[發明專利]煤礦巷道的無線傳感器網絡及其分布式功率控制方法

在審

• 申請號: 201410782125.4
• 申請日: 2014-12-16
• 公開（公告）號: CN104486725A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 夏旭;韓鳳英;劉玲;趙宇;譚慶龍
• 申請（專利權）人: 湖南安全技術職業學院
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W4/06;H04W52/04;H04W84/18
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 周志中

技術領域

本發明涉及采礦領域，尤其是一種煤礦監控系統。

背景技術

在煤礦生產中，以地下開采為主，隨著采掘的深入，煤礦巷道在形狀上呈現長而窄的長帶狀結構，即巷道的長度通常有幾千米，但是寬度只有幾米至十幾米。由于通風不暢造成瓦斯、CO等有害氣體在巷道和工作面的聚集，給煤礦的開采帶來了巨大的安全隱患，因此，為了減少煤礦安全生產事故，需要為煤礦配置安全監控系統，對瓦斯濃度、CO濃度、風速等環境參數進行實時監控。目前，傳統的安全監控系統采用在巷道敷設礦用通信電纜的方式，這種方式存在的缺陷主要體現在兩個方面，第一，需要敷設大量的礦用通訊電纜，隨著工作面的延伸還需要不斷增加額外的電纜和通信設備，工作量和維護難度大；第二，井下采掘過程中發生的自然或者人為事故，容易造成通信線纜的損壞，影響監控系統的正常運行。

無線傳感器網絡(WSN)本身所具有的放置靈活、擴展簡便、移動性強和自組織等特點，可以很好的適應煤礦井下的監控工作，因此，將無線傳感器應用于煤礦監控系統中已成為煤礦安全生產的發展趨勢。

目前，將WSN應用于煤礦的研究中，以針對單Sink的傳感器網絡結構為主，這種單Sink(基站節點)的網絡結構需要數據沿著唯一的Sink方向進行單跳或多跳傳輸，容易造成能耗過快，影響網絡的使用壽命，尤其是在煤礦巷道內，巷道的長度遠大于巷道寬度，以湖南衡陽的南陽煤業有限公司為例，其回風巷長度一般都超過了1000米，運輸大巷的長度更是達到了12000米左右，顯然在這種長帶狀的巷道中采用單Sink的網絡結構，難以保證巷道深處的sensor(傳感器)節點及時的將監測的數據傳送給巷道口的Sink，一旦sensor節點監測到環境異常數據未及時傳送給地面的監控中心，將帶來嚴重的安全事故和災難性的后果。

發明內容

本發明的目的是提供一種煤礦巷道的無線傳感器網絡及其分布式功率控制方法，能有效的降低通信的能耗和干擾，延長網絡生存期，及時快速的傳送監測數據。

為實現上述目的，本發明提供一種煤礦巷道的無線傳感器網絡，在巷道每隔一段不超過Sink最大通信半徑的隨機距離設置一個Sink，每個Sink通過GPS或者定位機制獲得自身位置信息，每個Sink在其通信半徑內廣播功率控制消息PCM，每個Sink接收某一區域內sensor節點的監控信息，并將收集的信息傳送到巷道口的礦用通信交換機，最終傳送到地面控制中心。

本發明提供一種煤礦巷道的無線傳感器網絡的分布式功率控制方法，設網絡中sensor節點個數為N，Sink個數為k，分布在一個狹長的L×W矩形區域內，L、W分別為巷道長和寬，并且L＞＞W，sensor節點和Sink一旦部署完畢，位置固定；sensor節點和Sink的發射功率可控，并且可以根據接收信號的強度推算出節點之間的距離和接收功率大小；控制方法包括如下步驟：

步驟一，每個Sink利用定位算法獲得自身的坐標信息，然后通過廣播鄰居Sink發現握手包和PCM消息，告知鄰居Sink各自的位置信息，Sink收到握手包后，根據握手包中的Sink標識ID，由Sink?ID最小的Sink與矩形區域相應頂點的距離作為無線射程，此時，在該Sink的無線射程圓和矩形邊界有4個交點，其他的Sink在選擇合適的無線射程時，與矩形邊界也有4個交點；

步驟二，確定各Sink的通信半徑R_Si，公式為：