基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、煤炭是我國的主要能源，受我國煤礦復雜地形限制，礦難頻發(fā)?，F(xiàn)有煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)所存在的缺陷和不足，已成為制約煤礦安全生產(chǎn)水平的瓶頸問題，設(shè)計一套能夠滿足煤礦安全需求的井下安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。近年來無線通訊技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，為研發(fā)下一代的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)靈活、自組織、多跳等特點，適用于惡劣環(huán)境，是彌補目前井下監(jiān)控系統(tǒng)缺陷的有效工具。
　　 本文通過對我國2003年

2、4月至2009年12月間發(fā)生的221起重特大煤礦安全事故的分析和事故誘發(fā)原因的統(tǒng)計，借助這些實際事故數(shù)據(jù)，根據(jù)煤礦安全事故產(chǎn)生的必備條件，采用層次分析方法(AHP)建立了瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、頂板事故、透水事故四類典型事故的失信模型。并在煤礦失信因素分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的由傳感與檢測系統(tǒng)、安全信息網(wǎng)絡(luò)與通訊系統(tǒng)、安全管理信息系統(tǒng)、安全預(yù)警決策與決策支持系統(tǒng)

3、以及救援信息保障系統(tǒng)組成的煤礦井下安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，針對煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)中兩個關(guān)鍵性支撐技術(shù)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位和路由技術(shù)展開了研究。在理論研究的基礎(chǔ)上基于CC2430/CC2431節(jié)點設(shè)計、實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位原型系統(tǒng)，并在模擬礦井中利用該原型系統(tǒng)對本文提出的改進RSSI定位算法的性能進行了測試。圍繞這些內(nèi)容所進行的工作和取得成果如下：
　　 1、針對煤礦井下靜止節(jié)點的定位問題，通過對傳統(tǒng)RSSI定位方

4、法的分析，發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)RSSI定位算法中路徑衰落指數(shù)通常取固定的常數(shù)值，無法反映井下環(huán)境對無線信號的影響程度，是導致RSSI定位算法在井下的定位精度較差的原因。本文結(jié)合巷道內(nèi)信標節(jié)點鏈式部署的特點，提出了一種基于信標節(jié)點間距離和信號強度值動態(tài)計算巷道各處的真實路徑衰落指數(shù)的方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于動態(tài)路徑衰落指數(shù)的改進RSSI定位算法。仿真結(jié)果表明，在相同的環(huán)境下，該算法定位精度優(yōu)于RSSI定位算法，能夠滿足井下人員定位的要求。

5、
　　 2、受井下惡劣條件和節(jié)點有限能量的影響，井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會出現(xiàn)節(jié)點失效的情況，使得巷道內(nèi)覆蓋不足，定位節(jié)點由于無法收集到足夠的定位輔助信息而無法完成自身的定位，需要借助一些其它的輔助信息完成節(jié)點定位。井下狹小而封閉的空間限定了定位結(jié)果只能落在這個封閉空間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中信標節(jié)點的分布及網(wǎng)絡(luò)的連通性信息也有助于消除一些冗余的定位結(jié)果，本文在此基礎(chǔ)上提出了一種服務(wù)器端基于地理信息的輔助定位方法，針對井下節(jié)點定位過程中不同的節(jié)

6、點覆蓋度，借助于井下巷道地理信息和信標節(jié)點的分布信息，實現(xiàn)覆蓋度不足情況下的節(jié)點定位，提高節(jié)點定位的精度。
　　 3、針對井下移動節(jié)點的定位問題，通過對巷道內(nèi)移動節(jié)點的移動過程分析發(fā)現(xiàn)，受井下信標節(jié)點鏈式部署特點的影響，移動節(jié)點在移動過程中所感知到的一跳信標節(jié)點的質(zhì)心與移動節(jié)點保持著相同移動的趨勢，且在位置上較為接近，在質(zhì)心點附近采樣，可以大大提高采樣的成功率。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于質(zhì)心盒子的蒙特卡洛定位方法，通過定義一個

7、質(zhì)心盒子縮小采樣范圍，以提高采樣的成功率，并最終提高移動定位的精度。仿真結(jié)果表明該算法比蒙特卡洛定位方法和基于錨盒子的蒙特卡洛定位方法更適應(yīng)于井下巷道內(nèi)的移動節(jié)點定位。
　　 4、針對井下巷道內(nèi)節(jié)點路由問題，通過分析井下巷道內(nèi)線型、網(wǎng)狀和團型三種應(yīng)用場景的特點，分別提出相應(yīng)的路由策略。針對線型場景中監(jiān)測區(qū)域狹長的特點，基于分區(qū)成簇、簇頭成鏈的思想提出了一種適用于狹長結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基于位置的分簇路由(PBCR)協(xié)議；針對網(wǎng)狀場景提出了