技术领域
[0001] 本
发明涉及定位领域，具体涉及一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统。
背景技术
[0002] 矿井井下人员定位常用的定位方法有：
射频识别技术(RFID)、接受
信号强度指示(RSSI)，测量到达时间(TOA)，测量到达时间差(TDOA)等方法。
[0003] 目前矿井实际使用以基于射频识别技术(RFID)的定位系统数量最大，使用RFID具有以下问题：定位
精度受读写器分布
密度限制，只能实现区域定位,不能做到误差为几米的精确定位；同时，受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。信号强度指示(RSSI)方法是ZigBee和WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传输损耗模型计算定位终端与定位基站之间的距离；定位基站接收到的信号强度随距离发射机的
位置变化而变化，即定位基站距离定位终端距离越近，接收到的信号强度越强，反之，定位基站距定位终端越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离预估值，然后将距离预估值与信号强度地图进行比对分析，再经过滤波确定最终定位结果，RSSI方法简单易实施；但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加定位基站的密度和通过全局优化
算法来控制单方向上的定位误差，但井下环境多为隧道组成的线状环境，无法得到平面上其它方向的场强数据，所以当巷道中存在如较大金属遮挡物等其它影响无线
信号传输的因素时，定位误差较大。到达时间定位(TOA)需要定位终端与定位基站、定位基站与定位基站之间严格时钟同步，系统时钟同步困难，晶振
稳定性要求高，系统复杂，成本高。到达时间差定位(TDOA)不需定位终端与定位基站时钟同步，但需定位基站与定位基站之间严格时钟同步，系统时钟同步困难，晶振稳定性要求高，成本较高。
[0004] “UWB组网定位的系统及方法”公开了一种UWB组网定位的系统及方法。系统包括：一个或多个标签，其位于待定位的设备上，并间隔第一周期向外广播UWB信号；多个UWB基站，其固定在预定位置上，所述多个UWB基站分别基于一个或多个标签广播的UWB信号，获得每个UWB基站与一个或多个标签之间的距离；以及
服务器，其分别连接到所述多个UWB基站，所述服务器基于所述多个UWB基站与一个或多个标签之间的距离，对所述多个标签进行定位。但是，该方案中的UWB基站需要设定一个ID号，没有彻底解决UWB无线信号冲突问题，没有阐明UWB定位数据传输技术，而且系统灵活性较差、维护复杂、适用性较弱。
[0005] “一种UWB高精度定位系统及定位方法”公开了一种UWB高精度定位系统及定位方法。该定位系统包括至少1个UWB定位信号发送器组以及用于对UWB定位信号发送器组进行同步控制的至少1个中心
控制器，1个UWB定位信号发送器组包括N个UWB定位信号发送器，其中，N为等于或大于3的整数，任意两个UWB定位信号发送器之间以及任意一个UWB定位信号发送器与中心控制器之间实现无线通信；还包括至少1个定位终端，定位终端用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，定位终端与中心控制器之间实现无线通信。但是，该方案仅仅提出了一种单区域内的精确定位系统及定位方法，不能满足矿井巷道及施工隧道等狭长空间内精确定位要求。
[0006] 因此，为解决以上问题，需要一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统，能够实现矿井巷道的精确定位，技术简单、设备安装便捷、组网灵活、扩展性强、适用性广。
发明内容
[0007] 有鉴于此，本发明的目的是克服
现有技术中的
缺陷，提供应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统，能够有效解决目前存在的系统短板和技术缺陷。
[0008] 一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法，包括如下步骤：
[0009] S1.在矿井中布置多个定位基站，通过定位基站的ZigBee管理通道对定位基站进行ZigBee无线组网，将与服务器通信连接的定位基站设定为ZigBee无线组网的网关
节点，将其余的定位基站设定为ZigBee无线组网的网络节点；
[0010] S2.每个网络节点在其无线信号
覆盖范围内测量与其他网络节点之间的距离，并将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；
[0011] S3.布置于目标体的定位终端在其无线信号覆盖范围内测量与网络节点之间的距离，并将测距结果通过ZigBee管理通道传输到距离该定位终端最近的网络节点，并由该网络节点将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；
[0012] S4.服务器通过计算测距结果得到定位终端的准确位置。
[0013] 进一步，步骤S1中，根据如下步骤构建ZigBee无线组网：
[0014] S11.对网络节点进行统计，得到网络节点序列Nn，计算网关节点与网络节点序列Nn中各网络节点之间的距离，得到距离序列Dn，从距离序列Dn中筛选出最小的距离Dk，该距离Dk为网关节点与网络节点k之间的距离，将网络节点k设定为网关节点的兄弟节点；从距离序列Dn中筛选出最接近距离Dk但不小于Dk的距离Di，该距离Di为网关节点与网络节点i之间的距离，将网络节点i设定为网关节点的中继节点；从距离序列Dn中筛选出最接近距离Di但不小于Di的距离Dj，该距离Dj为网关节点与网络节点j之间的距离，将网络节点j设定为网关节点的备选中继节点；将网络节点k、网络节点i以及网络节点j从网络节点序列Nn中剔除，得到网络节点序列Nn-3；网关节点将兄弟节点、中继节点以及备选中继节点的设备信息和距离值进行上传；其中，n为网络节点个数；k、i以及j为网络节点编号；n＝1，2，3...，N；
[0015] S12.计算中继节点与网络节点序列Nn-3中各网络节点之间的距离，得到距离序列Dn-3；从距离序列Dn-3中筛选出最小的距离Dm，该距离Dm为中继节点与网络节点m之间的距离，将网络节点m设定为中继节点的下级中继节点；从距离序列Dn-3中筛选出最接近距离Dm但不小于Dm的距离Dp，该距离Dp为中继节点与网络节点p之间的距离，将网络节点p设定为中继节点的下级备选中继节点；将网络节点m以及网络节点p从网络节点序列Nn-3中剔除，得到网络节点序列Nn-5；中继节点将下级中继节点以及下级备选中继节点的设备信息和距离值进行上传；其中，m以及p为网络节点编号；
[0016] S13.按照步骤S12类推，对ZigBee无线组网中剩余的网络节点进行配置，最终得到ZigBee无线组网的中继节点链以及备选中继节点链。
[0017] 进一步，根据如下步骤对ZigBee无线自组网中的网络节点进行时间同步：
[0018] a.网关节点依次向兄弟节点、中继节点以及备选中继节点发送时间同步
请求帧；
[0019] b.兄弟节点、中继节点以及备选中继节点接收到时间同步请求帧后，回复时间同步响应帧；
[0020] c.按照步骤a-b类推，完成中继节点与下级中继节点以及下级备选中继节点之间的时间同步；
[0021] d.按照步骤c类推，直到ZigBee无线自组网中的所有网络节点的时间保持同步。
[0022] 进一步，ZigBee无线自组网的中继节点链或备选中继节点链的相邻两个网络节点之间的通信信道不同。
[0023] 进一步，步骤S3中，定位终端在其无线信号覆盖范围内测量与网络节点之间的距离包括：
[0024] 定位终端通过广播模式向中网络节点发送测距请求帧；
[0025] 网络节点通过单播模式向定位终端发送测距响应帧；
[0026] 定位终端通过广播模式向网络继节点发送测距数据帧；
[0027] 网络节点通过单播模式向定位终端发送测距报告帧。
[0028] 一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位系统，包括布置于目标体的定位终端、布置于矿井中的多个定位基站以及服务器；
[0029] 所述定位终端通过UWB测距通道和ZigBee管理通道与定位基站无线通信连接；
[0030] 所述UWB测距通道用于测量定位终端与定位基站的距离，所述ZigBee管理通道用于定位终端与定位基站之间信息交互；
[0031] 所述定位基站与定位基站之间通过UWB模
块和ZigBee模块无线通信连接；
[0032] 所述定位基站中任一定位基站作为主站与服务器通信连接并且该定位基站向服务器上传数据。
[0033] 进一步，所述UWB模块具有UWB测距通道，其中，所述UWB测距通道用于测量定位基站与定位基站之间的距离；
[0034] 所述ZigBee模块具有ZigBee数据通道和ZigBee管理通道，其中，所述ZigBee数据通道用于传输定位数据；所述ZigBee管理通道用于ZigBee无线自组网、时间同步以及测距时隙管理。
[0035] 本发明的有益效果是：本发明公开的一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法及系统，通过布置多个定位基站以及定位终端，根据定位基站的ZigBee管理通道，构建ZigBee无线自组网，定位基站之间进行点对点测距以及定位终端与多个定位基站进行点对多点测距，将测距等定位信息通过自组网网络最终上传至服务器，服务器计算测距结果得到定位终端的准确位置，从而实现对矿井巷道目标物的精确定位。
附图说明
[0036] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步描述：
[0037] 图1为本发明的基于UWB与ZigBee的定位系统网络拓扑图；
[0038] 图2为本发明的网络拓扑逻辑图；
[0039] 图3为本发明的定位数据传输时序图；
[0040] 图4为本发明的定位终端与多个定位基站组成的简化拓扑结构图；
[0041] 图5为本发明的UWB点对多点测距
流程图。
具体实施方式
[0042] 以下结合
说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
[0043] 一种应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位方法，包括如下步骤：
[0044] S1.在矿井中布置多个定位基站，通过定位基站的ZigBee管理通道对定位基站进行ZigBee无线组网，将与服务器通信连接的定位基站设定为ZigBee无线组网的网关节点，将其余的定位基站设定为ZigBee无线组网的网络节点；
[0045] S2.每个网络节点在其无线信号覆盖范围内测量与其他网络节点之间的距离，并将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；
[0046] S3.布置于目标体的定位终端在其无线信号覆盖范围内测量与网络节点之间的距离，并将测距结果通过ZigBee管理通道传输到距离该定位终端最近的网络节点，并由该网络节点将测距结果逐级上传至网关节点，并由网关节点将测距结果上传至服务器；
[0047] S4.服务器通过计算测距结果得到定位终端的准确位置。
[0048] 本实施例中，步骤S1中，基于ZigBee管理通道，进行ZigBee无线自组网的网络组建：
[0049] 将连接工业以太环网或传输分站的定位基站的设备类型定义为网关，该定位基站为网关节点；网关节点用于实现ZigBee无线自组网与工业以太环网之间数据转换，是ZigBee无线自组网的管理者、定位数据的汇聚点和时间同步的发起点。
[0050] 网关节点获得周围所有节点的距离信息后，选择1个兄弟节点(距离10m左右)和2个
子节点(距离为50m左右)(如图2)；其中，设网关节点的网络级数为0，表示为“+0”，具有1个兄弟节点和2个子节点，分别表示为“-0”、“+1”和“-1”，以此类推。每个节点(除了“+0”和“-0”)都有1个兄弟节点、1个
父节点、1个备选父节点和2个子节点。将距离值较小的子节点作为中继节点，距离值较大的子节点作为备选中继节点；上述兄弟节点与子节点均为网络节点，下同。
[0051] 具体地，网关节点以单播的方式向兄弟节点和子节点发送
角色配置请求帧，其中，角色配置请求帧包括角色类型、父节点地址、网络级数、兄弟节点地址等信息；
[0052] 兄弟节点和子节点接收到该角色配置请求帧后，回复角色配置响应帧；
[0053] 网关节点将兄弟节点、中继节点(子节点)和备选中继节点(另外一个子节点)的设备信息及距离值上传至服务器；
[0054] 被选为中继节点后的网络节点，根据上述过程类推，发送设备信息帧以及角色配置请求帧等；该网络节点只需选择2个子节点进行信息传输以及角色配置，其兄弟节点已被父节点
指定。其中，所述2个子节点分别为下级中继节点与下级备选中继节点；
[0055] 根据上述角色配置类推，最终得到ZigBee无线自组网的中继节点链或备选中继节点链，其中，中继节点链由多级中继节点组成，备选中继节点链由多级备选中继节点组成；如图2中，“+1”、“+2”和“+3”等为中继节点，中继节点实现定位数据的中转；“-1”、“-2”和“-
3”等为备选中继节点，当中继节点出现故障时，备选中继节点替代中继节点实现定位数据的中转。
[0056] ZigBee无线自组网的中继节点链或备选中继节点链的相邻两个网络节点之间的通信信道不同，避免相邻的网络节点使用相同的通信信道时产生信号干扰，保证了信息传输的准确性。
[0057] 综上所述，ZigBee无线自组网的网络级数可达40跳，甚至更多。ZigBee无线自组网的拓扑结构可以定期自动刷新一次，或者手动下发命令刷新。最终自动生成网络拓扑结构图；该拓扑结构图中，实线为首先路由路径、虚线为冗余路由路径。
[0058] 步骤S1中，为了保证定位基站工作在统一时间轴上，时钟同步精度要求小于1ms。基于ZigBee管理通道，定位基站之间时间同步流程如下：
[0059] 网关节点依次向兄弟节点、中继节点(子节点)和备选中继节点(子节点)发送时间同步请求帧；
[0060] 上述节点接收到该时间同步请求帧后，回复时间同步响应帧；
[0061] 中继节点完成时间同步后，根据上述过程类推，需完成与下级中继节点以及下级备选中继节点之间的时间同步；
[0062] 重复上述过程，直到无线自组网网络的所有网络节点完成时间的同步设置为止。
[0063] ZigBee无线自组网时间同步所需时间与网络级数成正比，每一级时间同步需要10ms，实现40跳的无线自组网时间同步需要400ms。ZigBee无线自组网的时间同步每20s自动更新一次，或者手动下发命令更新。
[0064] 步骤S2中，网关节点广播设备信息帧，其中，将广播次数设置为3次，便于设备信息帧能被接收；该信息帧包括设备地址、网络级数、广播次数等信息；接收到该设备信息帧的网络节点(是指其他非网关节点的定位基站)，随机延时后，发起UWB点对点之间的测距；网络节点将测量到与各节点之间的距离通过ZigBee无线逐级向网关节点进行传输。
[0065] 具体地，网络节点在其无线信号覆盖范围内通过UWB测距技术测量与其他网络节点之间的距离；完成UWB测距后，将距离等信息封装成定位数据，基于ZigBee数据通道，采用时分、频分和空分等多种方式将定位数据逐级上传至网关节点(如图3)。将1s划分为20个时隙，每个时隙50ms，分为偶数时隙(0、2、4、…、18)和奇数时隙(1、3、5、…、19)。
[0066] 在偶数时隙，网络级数为偶数的节点接收数据，网络级数为奇数的节点发送数据。令节点的网络级数为N，当N＝0时，级数为0的节点与级数为1节点采用信道1进行通信；当N＝2时，级数为2的节点与级数为3的节点采用信道2进行通信；当N＝4时，级数为4的节点与级数为5的节点采用信道3进行通信；当N＝6时，级数为6的节点与级数为7的节点采用信道4进行通信；以此类推，将信道1至信道4进行周期性循环运用，即N＝8时，级数为8的节点与级数为9节点采用信道1进行通信等等，以此循环周期性切换信道。
[0067] 在奇数时隙，网络级数为偶数的节点发送数据，网络级数为奇数的节点接收数据。令节点的网络级数为N，当N＝1时，级数为1的节点与级数为2节点采用信道1进行通信；当N＝3时，级数为3的节点与级数为4的节点采用信道2进行通信；当N＝5时，级数为5的节点与级数为6的节点采用信道3进行通信；当N＝7时，级数为7的节点与级数为8的节点采用信道4进行通信；以此类推，将信道1至信道4进行周期性循环运用，即N＝9时，级数为9的节点与级数为10节点采用信道1进行通信等等，以此循环周期性切换信道。
[0068] ZigBee无线自组网的数据传输所需时间与网络级数成正比，每一级数据传输需要50ms，实现40跳无线自组网的数据传输需要2000ms。最终由网关节点将定位数据(也即是测距结果)通过以太网最终上传至服务器。
[0069] 步骤S3中，定位终端在无线信号覆盖范围内测量与中继节点以及备选中继节点之间的距离，也即是，定位终端与M个定位基站测距，需要与M个定位基站分别完成1次测距，一共需要4*M次通信，但是这样会耗费大量时间，测距效率较低。
[0070] 本发明对定位终端与多个定位基站的UWB点对多点测距流程进行优化，减少了UWB通信次数，提高了UWB测距效率。实现UWB点对多点(最多支持10个节点)测距，UWB仅需要12次通信，ZigBee最多需要10次通信，其通信过程大致分为4种信息帧：测距请求帧(POLL，UWB，广播)；测距响应帧(RESP，UWB，单播)；测距数据帧(FINAL，UWB，广播)；测距报告帧(REPORT，ZigBee，单播)。
[0071] 令节点的网络级数为N，一个定位终端与10个定位基站的网络拓扑图(如图4)中，节点+0、+1、+2、+3和+4为中继节点，节点-0、-1、-2、-3和-4为备选中继节点。
[0072] 定位终端与10个节点完成UWB测距需要12次UWB通信和10次ZigBee通信，其过程将产生42个时间戳信息，具体说明如下(如图5)：
[0073] TSP表示定位终端广播测距请求帧的时间戳；
[0074] TRP(+0、-0……+4、-4)分别表示10个节点接收测距请求帧的时间戳；
[0075] TSR(+0、-0……+4、-4)分别表示10个节点发送测距响应帧到定位终端的时间戳；
[0076] TRR(+0、-0……+4、-4)分别表示定位终端接收到10个节点发送的测距响应帧的时间戳；
[0077] TSF表示定位终端广播测距数据帧的时间戳；
[0078] TRF(+0、-0……+4、-4)分别表示10个节点接收测距数据帧的时间戳。
[0079] UWB无线信号的飞行时间，TOFN＝((TRRN-TSP)-(TSRN-TRPN)+(TRFN-TSRN)-(TSF-TRRN))/4，距离DN＝TOFN*C，C为光速(3.0*108m/s)。N取+0、-0……+4和-4。
[0080] 10个节点将计算好的距离DN通过ZigBee无线单播方式封装成测距报告帧发送给定位终端。
[0081] 由上所得，定位终端与10个定位基站分别完成1次测距需要12次UWB通信和10次ZigBee通信。如果采用传统的点对点测距实现定位终端与10个定位基站的测距，需要40次通信。因此，本发明提出的点对多点测距方法将通信次数减少了(40-22)/40＝45％。
[0082] 根据UWB点对多点测距流程，最多会产生10个距离值(D1、D2、D3……D10)。定位终端比较各距离值，将定位终端信息、所有距离值信息和周围定位基站信息等封装成一个定位数据帧，通过ZigBe管理通道发送至距离最近的中继节点，该中继节点将定位数据帧(也即是测距结果)再逐级上传至网关节点，最终上传至服务器。
[0083] 其中，根据UWB点对多点测距流程，完成1次UWB测距需要15ms，因此测距时隙设置为20ms。如果测距周期为1s，存在50个测距时隙(0、1、2、3、…、49)。如果测距周期为2s，存在100个测距时隙(0、1、2、3、…、99)。
[0084] 网关节点统一管理UWB测距时隙资源，采用时分机制彻底解决定位终端并发测距时的UWB无线信号冲突问题。定位终端未获得测距时隙前，采用ZigBee管理通道，周期性发送测距时隙请求帧，通过无线路由方式传输到网关节点，网关节点分配测距时隙后回复测距时隙响应帧，最后回传至定位终端，整个测距时隙分配过程在500ms以内。
[0085] 定位终端在ZigBee无线自组网中获得测距时隙，一般不会改变，直到离开该ZigBee无线自组网。网关节点在规定时间内(一般为10s)没有监测到定位终端的定位数据，则回收该定位终端的测距时隙资源。
[0086] 步骤S4中，服务器接收到网关节点上传的定位数据，该定位数据包括测距结果等信息，通过计算测距结果得到定位终端的准确位置。从而实现在矿井巷道、施工隧道、城市管廊等狭长空间中，对人员或矿井设备(如运输车等)进行准确定位。需要说明的是，定位终端一般设置在被要求定位的人员或矿井设备上，当测得定位终端的具体位置时，即定位到人员或矿井设备的位置。
[0087] 本发明的应用于矿井的基于UWB与ZigBee的定位系统(如图1)，包括布置于目标体的定位终端(示意图中以定位卡表示定位终端)、布置于矿井中的多个定位基站以及服务器；所述定位终端通过UWB测距通道和ZigBee管理通道与定位基站无线通信连接；所述UWB测距通道用于测量定位终端与定位基站的距离，所述ZigBee管理通道用于定位终端与定位基站之间信息交互；所述定位基站与定位基站之间通过UWB模块和ZigBee模块无线通信连接；所述定位基站中任一定位基站作为主站与服务器通信连接并且该定位基站向服务器上传数据。
[0088] 在矿井巷道中，布置多个定位基站，定位基站横向距离为50米左右，纵向距离为10米，覆盖距离能达到2Km；布置多个定位终端，定位终端一般设置在定位基站的周边。
[0089] 定位基站具有1路ZigBee管理通道、1路ZigBee数据通道和1路UWB测距通道。定位基站的ZigBee管理通道用于ZigBee无线自组网的组建网络、时间同步和测距时隙管理。定位基站的ZigBee数据通道用于定位数据的快速、高效和可靠的传输。定位基站的UWB测距信道用于定位基站之间的点对点测距。
[0090] 所述定位终端具有ZigBee无线技术以及UWB测距技术，定位终端通过ZigBee无线技术与定位基站进行无线通信，定位终端通过UWB测距技术与多个定位基站进行点对多点的测距，定位终端将测得的距离等测距结果通过无线传输到距离该定位终端最近的定位基站，定位基站将测距结果逐级上传至主站，并由主站将测距结果最终上传至服务器。
[0091] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
