分和射程区间划分的示意图。根据无线信号传播信道的对数常态分布模型和正态分布的“3σ”法则确定能量区间和射程区间。对数常态分布模型中用到的参数根据应用环境加以选择，能量区间的划分以射程区间的划分为目的。图中Y0是在理想的自由空间中无线信号的能量随距离的衰减曲线，其中Y0：$P\left(d\right)=P_t-\mathrm{PL}\left(d_0\right)-10\mathrm{\ηlg}\frac{d}{d_0}.$Y1是无线信号按对数常态分布模型衰减的曲线，其中Y1：$P\left(d\right)=P_t-\mathrm{PL}\left(d_0\right)-10\mathrm{\ηlg}\frac{d}{d_0}+X_{\mathrm{\σ}}.$Y2是按照正态分布的“3σ”法则绘制的用于能量区间划分和射程区间划分的曲线，其中Y2：$P\left(d\right)=P_t-\mathrm{PL}\left(d_0\right)-10\mathrm{\ηlg}\frac{d}{d_0}+3\mathrm{\σ}.$能量区间的分界点P_R，P_R/2，P_R/4，P_R/8，P_R/16与射程区间的分界点R，R/2，R/4，R/8，R/16一一对应，若移动节点接收到的信标节点的能量$P\≥P_{{\mathrm{\α}}_{k}R},$(α_k＝2^(21-k)，k＝{1，2，3，4，5})，则可判定移动节点必定落在距离信标节点的(0，α_kR]的射程区间上，即两者之间的距离必定小于α_kR。

图4是工业生产车间安防定位方法(基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法)中移动节点根据信标节点坐标和判定的射程区间确定移动节点所在的环段区域的示意图。

步骤S4：若已判定移动节点落在距离信标节点的(0，α_kR]的射程区间上，即两者之间的距离小于α_kR，则用r_i表示信标节点与坐标原点之间的欧氏距离，用β_i表示信标节点与坐标原点的连线与横坐标轴正向的夹角，以坐标原点为圆心，以r_i-α_kR为半径画内弧线，以r_i+α_kR为半径画外弧线，以$\tan ({\mathrm{\β}}_i\±\arcsin \frac{{\mathrm{\α}}_{k_{\mathrm{ij}}}R}{r_i})$为斜率作射线分别交内外弧线与P_i、Q_i、S_i、T_i。则P_iS_iT_iQ_i围成一个‘环段区域D_PiSiTiQi，移动节点必位于环段区域D_PiSiTiQi内。

图5是工业生产车间安防定位方法(基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法)中移动节点根据信标节点坐标和判定的射程区间确定移动节点所在的最小环段区域的示意图。

步骤S5：若得到多个射程区间信息，则可以获得多个环段区域，这些环段区域的交集即为所求的最小环段区域，最小环段区域的中心作为移动节点的估计位置。最小环段区域用如下方法求得：以坐标原点为圆心，取所有环段区域中半径最长的那一条内弧线作为最小环段区域的内弧线，取所有环段区域中半径最短的那条外弧线作为最小环段区域的外弧线，取所有环段区域中与X轴正向夹角最小的那条上边线为最小环段区域的上边线，取取所有环段区域中与X轴正向夹角最大的那条下边线为最小环段区域的下边线，四线围成的环段区域即为最小环段区域。最小环段区域的中心坐标即为对移动节点的位置估计。

图6工业生产车间安防定位方法(基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法)的一个示例性的流程图。进入生产车间的人员，如技术人员、操作人员或参观者由于其身份不同，因而佩戴具有不同预设权限的移动节点。在人员进入车间后，移动节点发送定位请求，接收其邻居信标节点的应答信号，根据应答信息和接收到的信号强度按照基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位方法，即基于接收信号强度的最小环段区域中心定位方法，获得自身的位置信息。然后根据此位置信息和预设的权限判断是否应该报警，并将信息传送到sink节点，由监控主机进行实时位置显示和信息存储。

步骤S6-1：对移动节点进行编号，编号与人员身份及权限一一对应，通过编号可唯一确定人员身份和权限。

步骤S6-2：移动节点与信标节点和sink节点建立无线通信连接，并发送定位请求。

步骤S6-3：移动节点接收邻居信标节点的应答信息，记录信标节点坐标位置和接收信号强度等。

步骤S6-4：根据无线信号传播信道的对数常态分布模型和正态分布的“3σ”法则确定能量区间和射程区间的关系。

步骤S6-5：根据接收到的多个邻居信标节点的信息按照能量区间和射程区间的关系确定移动节点所在的最小环段区域，并取其中心作为移动节点的位置估计。

步骤S6-6：根据本移动节点的权限和自己的估计位置，判断是否即将或已经进入自身无权限进入的工业生产车间功能区域。

步骤S6-7：如果即将或已经进入自身无权限进入的工业生产车间功能区域，则移动节点根据报警等级进行声、光和振动的组合报警。

步骤S6-8：移动节点将自身位置信息和报警信息等通过无线通信发送到sink节点，sink节点随之将信息发送给监控主机进行显示和信息存储。