矩形截面礦井巷道WSN覆蓋研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低廉的成本、自發(fā)的組織網(wǎng)絡(luò)、多跳路由和低功耗的優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于礦井的安全監(jiān)測和安全生產(chǎn)中。礦井環(huán)境有其特殊性，礦井中的無線信號因反射、折射等影響會造成信號衰減，進(jìn)而影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信質(zhì)量。隨著生產(chǎn)過程中的巷道延伸，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署也要同步延伸才能保障網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)的部署要能全方位的覆蓋到巷道中的每一個關(guān)注點(diǎn)，即采用安全高效的節(jié)點(diǎn)部署方式和策略實(shí)現(xiàn)礦井下全方位的覆蓋。
　　目前大部分

2、的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題研究是基于二維平面的，不適合三維礦井環(huán)境。因此，需要針對礦井巷道設(shè)計(jì)合理的三維覆蓋模型。礦井巷道的截面主要分為拱形、圓形、矩形，在巷道內(nèi)壁上傳感器大多采用直線型和左右交替型經(jīng)典部署。針對矩形截面礦井巷道的無線傳感器節(jié)點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)單重?zé)o縫覆蓋的問題，通過分析巷道幾何尺寸與節(jié)點(diǎn)感知半徑的關(guān)系，判斷礦井巷道合理的部署類型。本文所做的主要工作包括以下兩點(diǎn)：
　?。?）在已知相鄰節(jié)點(diǎn)距離的情況下，對兩種經(jīng)典節(jié)點(diǎn)部署進(jìn)行

3、分析。首先對矩形截面巷道截面幾何尺寸進(jìn)行分析，尋找滿足其完全覆蓋的傳感器節(jié)點(diǎn)最佳布設(shè)位置；其次推導(dǎo)出滿足其完全覆蓋的傳感器節(jié)點(diǎn)最小感知半徑與巷道截面幾何尺寸的函數(shù)關(guān)系；最后在滿足巷道截面完全覆蓋的前提下，推導(dǎo)出滿足其三維無縫覆蓋的最小感知半徑與巷道截面幾何尺寸的函數(shù)關(guān)系。推論表明，在直線型部署中最小感知半徑是隨著相鄰節(jié)點(diǎn)距離變大而變大，在左右交替型部署中最小感知半徑不僅與相鄰節(jié)點(diǎn)距離有關(guān)還與巷道寬度有關(guān)。仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這些關(guān)系的正確性

4、。
　?。?）在已知傳感器節(jié)點(diǎn)感知半徑的情況下，對兩種經(jīng)典節(jié)點(diǎn)部署的動態(tài)可變位置進(jìn)行分析。首先根據(jù)三維覆蓋模型并結(jié)合空間幾何理論，推導(dǎo)出在兩種部署中滿足完全覆蓋條件的相鄰節(jié)點(diǎn)距離及覆蓋密度；其次結(jié)合巷道幾何尺寸對覆蓋密度進(jìn)行比較；最后考慮到在特殊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)不一定能安裝在理想位置上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)感知半徑的大小結(jié)合巷道的幾何尺寸推導(dǎo)出了節(jié)點(diǎn)可偏移理想位置的量。推論表明，當(dāng)巷道高度大于巷道寬度時左右交替型部署更適合礦井巷道覆蓋。當(dāng)巷道高度小

5、于巷道寬度時分三種情況，巷道高度的平方與巷道寬度的平方比在2/3到1之間時，左右交替型部署更適合礦井覆蓋；巷道高度的平方與巷道寬度的平方比在0到1/3之間時，直線型部署更適合礦井覆蓋；巷道高度的平方與巷道寬度的平方比在1/3到2/3之間時，可找到一個節(jié)點(diǎn)感知半徑的臨界值，小于該臨界值時左右交替型部署更適合礦井巷道覆蓋，大于該臨界值時直線型部署更適合礦井巷道覆蓋。仿真實(shí)驗(yàn)同樣驗(yàn)證了這些推論的正確性。
　　利用本文推導(dǎo)的結(jié)論，可直接計(jì)