CN109209500A - 一种煤矿井下火灾监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下火灾监测系统，该系统包括：监测主机、通讯主站和无线传感器网络，无线传感器网络通过所述通讯主站与所述监测主机通讯，所述无线传感器网络包括用于采集煤矿安全数据的传感器节点和无线网关。该系统不仅能够及时准确地监测煤矿井下火情，并且能够有效地控制传感器节点的能耗，延长无线传感器网络的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下安全监测技术领域，具体涉及一种煤矿井下火灾监测系统。
背景技术
目前，我国煤矿自燃火灾监测和预报主要使用束管监测系统，通过束管取样分析井下巷道、采空区中的生成气体浓度预报自燃发火。束管技术的优点是井下无电气设备，但只限于分析火灾气体，对自燃发火温度、发火区域漏风状态等无法监测。同时，束管设备也存在气体输送距离远，取样时间延迟，分析数据实时性差，以及束管内的冷凝水积存，堵塞管路不易处理，出现分析数据不够准确等技术缺陷。因此，许多煤矿的束管监测系统形同虚设，不能在安全生产中发挥作用。
煤温变化是最直接的火灾预报参数。按我国国家安全标准AQ1029中规定，开采容易自燃，自燃煤层的煤矿的采煤工作应设置温度传感器。现有的煤矿安全监测系统只能监测井下巷道环境中的温度，不适于煤自燃发火预报，会贻误火灾防治时机。国内有些自燃发火煤矿在采空区内放置温度监测探头，但基本上采用人工巡检方法观测。在胶带机火灾监测方面，基本上采用在胶带机放置烟雾传感器监测火灾，传感器只能监测烟雾有无状态，不能实现胶带机火灾的早期预报。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种煤矿井下火灾监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种煤矿井下火灾监测系统，该煤矿井下火灾监测系统包括：
监测主机，监测主机位于地面且安装系统监测软件和后台数据库，监测主机用于接收井下安全数据和发出监测指令；
通讯主站，通讯主站通过工业以太网络与监测主机通讯，且用于接收和传输井下安全数据和监测指令；和
无线传感器网络，无线传感器网络位于煤矿传感区域内，通过通讯主站与监测主机通讯，且包括多个传感器节点，传感器节点用于采集煤矿安全数据和无线传输煤矿安全数据；和
无线网关，无线网关与传感器节点通过无线通讯并且与通讯主站通过现场总线通讯，无线网关将煤矿安全数据传输到通讯主站并向传感器节点传输监测指令；无线传感器网络的路由算法采用CRAM算法，传感器节点和无线网关采用突发唤醒通讯机制，仅在一定时间间隔内数据发生了变化或根据监测主机的监测指令才进行无线网络通讯。
本发明的有益效果为：本发明中的煤矿井下火灾监测系统不仅能够及时准确地监测煤矿井下火情，还能有效地控制无线传感器网络中传感器节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命。且由于采用大量低成本的传感器节点，因此较之有线传感器网络不经极大地节约了成本，还能在井下发生灾难时更稳定地进行监测工作。本发明实现了对煤矿区域内安全状态的全方位、多参量监测，大大地提高了监测的精度。
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是本发明一个实施例煤矿井下火灾监测系统的结构示意框图。
附图标记：无线传感器网络1；通讯主站2；监测主机3。
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1，一种煤矿井下火灾监测系统，该煤矿井下火灾监测系统包括：监测主机3，监测主机3位于地面且安装系统监测软件和后台数据库，监测主机3用于接收井下安全数据和发出监测指令；通讯主站2，通讯主站2通过工业以太网络与监测主机通讯，且用于接收和传输井下安全数据和监测指令；和，无线传感器网络1，无线传感器网络2位于煤矿传感区域内，通过通讯主站2与监测主机3通讯，且包括多个传感器节点，传感器节点用于采集煤矿安全数据和无线传输煤矿安全数据；和，无线网关，无线网关与传感器节点通过无线通讯并且与通讯主站2通过现场总线通讯，无线网关将煤矿安全数据传输到通讯主站并向传感器节点传输监测指令；无线传感器网络1的路由算法采用CRAM算法，传感器节点和无线网关采用突发唤醒通讯机制，仅在一定时间间隔内数据发生了变化或根据监测主机3的监测指令才进行无线网络通讯。
优选地，煤矿安全数据包括一氧化碳浓度数据、矿内压力变化数据和煤矿内温度数据。
优选地，传感器节点内置至少一种下述传感器：
一氧化碳传感器，用于采集煤矿内一氧化碳浓度数据；
风压传感器，用于采集煤矿内压力变化数据；
温度传感器，用于采集煤矿内温度数据。
优选地，无线网关包括ZigBee无线网络通信模块。
优选地，传感器节点具有网络标识和地理坐标，煤矿井下火灾监测系统能够以地点和名称为索引进行存储和查询。
优选地，在煤矿井下火灾监测系统中，各传感器节点在采集煤矿安全数据之前，先通过拓扑演化的方式构建无线传感器网络拓扑结构，具体为：
(1)在撒布好的传感器节点中，通讯主站2从其附近的个传感器节点中选取M个传感器节点作为簇首，通讯主站2和其附近的个传感器节点一同构成初始拓扑；
(2)每隔一个时间步长，从当前拓扑以外的可选范围内选择一个距离通讯主站2最近的传感器节点加入当前拓扑，并获得该传感器节点的邻节点集；计算新加入的传感器节点与每一个既在其通信半径内又在当前拓扑内的传感器节点、通讯主站2之间的连接概率；
(3)如果新加入的传感器节点与通讯主站2的连接概率最大，则该传感器节点当选为簇首，否则，该传感器节点归属于与其连接概率值最大的簇首，成为该簇首的簇成员节点；
(4)继续执行(2)-(3)，直至撒布在煤矿传感区域的所有传感器节点加入拓扑，得到更新后的无线传感器拓扑结构。
优选地，所述通讯主站2从其附近的个传感器节点中选取M个传感器节点作为簇首，具体是：计算所述的个传感器节点的成簇参数，并将得到的成簇参数进行降序排列，选择成簇参数最大的前M个传感器节点作为簇首，M为预设的初始簇首数，其中，传感器节点k的成簇参数可利用下式计算得到：
式中，Clu(k)为传感器节点k的成簇参数，成簇参数用来评价传感器节点成为簇首的能力，成簇参数越大，代表传感器节点成为簇首的可能性越大；Eres(k)为传感器节点k的剩余能量值，Eres(i)为第i个传感器节点的剩余能量值，且i＝1,2,…,Yk,BS为传感器节点k与通讯主站2的广义距离，Yi,BS为传感器节点i与通讯主站2的广义距离，Yk,i为传感器节点k与第i个传感器节点的广义距离，且当i＝k时，此时Yk,i＝0，Ptk为传感器节点k的发射功率，PtBS为通讯主站2的接收功率，α为衰减因子，d(k,BS)为传感器节点k和通讯主站2的空间距离，ε为调控因子，其取值范围为3～8。
有益效果：在本实施例中，定义了所述通讯主站2附近的传感器节点的成簇参数，并选择成簇参数最大的前M个传感器节点作为簇首，由该成簇参数的计算公式可知，本实施例考虑了各个传感器节点的剩余能量、广义距离和传感器节点的发射功率以及通讯主站2的接收功率的影响，使得剩余能量值较大的、发射功率高的传感器节点更有可能当选为簇首，并进而实现初始拓扑结构的构建，该做法更有益于增强初始拓扑结构的稳定性，为后续拓扑结构的演化奠定了良好的基础。且本实施例中给出的成簇参数加入了距离因素，传感器节点连接时在其他条件相同的情况下优选选择距离相对更近的节点，避免节点能量因通信距离的增加过度消耗。
在一个实施例中，传感器节点u到所述通讯主站2的广义距离可利用下式计算得到：
式中，Du,BS为传感器节点u到所述通讯主站2的广义距离，d(u,BS)为传感器节点u和所述通讯主站2的空间距离，Rc为第c个传感器节点的属性评价值，且c＝1,2,…,Ru为传感器节点u的属性评价值，RBS为所述通讯主站的属性评价值，Yu,BS为|Ru-RBS|的权值，Yc,BS为|Rc-RBS|的权值，且满足ω1d和ω1s分别表示在传感器节点u到所述通讯主站2的广义距离中空间距离和属性距离的权重，且满足ω1d+ω1s＝1。
属性主要是指传感器节点和通讯主站的计算能力、存储能力、传输能力、功耗等，属性评价值是对传感器节点或通讯主站属性的综合评价值，其综合评价值越高，代表传感器节点或通讯主站的性能越好。
有益效果：在本实施例中，定义了传感器节点到通讯主站的广义距离，该广义距离用来衡量传感器节点u和通讯主站2的空间距离及属性距离对传感器节点的影响。由该广义距离的计算公式可知，传感器节点与通讯主站2的空间距离越大、其传感器节点与通讯主站2的广义距离就越大，传感器节点与通讯主站2的属性距离越大，其传感器节点与通讯主站2的广义距离就越大，进而使得该传感器节点的成簇参数越大。通过本实施例定义的传感器节点到通讯主站2的广义距离，使得传感器节点与通讯主站2的空间距离越大的、传感器节点与通讯主站2的属性距离越大的传感器节点更有可能当选为簇首，从而有利于均衡能耗，最终使得到的无线传感器网络拓扑结构具有更好的稳定性和抗毁性能，有利于降低采集煤矿安全数据的能量消耗，节省了该火灾监测系统的成本，延长了该火灾监测系统的生命周期。
在一个实施例中，传感器节点u与第i个传感器节点的广义距离可利用下式计算得到：
式中，Du,i为传感器节点u与第i个传感器节点的广义距离，d(u,i)为传感器节点u与第i个传感器节点的空间距离，d(u,k)为传感器节点u与传感器节点k的空间距离，d(i,k)为第i个传感器节点和传感器节点k的空间距离，COM(u,i)表示传感器节点u和第i个传感器节点之间共同邻居的个数，Ω为除去传感器节点u和第i个传感器节点，当前拓扑结构中剩余传感器节点构成的集合，Yui为|Ru-Ri|的权值，Yuc为|Ru-Rc|的权值，且满足δ为设定的一个很小的常数因子，ω2d和ω2s分别表示在两个传感器节点的广义距离中空间距离和属性距离的权重，满足ω1d+ω1s＝1。
有益效果：在本实施例中，定义了两个传感器节点之间的广义距离，该广义距离用来衡量两个传感器节点之间的空间距离及属性距离对新加入的传感器节点的影响。由该广义距离的计算公式可知，传感器节点与其他传感器节点的空间距离越大、传感器节点与其他传感器节点之间的广义距离就越大，传感器节点与其他传感器节点之间的属性距离越大，传感器节点与其他传感器节点之间的广义距离就越大，进而使得该传感器节点的成簇参数越大。通过本实施例定义的两个传感器节点之间的广义距离，使得两个传感器节点之间的空间距离越大的、两个传感器节点之间的属性距离越大的传感器节点更有可能当选为簇首，从而有利于均衡能耗，最终使得到的无线传感器网络拓扑结构具有更好的稳定性和抗毁性能，有利于降低采集煤矿安全数据的能量消耗，节省了农业环境信息该火灾监测系统的成本，延长了该火灾监测系统的生命周期。
在一个实施例中，新加入的传感器节点与所述通讯主站2的连接概率的计算公式为：
式中，∏x,BS(BS)表示传感器节点x与所述通讯主站的连接概率值，mx为传感器节点x到通讯主站BS组成的直线的斜率，mc为传感器节点c到通讯主站BS组成的直线的斜率，F{d(x,BS)}为判决函数，该判决函数用来判定传感器节点x与所述通讯主站是否可以直接进行信息交互，d(x,BS)表示传感器节点x与通讯主站BS的空间距离，local(x)表示传感器节点x的邻节点集，kx为传感器节点x的节点度,kc为传感器节点c的节点度，RIx为传感器节点x接收信号强度值，RIc为传感器节点c的接收信号强度值，Lmax为簇首与所述通讯主站的最大通信距离，即当传感器节点x与所述通讯主站的空间距离大于Lmax，传感器节点x与所述通讯主站之间不能直接进行信息交互，反之，传感器节点x与所述通讯主站之间可以直接进行信息交互，ε为拓扑参数，其满足0＜ε＜1。
有益效果：在本实施例中，定义了新加入的传感器节点与通讯主站之间的连接概率，该连接概率表述了新加入的传感器节点能够与通讯主站进行信息交互的可能性大小，由该计算公式可知，连接概率从传感器节点的节点度、传感器节点与通讯主站的位置关系等多个角度考虑了新加入的传感器节点与通讯主站的连接关系，从而能够全方位地、更准确地衡量新加入的传感器节点与通讯主站的连接关系，有利于后续对新加入的传感器节点归属问题的准确判定。
在一个实施例中，新加入的传感器节点与任意一个簇首的连接概率的计算公式为：
其中：
式中，∏x,n(n)表示传感器节点x与簇首n的连接概率值，Ex为传感器节点x的剩余能量值，kx为传感器节点x的节点度，Ec为传感器节点c的剩余能量值，kc为传感器节点c的节点度，F{d(x,n)}为判决函数，该判决函数用来判定传感器节点x与簇首n是否可以直接进行信息交互，d(x,n)表示传感器节点x与通讯主站BS的空间距离，local(x)表示传感器节点x的邻节点集，Lmin为簇成员节点的最大通信距离，即当传感器节点x与簇首n的空间距离大于Lmin，传感器节点x与簇首n之间不能直接进行信息交互，反之，传感器节点x与簇首n之间可以直接进行信息交互，η1、η2为权重因子，其满足η1+η2＝1，Hx,n表示传感器节点x与簇首n通信链路质量权重值，Hx,c表示传感器节点x与传感器节点c的链路强度。
有益效果：在本实施例中，定义了新加入的传感器节点与簇首之间的连接概率，该连接概率表述了新加入的传感器节点能够与簇首进行信息交互的可能性大小，由该计算公式可知，连接概率从传感器节点的节点度、传感器节点剩余能量值与传感器节点与其邻节点的链路强度等多个角度考虑了新加入的传感器节点与簇首的连接关系，从而能够准确地对新加入传感器节点的归属进行判定，得到稳定性能好的无线传感器拓扑结构。
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 (7)
1.一种煤矿井下火灾监测系统，其特征是，包括：
监测主机，所述监测主机位于地面且安装系统监测软件和后台数据库，所述监测主机用于接收矿井下安全数据和发出监测指令；
通讯主站，所述通讯主站通过工业以太网络与所述监测主机通讯，且用于接收和传输所述井下安全数据和所述监测指令；和
无线传感器网络，所述无线传感器网络位于煤矿传感区域内，通过所述通讯主站与所述监测主机通讯，且包括多个传感器节点，所述传感器节点用于采集煤矿安全数据和无线传输所述煤矿安全数据；和
无线网关，所述无线网关与所述传感器节点通过无线通讯并且与所述通讯主站通过现场总线通讯，所述无线网关将所述煤矿安全数据传输到所述通讯主站并向所述传感器节点传输所述监测指令；
所述无线传感器网络的路由算法采用CRAM算法，所述传感器节点和所述无线网关采用突发唤醒通讯机制，仅在一定时间间隔内数据发生了变化或根据所述监测主机的监测指令才进行无线网络通讯。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下火灾监测系统，其特征是，所述煤矿安全数据包括一氧化碳浓度数据、矿内压力变化数据和煤矿内温度数据。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下火灾监测系统，其特征是，所述传感器节点内置至少一种下述传感器：
一氧化碳传感器，用于采集煤矿内一氧化碳浓度数据；
风压传感器，用于采集煤矿内压力变化数据；
温度传感器，用于采集煤矿内温度数据。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下火灾监测系统，其特征是，所述无线网关包括ZigBee无线网络通信模块。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下火灾监测系统，其特征是，所述传感器节点具有网络标识和地理坐标，所述煤矿井下火灾监测系统能够以地点和名称为索引进行存储和查询。
6.根据权利要求1所述的煤矿井下火灾监测系统，其特征是，在所述煤矿井下火灾监测系统中，各传感器节点在采集煤矿安全数据之前，先通过拓扑演化的方式构建无线传感器网络拓扑结构，具体为：
(1)在撒布好的传感器节点中，所述通讯主站从其附近的个传感器节点中选取M个传感器节点作为簇首，所述通讯主站和其附近的个传感器节点一同构成初始拓扑；
(2)每隔一个时间步长，从当前拓扑以外的可选范围内选择一个距离所述通讯主站最近的传感器节点加入当前拓扑，并获得该传感器节点的邻节点集；计算新加入的传感器节点与每一个既在其通信半径内又在当前拓扑内的传感器节点、通讯主站之间的连接概率；
(3)如果新加入的传感器节点与所述通讯主站的连接概率最大，则该传感器节点当选为簇首，否则，该传感器节点归属于与其连接概率值最大的簇首，成为该簇首的簇成员节点；
(4)继续执行(2)-(3)，直至撒布在煤矿传感区域的所有传感器节点加入拓扑，得到更新后的无线传感器拓扑结构。
7.根据权利要求6所述的煤矿井下火灾监测系统，其特征是，所述通讯主站从其附近的个传感器节点中选取M个传感器节点作为簇首，具体是：计算所述的个传感器节点的成簇参数，并将得到的成簇参数进行降序排列，选择成簇参数最大的前M个传感器节点作为簇首，M为预设的初始簇首数，其中，传感器节点k的成簇参数可利用下式计算得到：
式中，Clu(k)为传感器节点k的成簇参数，成簇参数用来评价传感器节点成为簇首的能力，成簇参数越大，代表传感器节点成为簇首的可能性越大；Eres(k)为传感器节点k的剩余能量值，Eres(i)为第i个传感器节点的剩余能量值，且Yk,BS为传感器节点k与所述通讯主站的广义距离，Yi,BS为传感器节点i与所述通讯主站的广义距离，Yk,i为传感器节点k与第i个传感器节点的广义距离，且当i＝k时，此时Yk,i＝0，Ptk为传感器节点k的发射功率，PtBS为所述通讯主站BS的接收功率，α为衰减因子，d(k,BS)为传感器节点k和通讯主站的空间距离，ε为调控因子，其取值范围为3～8。
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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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190115 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |