[发明专利]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

权利要求书

1.一种基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统；其特征在于，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。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位系统，其特征在于，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，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，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。

3.一种基于无线传感器网络的工业生产车间安防定位方法，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；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，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；所述的“3σ”法则是对于正态分布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％。

4.如权利要求3所述的定位方法，其特征在于，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”法则进行能量区间划分和射程区间划分，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能量落在某个能量区间上，则可判定移动节点必定落在对距离信标节点对应的射程区间上。

5.如权利要求3所述的定位方法，其特征在于，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步骤如下：

步骤1：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2：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。

6.如权利要求3所述的定位方法，其特征在于，进入生产车间的人员由于其身份不同，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确定移动节点所在的最小环段区域，将最小环段区域中心坐标作为移动节点估计位置；移动节点获得自身的定位信息后根据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。其步骤如下：

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；

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。