CN107153110A - 无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，包括瓦斯监测数据采集模块、地面监控中心和用户终端，所述瓦斯监测数据采集模块采集瓦斯监测数据，并将采集到的瓦斯监测数据发送到所述地面监控中心，所述地面监控中心用于将接收、存储、显示瓦斯监测数据，并将瓦斯监测数据与正常阈值进行比较，若超过正常阈值，则输出报警信号；所述的用户终端通过通信网络与地面监控中心连接，用于实时访问地面监控中心中的瓦斯监测数据。本发明将无线传感器网络技术运用到瓦斯监测中，实现了对瓦斯监测数据的实时采集、处理和传输，便于相关人员进行远程监控。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯监测技术领域，具体涉及无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统。
背景技术
随着矿井开采深度增加，瓦斯灾害日益严重，瓦斯治理(特别是煤与瓦斯突出灾害治理)已成为煤矿保障矿井安全、提高生产效率的重点和难点。相关技术中的瓦斯监测技术存在较多的局限，如系统存在无法知道井下多个位置的瓦斯浓度、实时性不高以及不能远程监控等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，包括瓦斯监测数据采集模块、地面监控中心和用户终端，所述瓦斯监测数据采集模块采集瓦斯监测数据，并将采集到的瓦斯监测数据发送到所述地面监控中心，所述地面监控中心用于将接收、存储、显示瓦斯监测数据，并将瓦斯监测数据与正常阈值进行比较，若超过正常阈值，则输出报警信号；所述的用户终端通过通信网络与地面监控中心连接，用于实时访问地面监控中心中的瓦斯监测数据。
本发明的有益效果为：将无线传感器网络技术运用到瓦斯监测中，实现了对瓦斯监测数据的实时采集、处理和传输，便于相关人员进行远程监控。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明的结构框图；
图2是本发明地面监控中心的连接框图。
附图标记：
瓦斯监测数据采集模块1、地面监控中心2、用户终端3、数据接收模块10、数据分析比较模块20、报警信号生成模块30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1、图2，本实施例提供的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，包括瓦斯监测数据采集模块1、地面监控中心2和用户终端3，所述瓦斯监测数据采集模块1采集瓦斯监测数据，并将采集到的瓦斯监测数据发送到所述地面监控中心2，所述地面监控中心2用于将接收、存储、显示瓦斯监测数据，并将瓦斯监测数据与正常阈值进行比较，若超过正常阈值，则输出报警信号；所述的用户终端3通过通信网络与地面监控中心2连接，用于实时访问地面监控中心2中的瓦斯监测数据。
优选地，所述地面监控中心2包括数据接收模块10、数据分析比较模块20、报警信号生成模块30，所述数据接收模块10与所述数据分析比较模块20连接，所述数据分析比较模块20与所述报警信号生成模块30连接。
优选地，所述的瓦斯监测数据采集模块1通过无线传感器网络采集和发送瓦斯监测数据；所述的无线传感器网络包括多个瓦斯监测传感器节点和一个基站，其中瓦斯监测传感器节点包括处理器单元、无线通信单元、数据采集单元、能量供应单元和智能开关，无线通信单元、数据采集单元和智能开关皆与处理器单元连接。
本发明上述实施例将无线传感器网络技术运用到瓦斯监测中，实现了对瓦斯监测数据的实时采集、处理和传输，便于相关人员进行远程监控。
优选地，所述无线传感器网络采用下述的网络模型：
(1)所有瓦斯监测传感器节点均匀并随机地分布在设定的瓦斯监测区域内部，基站设置于瓦斯监测区域的外部；
(2)无线传感器网络采用周期性数据收集方式，并在收集数据的过程中对数据进行融合处理。
所述的无线传感器网络在进行瓦斯监测数据的收集过程中，按照下述方式进行网络初始化：
(1)将无线传感器网络的瓦斯监测区域沿横向划分为R个大小相等的条形区域，其中每个条形区域之间长度相等，条形区域的宽度与瓦斯监测区域的边长相等；
(2)将每个条形区域沿纵向划分为多个矩形子区域，矩形子区域的长度与条形区域的长度相等，每个条形区域划分的矩形子区域的数目和每个矩形子区域的宽度按照下述方式确定：
式中，表示第i个条形子区域Hi划分的矩形子区域的数目，d(Hi,H0)表示条形子区域Hi的左上方顶点到基站H0之间的距离，m1为设定的矩形子区域数目阈值，表示条形子区域Hi中第j个矩形子区域的宽度，其中j值越大表示对应的矩形子区域距离基站H0更远，L为瓦斯监测区域边长，int(·)为取整函数。
本优选实施例通过设置矩形子区域的大小来调整不同矩形子区域中可以参与簇头节点轮换的瓦斯监测传感器节点数目，对于距离基站更远的矩形子区域，其面积更大，包含更多的瓦斯监测传感器节点数目，从而使得距离基站更远的矩形子区域拥有更多的瓦斯监测传感器节点共同分担矩形子区域中簇头节点的能耗负载。
进行网络初始化后，所述的无线传感器网络采用设定的分簇算法进行分簇，具体为：
(1)基站向所有瓦斯监测传感器节点广播初始化信息消息，该初始化信息消息包括瓦斯监测区域起始点坐标、基站位置坐标、瓦斯监测区域边长、条形区域数目及其长宽、矩形子区域的数目和每个矩形子区域的长宽，各个瓦斯监测传感器节点收到初始化信息消息后，确定自身所属矩形子区域，并保存与自身位置对应的初始化信息消息；
(2)开始分簇，基站向各个瓦斯监测传感器节点广播分簇消息，瓦斯监测传感器节点接收到分簇消息后，根据自身位置到所属矩形子区域的顶点的最大距离确定发射功率，向其他瓦斯监测传感器节点交互自身节点信息；
(3)每个矩形子区域中选择一个剩余能量值最大的瓦斯监测传感器节点作为簇头节点，每个瓦斯监测传感器节点选择所属矩形子区域的簇头节点加入簇。
本优选实施例按照上述方式进行分簇，能够长远均衡环境监测传感器的节点能耗，延长瓦斯监测数据采集模块1的无线传感器网络的生命周期，从而保障瓦斯监测数据采集模块1进行瓦斯监测数据采集的可靠性。
优选地，采用设定的分簇算法完成分簇后，若矩形子区域中的簇头节点满足自定义的簇头节点调整判定公式时，需要进行簇头节点轮换，簇头节点向所在矩形子区域中的瓦斯监测传感器节点发送簇头节点竞争消息，每个瓦斯监测传感器节点接收到簇头节点竞争消息后开始竞争簇头节点，其中剩余能量值最大的簇头节点当选为该矩形子区域的新簇头节点；
所述的自定义的簇头节点调整判定公式为：
式中，N为簇头节点所在簇的瓦斯监测传感器节点数目，G为当前周期接收数据的长度，单位为bit，F0是无线收发电路接收单位长度数据的能耗，F2为簇头节点融合单位长度数据的能耗，F3为当前周期簇头节点向基站发送融合数据的能耗，FC为簇头节点的剩余能量值，S为设定的比值阈值。
本优选实施例考虑了当前簇头节点不能连续在设定周期时间内进行数据收发时的状况，出现该状况时，本优选实施例选择所属矩形子区域内的其他最优瓦斯监测传感器节点承担瓦斯监测数据的收发任务，能够确保基于无线传感器网络的瓦斯监测数据采集模块1在数据收集方面的稳定性，保障无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统的正常运行。
优选地，在进行簇头节点的选择的过程中，若同时存在多个剩余能量值为最大的瓦斯监测传感器节点，从所述的多个剩余能量值为最大的瓦斯监测传感器节点中按照下述选择机制选择合适的瓦斯监测传感器节点作为簇头节点：
其中
式中，U表示选择作为簇头节点的瓦斯监测传感器节点，Ce表示存在的多个剩余能量值最大的瓦斯监测传感器节点集合中第e个瓦斯监测传感器节点，θ为同时存在的剩余能量值皆为最大的瓦斯监测传感器节点的数量，d(Ce,H0)表示Ce到基站的距离，表示Ce到所属矩形子区域的左上方顶点(用表示)的距离，表示Ce所属矩形子区域的宽度，K为瓦斯监测区域中具有的条形区域的数量，L为瓦斯监测区域的边长。
在进行簇头节点选择时，矩形子区域中很有可能同时存在多个剩余能量值皆是最大的瓦斯监测传感器节点，这时候需要对其中的瓦斯监测传感器节点进行进一步挑选，本优选实施例考虑到上述的极端情况，设置了相应的选择机制，当出现上述的极端情况时，系统选择距离基站更近、与所属矩形子区域的中心更近的瓦斯监测传感器节点选作簇头节点，能够使得选出的簇头节点相对于其他剩余能量值皆是最大的瓦斯监测传感器节点，瓦斯监测数据的传输能耗最小，由于该选择机制，本优选实施例能够相对节省瓦斯监测数据采集模块1的无线传感器网络能量，延长瓦斯监测数据采集模块1的工作时间。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，包括瓦斯监测数据采集模块、地面监控中心和用户终端，所述瓦斯监测数据采集模块采集瓦斯监测数据，并将采集到的瓦斯监测数据发送到所述地面监控中心，所述地面监控中心用于将接收、存储、显示瓦斯监测数据，并将瓦斯监测数据与正常阈值进行比较，若超过正常阈值，则输出报警信号；所述的用户终端通过通信网络与地面监控中心连接，用于实时访问地面监控中心中的瓦斯监测数据。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，所述地面监控中心包括数据接收模块、数据分析比较模块、报警信号生成模块，所述数据接收模块与所述数据分析比较模块连接，所述数据分析比较模块与所述报警信号生成模块连接。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，所述的瓦斯监测数据采集模块通过无线传感器网络采集和发送瓦斯监测数据；所述的无线传感器网络包括多个瓦斯监测传感器节点和一个基站，其中瓦斯监测传感器节点包括处理器单元、无线通信单元、数据采集单元、能量供应单元和智能开关，无线通信单元、数据采集单元和智能开关皆与处理器单元连接。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，所有瓦斯监测传感器节点均匀并随机地分布在设定的瓦斯监测区域内部，基站设置于瓦斯监测区域的外部。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，所述的无线传感器网络在进行瓦斯监测数据的收集过程中，按照下述方式进行网络初始化：
(1)将无线传感器网络的瓦斯监测区域沿横向划分为R个大小相等的条形区域，其中每个条形区域之间长度相等，条形区域的宽度与瓦斯监测区域的边长相等；
(2)将每个条形区域沿纵向划分为多个矩形子区域，矩形子区域的长度与条形区域的长度相等，每个条形区域划分的矩形子区域的数目和每个矩形子区域的宽度按照下述方式确定：
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式中，表示第i个条形子区域Hi划分的矩形子区域的数目，d(Hi,H0)表示条形子区域Hi的左上方顶点到基站H0之间的距离，m1为设定的矩形子区域数目阈值，表示条形子区域Hi中第j个矩形子区域的宽度，其中j值越大表示对应的矩形子区域距离基站H0更远，L为瓦斯监测区域边长，int(·)为取整函数。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，进行网络初始化后，所述的无线传感器网络采用设定的分簇算法进行分簇，具体为：
(1)基站向所有瓦斯监测传感器节点广播初始化信息消息，该初始化信息消息包括瓦斯监测区域起始点坐标、基站位置坐标、瓦斯监测区域边长、条形区域数目及其长宽、矩形子区域的数目和每个矩形子区域的长宽，各个瓦斯监测传感器节点收到初始化信息消息后，确定自身所属矩形子区域，并保存与自身位置对应的初始化信息消息；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20191121 Address after: 325200 Xuanlian West Road, Dingtian street, Ruian City, Wenzhou City, Zhejiang Province Applicant after: WENZHOU FUXIN INSTRUMENT Co.,Ltd. Address before: 518000 West Tower 1708, Nanshan Software Park, Nanshan Digital Culture Industry Base, 10128 Shennan Avenue, Nanshan Street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: SHENZHEN CHUANGYI INDUSTRIAL TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Wireless Sensor Network Coal Mine Gas Monitoring System Effective date of registration: 20230907 Granted publication date: 20191213 Pledgee: Zhejiang Rui'an Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Tingtian Branch Pledgor: WENZHOU FUXIN INSTRUMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2023980055602 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20191213 Pledgee: Zhejiang Rui'an Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Tingtian Branch Pledgor: WENZHOU FUXIN INSTRUMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2023980055602 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Wireless Sensor Network Coal Mine Gas Monitoring System Granted publication date: 20191213 Pledgee: Zhejiang Rui'an Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Tingtian Branch Pledgor: WENZHOU FUXIN INSTRUMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2024980043433 |