地下无线传感器网络定位方法及应用

本书是专门针对地下工程环境监测、人员及设备定位应用的地下无线传感器网络定位方法及应用介绍的著作。全书共5章，内容涉及地下无线传感器网络体系结构、本质安全型网络节点系统、网络节点能量收集方法、协同感知方法和自主定位跟踪方法。本书可以为计算机科学、测控技术、信息科学、自动化等领域从事无线传感器网络研究的相关专业技术人员提供参考。

陈光柱，博士毕业于四川大学计算机系，目前就职于成都理工大学核技术与自动化工程学院机电工程系，任教授。在传感器网络、机电系统设计、监测与控制领域有多年的研究经验。

目 录
第1章 地下无线传感器网络体系结构 1
1.1 引言 1
1.2 地下无线传感器网络模型 3
1.2.1 无线传感器网络拓扑结构 3
1.2.2 地下无线传感器网络结构 3
1.3 地下非理想无线通信模型 7
1.3.1 引言 7
1.3.2 采煤工作面无线通信信道衰落模型 9
1.3.3 采煤工作面无线通信信噪比模型 15
1.4 簇头节点布置策略 17
1.4.1 簇头节点布置模型 17
1.4.2 簇头节点最低密度布置数学模型 18
1.4.3 簇头节点非均匀最低密度布置算法 22
1.4.4 簇头节点动态选择算法 22
1.4.5 簇头节点动态选择算法仿真测试 24
参考文献 26
第2章 本质安全型网络节点系统 29
2.1 引言 29
2.2 网络节点本质安全电源电路 30
2.2.1 网络节点的硬件结构 30
2.2.2 本质安全电源电路设计与分析 32
2.3 网络节点电路设计 41
2.3.1 目标节点电路设计 41
2.3.2 感知节点硬件电路设计 46
2.3.3 网关硬件电路设计 50
2.4 网络节点系统软件设计 52
2.4.1 ZigBee协议简介 52
2.4.2 目标节点软件设计 54
2.4.3 感知节点软件设计 57
2.4.4 网关软件设计 62
2.5 网络节点系统性能测试与分析 66
2.5.1 系统可靠性分析 66
2.5.2 系统能耗分析 71
2.5.3 网络节点系统定位性能实验 76
参考文献 78
第3章 网络节点能量收集方法 81
3.1 引言 81
3.2 振动发电原理 82
3.2.1 压电发电原理 82
3.2.2 电磁发电原理 88
3.3 压电振子发电方法 91
3.3.1 压电振子介绍 91
3.3.2 双晶悬臂梁式压电振子建模 93
3.2.3 双晶悬臂梁式压电振子结构有限元分析 102
3.4 变频发电方法 112
3.4.1 变频发电装置结构 112
3.4.2 变频发电装置谐振建模 113
3.4.3 变频发电装置谐振分析 115
3.4.4 变频发电装置发电性能分析 117
3.5 压电-电磁宽频发电方法 120
3.5.1 压电-电磁宽频发电装置结构 120
3.5.2 压电-电磁宽频发电装置发电分析 122
3.6 压电-电磁宽频发电装置制作与性能测试 132
3.6.1 压电-电磁宽频发电装置制作 132
3.6.2 压电-电磁宽频发电装置发电实验平台搭建 137
3.6.3 压电-电磁宽频发电装置发电实验分析 138
参考文献 150
第4章 协同感知方法 153
4.1 引言 153
4.2 网络工作调度策略 154
4.2.1 理论描述 154
4.2.2 感知节点调度算法 160
4.2.3 网络工作调度仿真测试与分析 162
4.3 二元协同目标感知策略 172
4.3.1 目标感知模型 172
4.3.2 感知节点数量模型 174
4.3.3 二元协同感知策略 175
4.3.4 二元协同感知算法仿真测试与分析 178
4.3.5 二元协同感知算法物理性测试与分析 182
参考文献 183
第5章 自主定位跟踪方法 185
5.1 引言 185
5.2 网络节点定位工作流程 186
5.2.1 网络节点定位交互过程 186
5.2.1 各网络节点工作流程 187
5.3 中垂线定位方法 190
5.3.1 中垂线分割法原理 190
5.3.2 中垂线定位算法 195
5.3.3 虚拟中垂线定位算法 196
5.3.4 仿真测试与分析 199
5.3.5 物理性测试与分析 203
5.4 基于虚拟衍生点的估计定位算法 204
5.4.1 虚拟衍生点描述 205
5.4.2 基于虚拟衍生点的估计定位算法 206
5.4.3 仿真测试与分析 208
5.5 基于Voronoi图的三维定位算法 211
5.5.1 引言 211
5.5.2 三维Voronoi图模型 211
5.5.3 三维Voronoi定位算法 212
5.5.4 仿真测试与分析 214
5.5.5 物理性实验与分析 216
5.6 基于RBF神经网络的运动目标跟踪预测方法 217
5.6.1 跟踪预测模型 217
5.6.2 RBF神经网络介绍 218
5.6.3 基于RBF神经网络的目标跟踪预测算法 220
5.6.4 仿真测试与分析 220
参考文献 226

前  言

地下工程是深入地面以下为开发利用地下空间资源所建造的地下土木工程。它包括地下房屋和地下构筑物、地下铁道、公路隧道、水下隧道、地下共同沟和过街地下通道等。在建设与维护地下工程中，为了保证地下工程施工及维护的安全性，需要对相关岩土应力特性、地下结构，以及地下施工设备及人员进行有效的监测监控。无线传感器综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协同地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络已经在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等领域得到了广泛应用。
将无线传感器网络技术应用于地下工程，可有效地构建地下工程环境及施工设备、人员的有效监测监控系统，保障地下工程的安全。地下工程的地理几何形状大多数呈现一种狭长形状，因此，在应用无线传感器网络对其监测时，网络节点需要沿狭长形区域布置，也就是地下无线传感器网络的拓扑结构表现为链式拓扑结构。因此，地下无线传感器网络具有一些自身的特点，需要对其关键技术进行深入研究。
从2006年开始，在中国博士后科学基金项目、高等学校博士学科点专项科研基金、四川省应用基础研究计划项目、江苏省“六大人才高峰”资助项目、江苏省高校科研成果产业化推进工程项目、机械系统国家重点实验室开放课题、成都理工大学矿业装备技术科研创新团队等的资助下，对面向地下工程的无线传感器网络系统结构、通信模式、节点开发、节点能量收集、定位算法进行了较为深入的探讨。本书正是这些研究工作的一个小结。
全书共5章，包括地下无线传感器网络体系结构、本质安全型网络节点系统、网络节点能量收集方法、协同感知方法和自主定位跟踪方法。地下无线传感器网络体系结构主要介绍地下无线传感器网络的拓扑模型、地下非理想无线通信模型的建立过程，以及节点的布置策略。本质安全型网络节点系统主要介绍网络节点本质安全电源电路的设计与分析、各网络节点硬件与软件设计，以及网络节点系统的性能分析。节点能量收集方法主要介绍压电发电技术、变频发电技术，以及压电-电磁宽频发电技术。协同感知方法主要介绍网络工作调度策略和二元协同目标感知策略。自主定位跟踪方法主要介绍节点定位工作流程、中垂线定位方法、基于虚拟衍生点的估计定位算法、基于Voronoi图的三维定位算法，以及基于RBF神经网络的运动目标跟踪预测方法。
在对本书内容进行研究的过程中，笔者得到了许多学者的帮助，在此表示感谢。特别感谢朱真才教授的指导与帮助。特别感谢罗成名、付海岭、周公博、张蕾、卢倩等所付出的辛勤劳动。感谢电子工业出版社的吴长莘老师、朱雨萌老师所付出的辛勤劳动。
本书所用资料不限于书后所列的参考资料。在此谨向在书中提及与未提及的单位和作者表示感谢。
由于作者水平有限，本书难免有疏漏和欠妥之处，恳请读者批评指正。

作  者
2016年8月