WSN定位技术及其在矿井人员定位中的应用研究

论文摘要

煤矿井下环境复杂,存在多种安全隐患。近年来我国煤矿事故频繁发生,造成重大人员伤亡和经济损失,现有的煤矿安全系统已经无法满足安全生产需要。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是集无线通讯、数据采集和信息处理功能于一体的新型分布式自组织数据采集网络,具有低成本、低功耗等特点,适合于煤矿井下的应用,将WSN技术应用于煤矿人员定位,将有效地提高煤矿安全生产监控和管理水平。定位技术是WSN的一项关键技术,在其应用中不知道节点位置监测到的信息是没有意义的,确定节点位置是对煤矿人员实施定位的根本问题。文章系统研究了WSN定位技术的定位机制,定位算法使用性能等,并重点对WSN定位算法在煤矿井下的应用进行了深入研究,针对煤矿环境的特点提出了适用于该环境的双半径定位算法,同时提出了适合于该算法实施和矿井环境的阶梯型节点布设方案。研究内容主要包括:(1) WSN定位算法及其适用性研究:文章对WSN定位算法的定位原理和特点进行了研究,并从算法的定位精度、信标节点密度、硬件要求、节点布设要求等角度进行研究,得出了典型定位算法的适用性能。(2)适合矿井环境下应用的定位算法研究:文章结合矿井下的特殊环境和定位算法特点选择较适合矿井下应用的质心定位算法,并分析其存在不足,在此基础上对该算法进行优化改进,提出了双半径定位算法,并对算法进行了仿真验证,仿真显示定位误差由10.51%降低到了3.62%,有效地提高了节点的定位精度。(3)节点布设研究:文章针对矿井特殊环境和双半径算法的特点提出了阶梯型节点布设方案,该布设方案能够有效提高节点定位精度、全面均衡获取监测信息以及控制节点使用数量,实现了信标节点和未知节点与环境的有效结合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 课题研究内容和创新点
• 1.4 结构安排
• 第2章 无线传感器网络及其关键技术
• 2.1 无线传感器网络简介
• 2.1.1 无线传感器网络发展现状和应用前景
• 2.1.2 无线传感器网络体系结构
• 2.1.3 无线传感器网络的特点
• 2.2 无线传感器网络的关键技术
• 2.2.1 拓扑控制
• 2.2.2 定位技术
• 2.2.3 时间同步
• 2.2.4 安全
• 2.2.5 网络协议
• 2.2.6 数据融合和管理
• 2.3 本章小结
• 第3章 无线传感器网络定位技术研究
• 3.1 定位技术的发展现状
• 3.2 定位算法的性能评价指标
• 3.3 基于WSN 定位技术的应用
• 3.4 典型定位算法及其适用性研究
• 3.4.1 基于距离（Range-Based）的定位
• 3.4.2 与距离无关（Range-Free）的定位
• 3.4.3 定位算法适用性比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 面向矿井人员定位的双半径定位算法研究
• 4.1 矿井人员定位技术发展概况
• 4.1.1 国内外研究现状
• 4.1.2 矿井人员定位技术及其存在问题
• 4.2 矿井环境的特点及对定位算法的要求
• 4.3 几种用于矿井人员定位的定位算法研究
• 4.4 质心算法及其定位误差分析
• 4.4.1 质心算法定位原理及优缺点
• 4.4.2 误差分析
• 4.5 基于分区判断机制的双半径定位算法研究
• 4.5.1 算法思路
• 4.5.2 双半径定位算法设计
• 4.5.3 分区判断机制
• 4.5.4 算法仿真验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于双半径定位算法的井下节点布设研究
• 5.1 节点布设的研究意义
• 5.2 矿井节点布设研究现状
• 5.3 阶梯型布设方案设计
• 5.3.1 设计目标及原则
• 5.3.2 方案
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 研究总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况