基于网格型无线传感器网络的煤矿环境多参数监测系统的设计与实现

论文摘要

我国煤矿自然条件复杂,煤矿爆炸事故时有发生,现有的有线监控系统很难灵活的布网,对煤矿所有区域进行监测,在矿井中依然存在很多监测盲区,而这些区域往往是事故发生的隐患所在。虽然瓦斯监测无线传感器网络已被提出,但是引起煤矿爆炸的因素中不只瓦斯,煤尘等其它因素作用也会引起煤矿爆炸。因此,本文提出了一种适用于煤矿巷道多参数监测的网格型无线传感器网络,作为有线监控系统很好的补充,可以提高煤矿爆炸预警力度。根据煤矿环境的特点,本文设计了网格型煤矿环境多参数监测无线传感器网络的拓扑控制机制。论述了网络的建立过程,设计了超时机制,提出了网络地址再利用策略,实验表明这两种策略有效地回收了网络地址,可以提高路由器节点可分配给端设备的网络地址利用率。由于矿井巷道监控系统对网络的稳定性要求较高,而且网络中需要传输的参数较多,因此对于网络的路由协议,本文在最小跳数路由协议的基础上提出了改进,将节点剩余电池能量考虑其中,且以限制型广播方式广播路由信息。实验表明该路由方式可以提高路由的有效性,大大降低数据传输的丢包率。建立煤矿监控系统的目的一方面是长期获取煤矿巷道各种参数信息,另一方面是对煤矿爆炸等事故做出预警。本文根据以上两种要求并且结合引起煤矿爆炸的各参数重要性不同为网络设计了不同种参数监测周期不同的周期巡检工作方式与中断工作方式相结合的多参数信息采集网络工作方式。设计了时隙再利用机制,提高路由器分配给端设备的时隙的利用率,同时降低了因为时隙数制约网络可容纳端节点数目的缺陷。设计了路由器两级数据融合机制,该机制既可以节省因为重复传输监测参数类型与帧头浪费的节点能量,又可以减少网络中数据包数量,降低丢包率。本文最后对网格型多参数监测无线传感器网络的性能作了测试与时延分析。网络测试是在实验室模拟煤矿井下巷道环境中进行的,实验室模拟环境测试结果表明网络能够实现预期的设计目标,可以对各种参数进行周期性地监测,并且对超限数据进行预警,同时对于超限数据的传输网络具有较小的时延,当路由器父节点路由跳数为6时,时延仅为114ms,达到了迅速进行预警的目的。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 矿井无线监控传感器网络的现况
• 1.3 无线传感器网络概述
• 1.4 煤矿多参数监测无线传感器网络的信息收集
• 1.5 本论文的主要研究工作
• 1.6 论文的组织
• 2 网格型多参数监测无线传感器网络的硬件和软件设计
• 2.1 概述
• 2.2 硬件平台
• 2.2.1 处理器模块
• 2.2.2 无线通信模块
• 2.2.3 传感器模块
• 2.2.4 能量供应模块
• 2.2.5 节点开发板
• 2.3 软件平台
• 2.3.1 ZigBee协议介绍
• 2.3.2 ZigBee协议栈介绍
• 2.3.3 系统的开发环境与开发工具
• 2.4 本章小结
• 3 基于ZigBee的网格型多参数无线监测网络的组网和路由
• 3.1 概述
• 3.2 多参数监测无线传感器网络的建立
• 3.2.1 原语的概念
• 3.2.2 协调器建立新网络
• 3.2.3 节点入网
• 3.2.4 地址分配与网络地址资源的再利用
• 3.3 监测参数的发布
• 3.4 路由的建立
• 3.4.1 基于最小跳数的路由协议及其改进
• 3.4.2 最小跳数的广播
• 3.5 本章小结
• 4 煤矿环境多参数信息的采集
• 4.1 概述
• 4.2 基于周期巡检工作方式多参数信息采集
• 4.2.1 周期巡检时序设计
• 4.2.2 端节点信道使用策略
• 4.2.3 创建休眠同步机制
• 4.2.4 数据采集
• 4.2.5 数据融合
• 4.3 基于中断工作方式多参数信息采集
• 4.4 时延分析
• 4.5 本章小结
• 5 网络性能测试
• 5.1 网络测试环境
• 5.1.1 煤矿直巷道的模拟
• 5.1.2 煤矿斜坡与弯曲巷道的模拟
• 5.2 周期巡检工作方式下的网络测试
• 5.3 中断工作方式下的网络测试
• 5.4 网络地址再利用与时隙再利用策略的测试
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集