【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及uwb定位通信的，尤其是指一種適合無衛星定位信號的隧道內uwb定位的通信組網和被定位的標簽節點的快速接入通信的方法。
技術介紹
1、近年來，隧道施工技術和施工裝備在高速發展，對施工安全、施工人員、設備管理也提出了更高的要求。隧道施工中，對施工人員和施工移動設備的定位需求增加，但是隧道中沒有衛星定位信號，不能應用全球導航衛星系統（gnss）如gps（全球定位系統）、bds（北斗導航衛星系統）和glonass，因此不能像地面人員和設備一樣采用gnss定位和導航，只能開發獨立和自組織的定位方案。uwb定位方法可以實現厘米級的定位精度，部署方便，可以滿足隧道施工中定位的需求。雙側雙向測距（double?side?two-way?ranging，ds-twr）是一種基于飛行時間（time?of?flight，tof）的測距方法，常用于uwb通信過程中進行測距。ds-twr通過兩個節點之間的多次通信，并在通信消息中附帶發送時刻與接收時刻的時間戳，根據一定的算法則可計算出電磁波在兩節點之間的飛行時間，將其與光速相乘即可得到兩個節點之間的距離。在ds-twr通信過程中，同時采用到達相位差（phase?difference?ofarrival，pdoa）方法測量兩個節點之間的角度，從而根據距離和角度確定被測節點的坐標位置，實現定位。
2、在定位過程中，測量本節點的雙天線與其它節點之間的角度的pdoa方法不需要本節點發射uwb消息，只要監聽其它節點的uwb消息即可，而一次ds-twr測距需要錨節點和標簽節點之間進行4次的通
3、為了減少標簽節點接入錨節點通信子網的時間，需要充分利用隧道內多個錨節點之間交換數據的機制，實現標簽節點在兩個相鄰錨節點之間的時間槽預分配和即時釋放時間槽，從而提高時間槽的利用率，容納更多的標簽節點，減少與其他節點競爭，避免浪費時間槽和計算資源。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供了一種適合隧道內uwb定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，根據標簽節點的位置申請加入最近錨節點通信子網，并根據標簽節點所處位置被預分配到相鄰其它錨節點中，減少申請加入錨節點通信子網的過程，實現快速接入錨節點；在通信時間槽設計中，設計兩級時間槽：宏時隙（macrotime?slot）和微時隙（micro?time?slot），一個宏時隙包含至少一個微時隙，其微時隙編號不一定連續，以便減少空閑時間，提高定位標簽節點的密度。
2、為實現上述目的，本專利技術所提供的技術方案為：隧道內uwb定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，包括：
3、沿著隧道按照線性間隔部署錨節點，錨節點與標簽節點之間通過uwb方式進行通信和定位，錨節點之間通過有線或者無線實現通信，一個錨節點與其信號覆蓋范圍內定位的標簽節點組成一個uwb定位的通信子網，采用基于ieee?802.15.4的uwb的?mac?層協議，并在此協議基礎上提出一種動態的超幀結構，由活動期和非活動期組成，活動期由信標幀即beacon幀、非競爭接入階段cfp和競爭接入階段cap組成，在活動期中，錨節點首先廣播beacon幀，之后是cfp，最后才是cap；
4、把通信子網的超幀中時隙管理分為宏時隙和微時隙，一次完整的任務分配在一個宏時隙中完成，一個宏時隙包含至少一個微時隙，這些微時隙不一定連續，按照所完成通信任務的定時要求來選擇宏時隙中微時隙的個數和在超幀中的位置；
5、在標簽節點從一個錨節點的通信子網過渡到另外一個錨節點的通信子網時，標簽節點所在的通信子網的錨節點通過與鄰居錨節點協商，主動為標簽節點分配鄰居錨節點的宏時隙和微時隙，無需標簽節點移動到鄰居錨節點的通信子網后再申請時隙，標簽節點只要一次入網就能一直在線；其中，標簽節點第一次入網采用主動申請方式在cap完成申請，之后就在正常通信過程中，被動地接收錨節點分配的宏時隙和微時隙信息，錨節點若長期未接收到標簽節點的通信幀，則釋放其時隙。
6、進一步，相鄰錨節點之間活動期不重疊，通過時分多址tdma方式實現錨節點與不同標簽節點的分時通信；中間間隔1個位置的錨節點之間的活動期能夠重疊，通過空分多址sdma方式實現不同通信子網的同時通信，從而提高標簽節點的密度和通信的實時性。
7、進一步，錨節點之間的間距拉長，但是需要保證標簽節點任何位置至少有1個錨節點能與之通信，即標簽節點的uwb通信距離要大于錨節點間距的一半；錨節點能夠安裝在施工隧道的一側墻壁或者雙側墻壁或者隧道頂部，相鄰錨節點之間按照tdma的分時進行超幀的發送時間分配，設定錨節點的通信周期，錨節點k在[t1,?t1+1]時間區間處于超幀狀態，t1時刻開始發送beacon幀，持續通信預設時間，到[t1+1，t1+2]時間區間則處于非超幀狀態，不發送uwb通信信號；而錨節點k-1和錨節點k+1則在[t1+1，t1+2]時間區間處于超幀狀態，這兩個節點在t1+1秒時刻開始發送beacon幀，由于處于不同的空間位置，uwb信號不會相互干擾，以此實現sdma；
8、當標簽節點在隧道中的a位置時，首先檢測錨節點的超幀中的beacon幀，若在兩個beacon幀持續時間內依次檢測到兩個beacon幀，說明在兩個相鄰錨節點的交叉覆蓋范圍，此時，標簽節點選擇信號強度較大的錨節點加入，標簽節點在超幀的cap時間區間申請分配cfp時間區間的宏時隙和微時隙；當標簽節點在隧道中的b位置時，已經處于錨節點的過渡區域，此時，錨節點k-1為標簽節點通過wifi或者其它通信方式向錨節點k協商申請宏時隙和微時隙，錨節點k-1在與標簽節點進行正常cfp通信過程把申請到的時隙告知標簽節點，此后標簽節點能夠與錨節點k進行cfp的時隙通信，同時標簽節點也能夠即時向錨節點k-1申請釋放其占有的時隙；如果標簽節點不主動申請釋放在錨節點k-1占有的時隙，則經過一段時間標簽節點不與錨節點k-1通信，則錨節點k-1認為標簽節點已經不在其管理的通信子網，主動釋放標簽節點所占有的cfp時隙；同樣地，標簽節點沒有與其分配cfp實現的錨節點通信本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，相鄰錨節點之間活動期不重疊，通過時分多址TDMA方式實現錨節點與不同標簽節點的分時通信；中間間隔1個位置的錨節點之間的活動期能夠重疊，通過空分多址SDMA方式實現不同通信子網的同時通信，從而提高標簽節點的密度和通信的實時性。
3.根據權利要求2所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，錨節點之間的間距拉長，但是需要保證標簽節點任何位置至少有1個錨節點能與之通信，即標簽節點的UWB通信距離要大于錨節點間距的一半；錨節點能夠安裝在施工隧道的一側墻壁或者雙側墻壁或者隧道頂部，相鄰錨節點之間按照TDMA的分時進行超幀的發送時間分配，設定錨節點的通信周期，錨節點K在[t1,?t1+1]時間區間處于超幀狀態，t1時刻開始發送Beacon幀，持續通信預設時間，到[t1+1，t1+2]時間區間則處于非超幀狀態，不發送UWB通信信號；而錨節點K-1和錨節點K+1則在[t1+1，t1+2]時間
4.根據權利要求3所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，在每個錨節點的通信子網中，采用星型拓撲結構；錨節點廣播Beacon幀的宏時隙占用一個微時隙，一次錨節點與標簽節點的雙邊雙向測距DS-TWR包括4次UWB通信，整個通信由請求幀即Poll幀、響應幀即Resp幀、最后一幀即Final幀和確認幀即Ack幀這4個定位通信幀組成，分別占用i、i+3、i+6、i+9編號的4個微時隙，其中i為可能的微時隙號，該4個微時隙之間的其它時隙能夠安排其它標簽節點的測距通信或者其它功能的通信；
5.根據權利要求4所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，在錨節點與標簽節點定位的4次UWB通信中，由于每個定位通信幀的長度短，在這些通信幀中夾帶其它數據通信功能，即把其它通信數據幀與定位通信幀合并為復合數據幀，提高通信效率；復合數據幀利用IEEE802.15.4的MAC幀控制域中保留的幀類型實現，復合數據幀載荷的第1個字節為第1功能號，第1功能號與其相關的數據內容的長度是固定的，之后是第2功能號，第2功能號及其之后的內容與標準的IEEE802.15.4的應用層協議一致，第2功能號的內容長度是可變的，與標準的IEEE802.15.4一樣，第1和第2功能的總長度在物理幀頭中標識，并小于128字節。
6.根據權利要求5所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，在錨節點和標簽節點的能量管理方面，采用非對稱能量管理設計，具體如下：
7.根據權利要求6所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，充分考慮微控制器MCU的中斷響應時間、MCU與UWB收發器的通信時間和中斷程序執行時間，定義一個基礎時間單位Tb，其它時間參數以該基礎時間單位為基準，從而簡化關鍵時間參數的配置，包括微時隙的持續時間長度Tmicro為Tb的整數倍、MCU從睡眠中喚醒就比Beacon幀到來時間提前2Tb喚醒及錨節點與標簽節點的時鐘同步精度按照0.01Tb來配置。
8.根據權利要求7所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，所述錨節點的工作流程如下：
9.根據權利要求8所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，所述標簽節點的工作流程如下：
10.根據權利要求9所述的隧道內UWB定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，所述錨節點包括第一UWB通信模塊（M101）、第一MCU模塊（M102）、UPS電源模塊（M103）、WIFI通信模塊（M104）和第一其它功能模塊（M105）；所述標簽節點包括第二UWB通信模塊（M111）、第二MCU模塊（M112）、電池電源模塊（M113）和第二其它功能模塊（M114）；所述第一UWB通信模塊（M101）和第二UWB通信模塊（M111）負責完成UWB通信功能，包括錨節點與標簽節點的定位通信、標簽節點的傳感器數據上傳和錨節點命令的下達；所述UPS電源模塊（M103）給錨節點提供持續供電，標簽節點由所述電池電源模塊（M113）的電池供電；所述WIFI通信模塊（M104）完成錨節點之間的WIFI通信，錨節點之間通信還能夠通過第一其它功能模塊（M105）中包含的有線以太網或者光纖通信實現；所述第二其它功能模塊...
【技術特征摘要】
1.隧道內uwb定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的隧道內uwb定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，相鄰錨節點之間活動期不重疊，通過時分多址tdma方式實現錨節點與不同標簽節點的分時通信；中間間隔1個位置的錨節點之間的活動期能夠重疊，通過空分多址sdma方式實現不同通信子網的同時通信，從而提高標簽節點的密度和通信的實時性。
3.根據權利要求2所述的隧道內uwb定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，錨節點之間的間距拉長，但是需要保證標簽節點任何位置至少有1個錨節點能與之通信，即標簽節點的uwb通信距離要大于錨節點間距的一半；錨節點能夠安裝在施工隧道的一側墻壁或者雙側墻壁或者隧道頂部，相鄰錨節點之間按照tdma的分時進行超幀的發送時間分配，設定錨節點的通信周期，錨節點k在[t1,?t1+1]時間區間處于超幀狀態，t1時刻開始發送beacon幀，持續通信預設時間，到[t1+1，t1+2]時間區間則處于非超幀狀態，不發送uwb通信信號；而錨節點k-1和錨節點k+1則在[t1+1，t1+2]時間區間處于超幀狀態，這兩個節點在t1+1秒時刻開始發送beacon幀，由于處于不同的空間位置，uwb信號不會相互干擾，以此實現sdma；
4.根據權利要求3所述的隧道內uwb定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，在每個錨節點的通信子網中，采用星型拓撲結構；錨節點廣播beacon幀的宏時隙占用一個微時隙，一次錨節點與標簽節點的雙邊雙向測距ds-twr包括4次uwb通信，整個通信由請求幀即poll幀、響應幀即resp幀、最后一幀即final幀和確認幀即ack幀這4個定位通信幀組成，分別占用i、i+3、i+6、i+9編號的4個微時隙，其中i為可能的微時隙號，該4個微時隙之間的其它時隙能夠安排其它標簽節點的測距通信或者其它功能的通信；
5.根據權利要求4所述的隧道內uwb定位的通信組網和標簽節點快速接入方法，其特征在于，在錨節點與標簽節點定位的4次uwb通信中，由于每個定位通信幀的長度短，在這些通信幀中夾帶其它數據通信功能，即把其它通信數據幀與定位通信幀合并為復合數據幀，提高通信效率；復合數據幀利用ieee802.15.4的mac幀控制域中保留的幀類型實現，復合數據幀載荷的第1個字節為第1功能號，第1功能號與其相關的數據內容的長度是固定的，之后是第2功能號，第2功能號及其之后的內容與標準的ieee802.15.4的應用層協議一致，第2功能號的內容長度是可變的，與標準的ieee802.15....
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