基于CyFi无线网络的井下人员定位系统的研究与设计

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我国煤炭资源丰富,储存量大且分布广,国民经济的发展对煤炭的需求量日益增长。但是,近年来各种矿难事故频发,如:瓦斯气体爆炸、火灾、透水事故等。如何确保井下人员的安全成为一个十分重要的课题。随着半导体技术、无线网络技术的日趋成熟,运用无线网络对井下人员进行实时跟踪定位成为可行的解决方案。由于CyFi无线网络具有通信可靠、协议精简、可用信道多等优点,本论文提出了基于CyFi无线网络的井下人员定位系统的设计方案。  本论文详细地分析了CyFi无线网络通信协议和可编程片上系统PSoC(Programmable System on Chip)后,提出了基于CyFi无线网络的井下人员定位系统的整体设计方案。该定位系统主要由移动节点,固定节点和高可靠性的RS-485标准总线以及监控计算机组成。每位井下人员携带一张标志卡,每张标志卡内存储了标明对应的员工身份的ID号码,ID号码唯一,构成一个移动节点。井下坑道内配置适当数量且已知坐标的固定节点。移动节点通过CyFi无线网络将ID号码和接收信号强度RSSI值(Received Signal Strength Indication)发送到固定节点中,再由RS-485总线传输至监控计算机内。论文详细地介绍了移动节点和固定节点所使用的主要芯片和各模块接口的硬件电路图,并提供了相关程序的流程图。通过测量移动节点的接收信号强度RSSI值,运用接收信号强度与距离的数学关系即可计算出移动节点与固定节点的距离。  为了提高井下人员定位的准确性,提出了基于BFGS算法的三维空间定位的计算方法。由矩阵论的相关理论,首先解决了三维空间中参与定位的固定节点的个数及位置的设置问题,提出了参与定位计算的固定节点的选择算法。为了减少基于接收信号强度RSSI测距产生的误差对定位计算的影响,使用了BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)算法优化其结果。BFGS算法简单,可应用于无线网络定位系统中。实验证明:基于BFGS算法的无线网络定位的误差均小于其它算法,具有有效性和实用性。  测试结果表明:该定位系统性能可靠,功耗低,具有可扩展性,能适应井下的工作环境。由定位计算结果可知,该定位系统提高了定位精度,减小了定位误差。
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