[发明专利]煤矿巷道的无线传感器网络及其分布式功率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及采矿领域，尤其是一种煤矿监控系统。

背景技术

在煤矿生产中，以地下开采为主，随着采掘的深入，煤矿巷道在形状上呈现长而窄的长带状结构，即巷道的长度通常有几千米，但是宽度只有几米至十几米。由于通风不畅造成瓦斯、CO等有害气体在巷道和工作面的聚集，给煤矿的开采带来了巨大的安全隐患，因此，为了减少煤矿安全生产事故，需要为煤矿配置安全监控系统，对瓦斯浓度、CO浓度、风速等环境参数进行实时监控。目前，传统的安全监控系统采用在巷道敷设矿用通信电缆的方式，这种方式存在的缺陷主要体现在两个方面，第一，需要敷设大量的矿用通讯电缆，随着工作面的延伸还需要不断增加额外的电缆和通信设备，工作量和维护难度大；第二，井下采掘过程中发生的自然或者人为事故，容易造成通信线缆的损坏，影响监控系统的正常运行。

无线传感器网络(WSN)本身所具有的放置灵活、扩展简便、移动性强和自组织等特点，可以很好的适应煤矿井下的监控工作，因此，将无线传感器应用于煤矿监控系统中已成为煤矿安全生产的发展趋势。

目前，将WSN应用于煤矿的研究中，以针对单Sink的传感器网络结构为主，这种单Sink(基站节点)的网络结构需要数据沿着唯一的Sink方向进行单跳或多跳传输，容易造成能耗过快，影响网络的使用寿命，尤其是在煤矿巷道内，巷道的长度远大于巷道宽度，以湖南衡阳的南阳煤业有限公司为例，其回风巷长度一般都超过了1000米，运输大巷的长度更是达到了12000米左右，显然在这种长带状的巷道中采用单Sink的网络结构，难以保证巷道深处的sensor(传感器)节点及时的将监测的数据传送给巷道口的Sink，一旦sensor节点监测到环境异常数据未及时传送给地面的监控中心，将带来严重的安全事故和灾难性的后果。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤矿巷道的无线传感器网络及其分布式功率控制方法，能有效的降低通信的能耗和干扰，延长网络生存期，及时快速的传送监测数据。

为实现上述目的，本发明提供一种煤矿巷道的无线传感器网络，在巷道每隔一段不超过Sink最大通信半径的随机距离设置一个Sink，每个Sink通过GPS或者定位机制获得自身位置信息，每个Sink在其通信半径内广播功率控制消息PCM，每个Sink接收某一区域内sensor节点的监控信息，并将收集的信息传送到巷道口的矿用通信交换机，最终传送到地面控制中心。

本发明提供一种煤矿巷道的无线传感器网络的分布式功率控制方法，设网络中sensor节点个数为N，Sink个数为k，分布在一个狭长的L×W矩形区域内，L、W分别为巷道长和宽，并且L＞＞W，sensor节点和Sink一旦部署完毕，位置固定；sensor节点和Sink的发射功率可控，并且可以根据接收信号的强度推算出节点之间的距离和接收功率大小；控制方法包括如下步骤：

步骤一，每个Sink利用定位算法获得自身的坐标信息，然后通过广播邻居Sink发现握手包和PCM消息，告知邻居Sink各自的位置信息，Sink收到握手包后，根据握手包中的Sink标识ID，由Sink ID最小的Sink与矩形区域相应顶点的距离作为无线射程，此时，在该Sink的无线射程圆和矩形边界有4个交点，其他的Sink在选择合适的无线射程时，与矩形边界也有4个交点；

步骤二，确定各Sink的通信半径R_Si，公式为：