一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案

一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和地面監(jiān)控中心，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊用于采集煤礦井下開采過程中由于圍巖應(yīng)力的改變而導(dǎo)致的特征變化，包括溫度采集、壓力采集和微震信號采集，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的溫度、壓力和微震信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，所述地面監(jiān)控中心用于根據(jù)接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化對井下開采時的地質(zhì)情況進(jìn)行分析并在監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時進(jìn)行報警處理。本發(fā)明專利技術(shù)的有益效果為：通過無線傳感器技術(shù)，實現(xiàn)了礦井圍巖的安全監(jiān)測，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用改進(jìn)的LEACH算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中簇頭的選擇，優(yōu)化了簇頭競爭條件，克服了簇頭節(jié)點(diǎn)分布不均勻的問題。

A monitoring system for mine surrounding rock based on Wireless Sensor Network

A rock mine monitoring system based on wireless sensor network, including data monitoring module, data transmission module and the monitoring center, the data monitoring module for feature changes due to the change of surrounding rock stress collection coal mine in mining process, including temperature acquisition, pressure acquisition and microseismic signal acquisition, the data transmission the module will be collected to the temperature, pressure and microseismic signal transmission to the ground monitoring center by wireless sensor network technology, the ground monitoring center for geological conditions of underground mining are analyzed according to the change of the receiving monitoring data and monitoring data in abnormal alarm processing. The beneficial effect of the invention is: through the wireless sensor technology, realizes the mine safety monitoring of surrounding rock, in a wireless sensor network using the improved LEACH algorithm for cluster head selection in a network, cluster head competition conditions were optimized to overcome the uneven distribution of cluster head node problem.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)
本專利技術(shù)創(chuàng)造涉及煤礦安全監(jiān)測
，具體涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
礦井圍巖無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)為及早預(yù)防礦井開采過程中出現(xiàn)的圍巖災(zāi)害提供了技術(shù)手段與判別依據(jù)，然而煤礦井下巷道的無線通信環(huán)境與地面移動通信環(huán)境完全不同，煤礦井下空間有限、煤層以及巖石會對無線電磁波傳播造成很大的衰減，這些問題導(dǎo)致常規(guī)地面移動通信的方法很難直接應(yīng)用在礦井下，為了提高無線監(jiān)測系統(tǒng)在礦井應(yīng)用下的可靠性，本專利技術(shù)提供了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法和數(shù)據(jù)糾錯率進(jìn)行改進(jìn)，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命和可靠性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對上述問題，本專利技術(shù)旨在提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)。本專利技術(shù)創(chuàng)造的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和地面監(jiān)控中心，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊用于采集煤礦井下開采過程中由于圍巖應(yīng)力的改變而導(dǎo)致的特征變化，包括溫度采集、壓力采集和微震信號采集，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的溫度、壓力和微震信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，所述地面監(jiān)控中心用于根據(jù)接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化對井下開采時的地質(zhì)情況進(jìn)行分析并在監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時進(jìn)行報警處理。本專利技術(shù)創(chuàng)造的有益效果：本系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了礦井圍巖的安全監(jiān)測，在系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用改進(jìn)的LEACH算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中簇頭的選擇，優(yōu)化了簇頭競爭條件，克服了簇頭節(jié)點(diǎn)分布不均勻的問題；在傳感器節(jié)點(diǎn)選擇簇頭時，引入代價函數(shù)，綜合考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離、傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭的能量值以及簇頭到基站的距離，均衡選擇合適的簇頭，進(jìn)一步改善了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了通信消耗的能量；采用多跳路由的數(shù)據(jù)傳輸方式，減少了數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量，延長了簇頭的生命周期，均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，達(dá)到了節(jié)能的效果。附圖說明利用附圖對專利技術(shù)創(chuàng)造作進(jìn)一步說明，但附圖中的實施例不構(gòu)成對本專利技術(shù)創(chuàng)造的任何限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。圖1是本專利技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專利技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本專利技術(shù)地面監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記：數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊1；數(shù)據(jù)傳輸模塊2；地面監(jiān)控中心3；簇頭選擇單元21；節(jié)點(diǎn)成簇單元22；路由設(shè)計單元23；異常預(yù)警單元31；數(shù)據(jù)分析單元32。具體實施方式結(jié)合以下實施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步描述。參見圖1、圖2和圖3，本實施例的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和地面監(jiān)控中心，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊用于采集煤礦井下開采過程中由于圍巖應(yīng)力的改變而導(dǎo)致的特征變化，包括溫度采集、壓力采集和微震信號采集，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的溫度、壓力和微震信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，所述地面監(jiān)控中心用于根據(jù)接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化對井下開采時的地質(zhì)情況進(jìn)行分析并在監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時進(jìn)行報警處理。本優(yōu)選實施例通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了礦井圍巖的安全監(jiān)測，在系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用改進(jìn)的LEACH算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中簇頭的選擇，優(yōu)化了簇頭競爭條件，克服了簇頭節(jié)點(diǎn)分布不均勻的問題；在傳感器節(jié)點(diǎn)選擇簇頭時，引入代價函數(shù)，綜合考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離、傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭的能量值以及簇頭到基站的距離，均衡選擇合適的簇頭，進(jìn)一步改善了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了通信消耗的能量；采用多跳路由的數(shù)據(jù)傳輸方式，減少了數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量，延長了簇頭的生命周期，均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，達(dá)到了節(jié)能的效果。優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊2采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的溫度、壓力和微震信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，包括簇頭選擇單元21、節(jié)點(diǎn)成簇單元22和路由設(shè)計單元23，所述簇頭選擇單元21用于確定分層路由算法中的簇頭，所述節(jié)點(diǎn)成簇單元22通過改進(jìn)傳感器節(jié)點(diǎn)成簇機(jī)制，使得傳感器節(jié)點(diǎn)選擇合適的簇頭，所述路由設(shè)計單元23用于在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)簇頭和基站之間的數(shù)據(jù)傳輸；優(yōu)選地，所述簇頭選擇單元21采用改進(jìn)的LEACH算法確定路由算法中的簇頭，定義算法中的閾值為T(n)，則T(n)的計算公式為：式中，Ec是傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量，Em是傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量，p表示所有傳感器節(jié)點(diǎn)中允許充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的百分率，表示輪數(shù)間隔值，G表示最近輪中沒有被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合，r表示當(dāng)前的循環(huán)輪數(shù)，dis表示傳感器節(jié)點(diǎn)和基站之間的距離。本優(yōu)選實施例針對組網(wǎng)過程中存在簇頭分布不均勻的問題，對LEACH算法中傳感器節(jié)點(diǎn)成為簇頭的條件進(jìn)行改進(jìn)，引入了傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量和與基站之間的距離的參數(shù)，解決了簇頭分布不均勻問題，可以延長網(wǎng)絡(luò)壽命，使傳感器節(jié)點(diǎn)能耗更均衡，從而提高了礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自修復(fù)能力。優(yōu)選地，所述節(jié)點(diǎn)選擇單元22用于在普通傳感器節(jié)點(diǎn)選擇簇頭時，定義傳感器節(jié)點(diǎn)選擇簇頭的代價函數(shù)，使普通傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)代價函數(shù)，選擇具有最小代價的簇頭加入，定義普通傳感器節(jié)點(diǎn)vi加入簇頭cj的代價函數(shù)為f(i,j)，則代價函數(shù)f(i,j)的計算公式為：式中，lij是傳感器節(jié)點(diǎn)vi到簇頭cj的距離，是傳感器節(jié)點(diǎn)vi到所有簇頭距離的平均值，Ei和Ej分別是傳感器節(jié)點(diǎn)vi和簇頭cj的剩余能量值,是傳感器節(jié)點(diǎn)vi和簇頭cj的平均初始能量值，D(j)是簇頭cj到基站的距離，是所有簇頭到基站距離的平均值，α、β和γ分別是各項參數(shù)的權(quán)重，且α+β+γ＝1。本優(yōu)選實施例在傳節(jié)點(diǎn)選擇簇頭時，引入代價函數(shù)，綜合考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離、傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭的能量值以及簇頭到基站的距離，均衡選擇合適的簇頭，進(jìn)一步改善了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了通信消耗的能量。優(yōu)選地，所述路由設(shè)計單元23用于在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)簇頭和基站之間的數(shù)據(jù)傳輸，具體為：a.定義簇頭ca的鄰居簇頭到基站的距離值的平均值當(dāng)簇頭ca到基站的距離時，即直接由簇頭ca轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到基站；b.當(dāng)簇頭ca到基站的距離時，則選擇中繼節(jié)點(diǎn)cb傳輸數(shù)據(jù)到基站，定義中繼節(jié)點(diǎn)cb的代價函數(shù)為V(cb)，則代價函數(shù)的計算公式如下：式中，表示簇頭ca的所有鄰居簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量均值，E(cb)表示簇頭cb的剩余能量值，S(cb)表示簇頭cb轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)量，表示簇頭ca的鄰居簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量的平均值，d(ca,cb)表示簇頭ca和簇頭cb的距離值，d(cb,s)表示簇頭cb到基站s的距離值，表示簇頭ca的鄰居簇頭到基站的距離值的平均值,a1、a2和a3表示加權(quán)系數(shù)，且a1+a2+a3＝1。本優(yōu)選實施例采用多跳路由的數(shù)據(jù)傳輸方式，減少了數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量，延長了簇頭的生命周期，均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，達(dá)到了節(jié)能的效果。優(yōu)選地，所述地面監(jiān)控中心3包括異常預(yù)警單元31和數(shù)據(jù)分析單元32，所述異常預(yù)警單元31用于在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時進(jìn)行預(yù)警，所述數(shù)據(jù)分析單元32用于對接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而為煤礦井下開采方案的制定提供參考。本優(yōu)選實施例構(gòu)成了系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，實現(xiàn)了在監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值時進(jìn)行預(yù)警以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的功能。最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本專利技術(shù)的技術(shù)方案，而非對本專利技術(shù)保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和地面監(jiān)控中心，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊用于采集煤礦井下開采過程中由于圍巖應(yīng)力的改變而導(dǎo)致的特征變化，包括溫度采集、壓力采集和微震信號采集，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的溫度、壓力和微震信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，所述地面監(jiān)控中心用于根據(jù)接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化對井下開采時的地質(zhì)情況進(jìn)行分析并在監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時進(jìn)行報警處理。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和地面監(jiān)控中心，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊用于采集煤礦井下開采過程中由于圍巖應(yīng)力的改變而導(dǎo)致的特征變化，包括溫度采集、壓力采集和微震信號采集，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的溫度、壓力和微震信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，所述地面監(jiān)控中心用于根據(jù)接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化對井下開采時的地質(zhì)情況進(jìn)行分析并在監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時進(jìn)行報警處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的溫度、壓力和微震信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，包括簇頭選擇單元、節(jié)點(diǎn)成簇單元和路由設(shè)計單元，所述簇頭選擇單元用于確定分層路由算法中的簇頭，所述節(jié)點(diǎn)成簇單元通過改進(jìn)傳感器節(jié)點(diǎn)成簇機(jī)制，使得傳感器節(jié)點(diǎn)選擇合適的簇頭，所述路由設(shè)計單元用于在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)簇頭和基站之間數(shù)據(jù)傳輸。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述簇頭選擇單元采用改進(jìn)的LEACH算法確定路由算法中的簇頭，定義算法中的閾值為T(n)，則T(n)的計算公式為：式中，Ec是傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量，Em是傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量，p表示所有傳感器節(jié)點(diǎn)中允許充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的百分率，表示輪數(shù)間隔值，G表示最近輪中沒有被選為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合，r表示當(dāng)前的循環(huán)輪數(shù)，dis表示傳感器節(jié)點(diǎn)和基站之間的距離。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井圍巖監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述節(jié)點(diǎn)選擇單元用于定義傳感器節(jié)點(diǎn)選擇簇頭的代價函數(shù)，使普通傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)代價函數(shù)，選擇具有最小代價的簇頭加入，定義普通傳感器節(jié)點(diǎn)vi加入簇頭cj的代價函數(shù)為f(i,j)，則代價函數(shù)f(i,j)的計算公式為：

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：潘金文，
申請(專利權(quán))人：潘金文，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東,44