CN107484222A - 一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统 Download PDF

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Abstract

一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，包括数据监测模块、数据传输模块和地面监控中心，所述数据监测模块用于采集煤矿井下开采过程中由于围岩应力的改变而导致的特征变化，包括温度采集、压力采集和微震信号采集，所述数据传输模块采用无线传感器网络技术将采集到的温度、压力和微震信号传输到地面监控中心，所述地面监控中心用于根据接收到的监测数据的变化对井下开采时的地质情况进行分析并在监测数据出现异常时进行报警处理。本发明的有益效果为：通过无线传感器技术，实现了矿井围岩的安全监测，在无线传感器网络中采用改进的LEACH算法进行网络中簇头的选择，优化了簇头竞争条件，克服了簇头节点分布不均匀的问题。

Description

一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统
技术领域
本发明创造涉及煤矿安全监测技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统。
背景技术
矿井围岩无线监测系统的研究与开发为及早预防矿井开采过程中出现的围岩灾害提供了技术手段与判别依据，然而煤矿井下巷道的无线通信环境与地面移动通信环境完全不同，煤矿井下空间有限、煤层以及岩石会对无线电磁波传播造成很大的衰减，这些问题导致常规地面移动通信的方法很难直接应用在矿井下，为了提高无线监测系统在矿井应用下的可靠性，本发明提供了一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，对无线传感器网络的路由算法和数据纠错率进行改进，提高了无线传感器网络的使用寿命和可靠性。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统。
本发明创造的目的通过以下技术方案实现：
一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，包括数据监测模块、数据传输模块和地面监控中心，所述数据监测模块用于采集煤矿井下开采过程中由于围岩应力的改变而导致的特征变化，包括温度采集、压力采集和微震信号采集，所述数据传输模块采用无线传感器网络技术将采集到的温度、压力和微震信号传输到地面监控中心，所述地面监控中心用于根据接收到的监测数据的变化对井下开采时的地质情况进行分析并在监测数据出现异常时进行报警处理。
本发明创造的有益效果：本系统通过无线传感器网络技术实现了矿井围岩的安全监测，在系统的无线传感器网络中采用改进的LEACH算法进行网络中簇头的选择，优化了簇头竞争条件，克服了簇头节点分布不均匀的问题；在传感器节点选择簇头时，引入代价函数，综合考虑了传感器节点到簇头的距离、传感器节点和簇头的能量值以及簇头到基站的距离，均衡选择合适的簇头，进一步改善了网络的拓扑结构，减少了通信消耗的能量；采用多跳路由的数据传输方式，减少了数据传输所消耗的能量，延长了簇头的生命周期，均衡了网络能耗，达到了节能的效果。
附图说明
利用附图对发明创造作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制，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是本发明结构示意图；
图2是本发明数据传输模块的结构示意图；
图3是本发明地面监控中心结构示意图。
附图标记：
数据监测模块1；数据传输模块2；地面监控中心3；簇头选择单元21；节点成簇单元22；路由设计单元23；异常预警单元31；数据分析单元32。
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和图3，本实施例的一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，包括数据监测模块、数据传输模块和地面监控中心，所述数据监测模块用于采集煤矿井下开采过程中由于围岩应力的改变而导致的特征变化，包括温度采集、压力采集和微震信号采集，所述数据传输模块采用无线传感器网络技术将采集到的温度、压力和微震信号传输到地面监控中心，所述地面监控中心用于根据接收到的监测数据的变化对井下开采时的地质情况进行分析并在监测数据出现异常时进行报警处理。
本优选实施例通过无线传感器网络技术实现了矿井围岩的安全监测，在系统的无线传感器网络中采用改进的LEACH算法进行网络中簇头的选择，优化了簇头竞争条件，克服了簇头节点分布不均匀的问题；在传感器节点选择簇头时，引入代价函数，综合考虑了传感器节点到簇头的距离、传感器节点和簇头的能量值以及簇头到基站的距离，均衡选择合适的簇头，进一步改善了网络的拓扑结构，减少了通信消耗的能量；采用多跳路由的数据传输方式，减少了数据传输所消耗的能量，延长了簇头的生命周期，均衡了网络能耗，达到了节能的效果。
优选地，所述数据传输模块2采用无线传感器网络技术将采集到的温度、压力和微震信号传输到地面监控中心，包括簇头选择单元21、节点成簇单元22和路由设计单元23，所述簇头选择单元21用于确定分层路由算法中的簇头，所述节点成簇单元22通过改进传感器节点成簇机制，使得传感器节点选择合适的簇头，所述路由设计单元23用于在数据传输的过程中，选择合适的中继节点实现簇头和基站之间的数据传输；
优选地，所述簇头选择单元21采用改进的LEACH算法确定路由算法中的簇头，定义算法中的阈值为T(n)，则T(n)的计算公式为：
式中，Ec是传感器节点当前能量，Em是传感器节点初始能量，p表示所有传感器节点中允许充当簇头节点的百分率，表示轮数间隔值，G表示最近轮中没有被选为簇头节点的集合，r表示当前的循环轮数，dis表示传感器节点和基站之间的距离。
本优选实施例针对组网过程中存在簇头分布不均匀的问题，对LEACH算法中传感器节点成为簇头的条件进行改进，引入了传感器节点剩余能量和与基站之间的距离的参数，解决了簇头分布不均匀问题，可以延长网络寿命，使传感器节点能耗更均衡，从而提高了矿井围岩监测系统中无线传感器网络的自修复能力。
优选地，所述节点选择单元22用于在普通传感器节点选择簇头时，定义传感器节点选择簇头的代价函数，使普通传感器节点根据代价函数，选择具有最小代价的簇头加入，定义普通传感器节点vi加入簇头cj的代价函数为f(i,j)，则代价函数f(i,j)的计算公式为：
式中，lij是传感器节点vi到簇头cj的距离，是传感器节点vi到所有簇头距离的平均值，Ei和Ej分别是传感器节点vi和簇头cj的剩余能量值,是传感器节点vi和簇头cj的平均初始能量值，D(j)是簇头cj到基站的距离，是所有簇头到基站距离的平均值，α、β和γ分别是各项参数的权重，且α+β+γ＝1。
本优选实施例在传节点选择簇头时，引入代价函数，综合考虑了传感器节点到簇头的距离、传感器节点和簇头的能量值以及簇头到基站的距离，均衡选择合适的簇头，进一步改善了网络的拓扑结构，减少了通信消耗的能量。
优选地，所述路由设计单元23用于在数据传输的过程中，选择合适的中继节点实现簇头和基站之间的数据传输，具体为：
a.定义簇头ca的邻居簇头到基站的距离值的平均值当簇头ca到基站的距离时，即直接由簇头ca转发数据到基站；
b.当簇头ca到基站的距离时，则选择中继节点cb传输数据到基站，定义中继节点cb的代价函数为V(cb)，则代价函数的计算公式如下：
式中，表示簇头ca的所有邻居簇头节点的剩余能量均值，E(cb)表示簇头cb的剩余能量值，S(cb)表示簇头cb转发的数据包数量，表示簇头ca的邻居簇头发送的数据包数量的平均值，d(ca,cb)表示簇头ca和簇头cb的距离值，d(cb,s)表示簇头cb到基站s的距离值，表示簇头ca的邻居簇头到基站的距离值的平均值,a1、a2和a3表示加权系数，且a1+a2+a3＝1。
本优选实施例采用多跳路由的数据传输方式，减少了数据传输所消耗的能量，延长了簇头的生命周期，均衡了网络能耗，达到了节能的效果。
优选地，所述地面监控中心3包括异常预警单元31和数据分析单元32，所述异常预警单元31用于在监测数据超过阈值时进行预警，所述数据分析单元32用于对接收到的监测数据进行分析，从而为煤矿井下开采方案的制定提供参考。
本优选实施例构成了系统的地面监控中心，实现了在监测数据超出阈值时进行预警以及对监测数据进行分析的功能。
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)

1.一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，其特征是，包括数据监测模块、数据传输模块和地面监控中心，所述数据监测模块用于采集煤矿井下开采过程中由于围岩应力的改变而导致的特征变化，包括温度采集、压力采集和微震信号采集，所述数据传输模块采用无线传感器网络技术将采集到的温度、压力和微震信号传输到地面监控中心，所述地面监控中心用于根据接收到的监测数据的变化对井下开采时的地质情况进行分析并在监测数据出现异常时进行报警处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，其特征是，所述数据传输模块采用无线传感器网络技术将采集到的温度、压力和微震信号传输到地面监控中心，包括簇头选择单元、节点成簇单元和路由设计单元，所述簇头选择单元用于确定分层路由算法中的簇头，所述节点成簇单元通过改进传感器节点成簇机制，使得传感器节点选择合适的簇头，所述路由设计单元用于在数据传输的过程中，选择合适的中继节点实现簇头和基站之间数据传输。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，其特征是，所述簇头选择单元采用改进的LEACH算法确定路由算法中的簇头，定义算法中的阈值为T(n)，则T(n)的计算公式为：
<mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mi>p</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>p</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> <mi>mod</mi> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>p</mi> </mfrac> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>E</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow> </msqrt> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>n</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>G</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
式中，Ec是传感器节点当前能量，Em是传感器节点初始能量，p表示所有传感器节点中允许充当簇头节点的百分率，表示轮数间隔值，G表示最近轮中没有被选为簇头节点的集合，r表示当前的循环轮数，dis表示传感器节点和基站之间的距离。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，其特征是，所述节点选择单元用于定义传感器节点选择簇头的代价函数，使普通传感器节点根据代价函数，选择具有最小代价的簇头加入，定义普通传感器节点vi加入簇头cj的代价函数为f(i,j)，则代价函数f(i,j)的计算公式为：
<mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mfrac> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mover> <mi>L</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mfrac> <mrow> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mover> <mi>D</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> </mrow>
式中，lij是传感器节点vi到簇头cj的距离，是传感器节点vi到所有簇头距离的平均值，Ei和Ej分别是传感器节点vi和簇头cj的剩余能量值,是传感器节点vi和簇头cj的平均初始能量值，D(j)是簇头cj到基站的距离，是所有簇头到基站距离的平均值，α、β和γ分别是各项参数的权重，且α+β+γ＝1。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，其特征是，所述路由设计单元用于在数据传输的过程中，选择合适的中继节点实现簇头采用多跳方式进行数据的传输，具体为：
a.定义簇头ca的邻居簇头到基站的距离值的平均值当簇头ca到基站的距离时，即直接由簇头ca转发数据到基站；
b.当簇头ca到基站的距离时，则选择中继节点cb传输数据到基站，定义中继节点cb的代价函数为V(cb)，则代价函数的计算公式如下：
<mrow> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>{</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mover> <mi>S</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>3</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mover> <mi>d</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>}</mo> </mrow>
式中，表示簇头ca的所有邻居簇头的剩余能量均值，E(cb)表示簇头cb的剩余能量值，S(cb)表示簇头cb转发的数据包数量，表示簇头ca的所有邻居簇头发送的数据包数量的平均值，d(ca,cb)表示簇头ca和簇头cb的距离值，d(cb,s)表示簇头cb到基站s的距离值，表示簇头ca的邻居簇头到基站的距离值的平均值,a1、a2和a3表示加权系数，且a1+a2+a3＝1。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的矿井围岩监测系统，其特征是，所述地面监控中心包括异常预警单元和数据分析单元，所述异常预警单元用于在监测数据超过阈值时进行预警，所述数据分析单元用于对接收到的监测数据进行分析，从而为煤矿井下开采方案的制定提供参考。
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