[发明专利]一种基于无线传感器网络的煤矿井下人员跟踪系统

权利要求书

1.一种基于无线传感器网络的煤矿井下人员跟踪系统，其特征是，包括跟踪监测装置和服务器，所述的跟踪监测装置包括基站、网关、移动传感器节点和多个静态静态传感器节点，所述基站和多个静态静态传感器节点构成无线传感器网络；所述的移动传感器节点由需跟踪的煤矿井下人员携带，并能与静态静态传感器节点通信；所述的无线传感器网络由网关与服务器连接进行数据交换；所述的无线传感器网络采用下述的网络模型：

将部署的静态传感器节点形成的整个感应区域划分为多个大小相同的正方形虚拟网格，每个正方形虚拟网格中选出一个静态传感器节点作为簇头节点，以管理所在正方形虚拟网格内的静态传感器节点，两个相邻的正方形虚拟网格间静态传感器节点可以直接相互通信；

当第一个静态传感器节点监测到煤矿井下工作人员时，该静态传感器节点向其簇头节点发送检测到煤矿井下工作人员的消息，簇头节点收到该消息后向周边的静态传感器节点广播通知，并通过静态传感器节点多跳转发的方式将该消息发送至基站，基站接收到消息后估计煤矿井下工作人员在下一时刻的位置，确定煤矿井下工作人员周围的候选静态传感器节点，并从候选静态传感器节点中选出合适的静态传感器节点，通知选中的静态传感器节点执行下一时刻的跟踪任务；当静态传感器节点的睡眠时间到期后，静态传感器节点被唤醒并查看是否有煤矿井下工作人员进入其感应区域或者是否有执行下一时刻的跟踪任务的通知，如果发现煤矿井下工作人员，静态传感器节点立刻向自己的簇头节点汇报并在下一睡眠/工作周期保持活动状态以继续监测煤矿井下工作人员，如果收到通知，则在下一睡眠/工作周期保持活动状态，如果既没有发现煤矿井下工作人员也没有收到通知，则在下一睡眠/工作周期进入睡眠状态；

基站可以根据常规的粒子滤波器跟踪算法来估计煤矿井下工作人员在下一时刻的位置，并将与所述煤矿井下工作人员在下一时刻的位置在预设距离范围内的静态传感器节点确定为候选静态传感器节点；所述从候选静态传感器节点中选出合适的静态传感器节点，具体包括：

(1)计算各候选静态传感器节点的状态值：

式中，Q_j表示第j个候选静态传感器节点的状态值，E_j、E₀分别为第j个候选静态传感器节点的当前剩余能量、初始能量，R_j为第j个候选静态传感器节点的通信半径，d(N_j,sink)为第j个候选静态传感器节点所在正方形虚拟网格的簇头节点到汇聚节点的距离，λ为预设的权重系数，且满足λ∈(0.6,1)；

(2)从候选静态传感器节点中选择状态值最大的候选静态传感器节点作为跟踪节点；

(3)分别计算剩余候选静态传感器节点与跟踪节点的协作跟踪有效度；

(4)选择协作跟踪有效度最大的候选静态传感器节点作为下一个跟踪节点；

(5)分别计算剩余候选静态传感器节点与新选择的跟踪节点的协作跟踪有效度，依次选择协作跟踪有效度最大的候选静态传感器节点作为下一个跟踪节点，一直持续到选出预设数目的跟踪节点。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的煤矿井下人员跟踪系统，其特征是，所述的静态静态传感器节点安装于煤矿巷道的墙壁上，相邻两个静态静态传感器节点之间的距离不大于30米。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的煤矿井下人员跟踪系统，其特征是，所述的服务器包括收发器、数据处理器和显示器，其中收发器用于接收无线传感器网络中静态静态传感器节点发送的数据；所述的数据处理器用于根据数据绘制需跟踪的煤矿井下人员的运动轨迹，并通过显示器显示所述运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的煤矿井下人员跟踪系统，其特征是，每个簇头节点时刻处于活动状态，在无线传感器网络的初始阶段，每个簇头节点按照下列公式为所在正方形虚拟网格内的静态传感器节点计算睡眠/工作周期并广播：

式中，T_i表示静态传感器节点i的睡眠/工作周期，v_max为煤矿井下工作人员的最大运动速度，b为方形目标监测区域的边长，d(N_i,o)为静态传感器节点i所在正方形虚拟网格的簇头节点N_i与方形目标监测区域的中心点之间的距离，T_max为设定的最大睡眠/工作周期，min[·]表示求取最小值；

当静态传感器节点i接收到簇头节点广播的睡眠/工作周期时，若睡眠/工作周期满足T_i≥t_h+t_s时，静态传感器节点i按照T_i进入睡眠状态，否则继续保持活动状态，其中t_h、t_s分别为静态传感器节点从活动状态转换为睡眠状态和从睡眠状态返回活动状态所需要的时间延迟。