礦井安全智能監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術研究.pdf

1、煤礦事故頻發(fā)，造成了巨大人員傷亡和經(jīng)濟損失，井下安全生產(chǎn)問題已受到了國家高度重視，2011年國家安監(jiān)總局與煤礦安監(jiān)局提出了建設礦井安全避險“六大系統(tǒng)”的要求。傳統(tǒng)的并下安全監(jiān)測技術已不能適應當今煤炭生產(chǎn)的需求，迫切需要一種有效的現(xiàn)代自動化的先進監(jiān)測技術來更新。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是一種現(xiàn)代智能自動化的世界最新無線監(jiān)測網(wǎng)絡技術，綜合了多個領域的先進技術，具有廣泛的應用前景。針對上述情況，論文對煤礦安全智能無線監(jiān)測采用最新WSN技術進行

2、了探索，研究工作獲得了江西省科技支撐計劃、自然科學基金和教育廳科技計劃三個項目的資助，重點對井下安全監(jiān)測需要解決WSN的無線通信、傳輸路由協(xié)議、數(shù)據(jù)去冗和人員定位四個關鍵技術進行了研究。主要取得了以下一些解決方案和理論方法:
　　 (1)針對煤礦安全監(jiān)測WSN井下無線通信問題。通過對無線通信介質、短距離無線通信技術和井下監(jiān)測無線通信特征等進行了研究分析，得出了ZigBee最適合作為井下安全監(jiān)測WSN的無線通信技術方案。此方案功耗

3、與成本最低、擴展性與可靠性好、速率和時延小、網(wǎng)絡容量大、拓撲結構靈活，通過設計節(jié)點入網(wǎng)和地址分配方案，驗證了ZigBee無線通信技術的可行性。
　　 (2)針對WSN井下安全監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸路由問題。對典型路由協(xié)議、WSN路由特點和井下安全監(jiān)測路由需求等進行了分析與研究，通過對APTEEN簇首選舉算法及其Sink附近節(jié)點負載均衡進行改進，創(chuàng)新設計了一種低轉換代價的能量均衡(LRCEB)的高能效的分層路由協(xié)議。經(jīng)NS-2仿真模擬對

4、比，結果驗證了新的LRCEB路由協(xié)議比APTEEN協(xié)議更節(jié)能，能耗降低明顯，延長了WSN安全監(jiān)測網(wǎng)絡的壽命（降低了成本），井下監(jiān)測安全性得到了提高。
　　 (3)針對WSN井下安全智能監(jiān)測信息數(shù)據(jù)去冗問題。通過對WSN的數(shù)據(jù)去冗意義及技術、井下安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)特點及去冗要求、WSN數(shù)據(jù)融合技術等進行了分析研究，創(chuàng)新設計了一種基于LRCEB路由協(xié)議的信息挑選高效能的數(shù)據(jù)融合(ISEDA)算法。經(jīng)理論數(shù)值分析及MATLAB仿真對比，結

5、果均驗證了新算法ISEDA在數(shù)據(jù)融合方面有更好的數(shù)據(jù)融合率和節(jié)能效果，網(wǎng)絡壽命接近是LEACH算法的3倍，提升了WSN井下安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，且具有一定的信息安全性。
　　 (4)針對煤礦安全監(jiān)測WSN井下人員定位問題。對WSN的定位特點及技術理論、典型定位算法、井下人員定位需求及特征等進行了分析對比和研究，創(chuàng)新設計了一種基于錨節(jié)點優(yōu)化的R-A(RSSI-APIT)混合定位算法。通過模擬測試與MATLAB分析，結果驗證了R-A