CN108259596A - 一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统，包括参数监测模块、数据传输模块、数据库模块和界面显示模块，所述参数监测模块利用传感器节点采集矿井内的环境数据并通过无线传感器网络将所述环境数据发送至数据传输模块，所述数据传输模块用于将所述环境数据传输至数据库模块，所述数据库模块用于对接收到的数据进行存储和处理，并判断井下的环境状态，所述界面显示模块用于将传感器的位置信息和环境数据显示出来。本发明的有益效果为：提供一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统，对无线传感器网络中的信标节点的跳段距离算法和节点定位算法进行改进，有效的减少了定位误差，提高了节点的定位精度，从而能够有效的对井下安全进行监测。

Description

一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统

技术领域

本发明创造涉及矿井安全领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统。

背景技术

矿井安全管理是一项复杂的工程，井下的环境监测是矿井安全管理中最为重要的环节，其对有效管理矿井安全有着重要的意义。对井下环境的有效监测对于预防事故的发生，将湿度的发生率和造成的损失降到最低有着重要的现实意义。无线传感器网络是由监测区域内布置的大量无线传感器节点，通过无线通信方式形成的多跳的自组织网络，在环境监测方面，无线传感器网络技术有着显著的优势。本发明提供一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统，将无线传感器网络应用到矿井安全监测中，对无线传感器网络技术中传统的节点定位以及数据融合技术进行改进，提高了定位精度以及监测精度，实现了矿井安全的有效监测。

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安全监测系统。

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安全监测系统，包括参数监测模块、数据传输模块、数据库模块和界面显示模块，所述参数监测模块利用传感器节点采集矿井内的环境数据并通过无线传感器网络将所述环境数据发送至数据传输模块，所述数据传输模块用于将所述环境数据传输至数据库模块，所述数据库模块用于对接收到的环境数据进行存储和处理，并判断井下的环境状态，当判断井下环境状态为危险时即进行预警，所述界面显示模块用于将传感器节点的位置信息和环境数据显示出来。

本发明创造的有益效果：本发明提供一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统，对无线传感器网络中的信标节点的跳段距离算法和节点定位算法进行改进，有效的减少了定位误差，提高了节点的定位精度，从而能够有效的对井下安全进行监测。

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是本发明数据库模块的结构示意图。

附图标记：

参数监测模块1；数据传输模块2；数据库模块3；界面显示模块4；数据存储单元31；数据处理单元32；报警单元33。

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和图2，本实施例的一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统，包括参数监测模块1、数据传输模块2、数据库模块3和界面显示模块4，所述参数监测模块1利用传感器节点采集矿井内的环境数据并通过无线传感器网络将所述环境数据发送至数据传输模块2，所述数据传输模块2用于将所述环境数据传输至数据库模块3，所述数据库模块3用于对接收到的环境数据进行存储和处理，并判断井下的环境状态，当判断井下环境状态为危险时即进行预警，所述界面显示模块4用于将传感器节点的位置信息和环境数据显示出来。

优选地，所述参数监测模块1的传感器节点包括一氧化碳传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器。

优选地，所述数据库模块3包括数据存储单元31、数据处理单元32和报警单元33，所述数据存储单元31用于对接收到的井下环境数据进行存储，所述数据处理单元32用于对接收到的井下环境数据进行处理，并判断井下的环境状态，当井下环境状态为危险时即令报警单元33进行预警。

优选地，所述参数监测模块1和数据传输模块2通过无线传感器网络实现数据的传输，所述数据传输模块2和数据库模块3通过GPRS实现数据的传输。

本优选实施例提供一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统，对无线传感器网络中的信标节点的跳段距离算法和节点定位算法进行改进，有效的减少了定位误差，提高了节点的定位精度，从而能够有效的对井下安全进行监测。

优选地，所述参数监测模块1中的无线传感器网络采用改进算法对每个未知节点的平均每跳距离进行计算，并根据计算所得的平均每跳距离估计未知节点到其他信标节点的跳段距离，具体包括：

a.采用下列公式计算每个信标节点的平均每跳距离l_i，

式中，l_i为每个信标节点的平均每跳距离，(x_i，y_i)为信标节点i的位置坐标，(x_j，y_j)为信标节点j的位置坐标，h_ij为信标节点i和信标节点j之间的跳段数；

b.根据上述计算所得的平均每跳距离计算未知节点到其他信标节点的跳段距离，定义未知节点为k，则未知节点k到其他信标节点的跳段距离的计算公式为：

当信标节点p为距离未知节点k最近的信标节点时，则未知节点k到信标节点p之间的跳段距离d_kp为：

式中，为未知节点k的平均每跳距离，h_kp为未知节点k与信标节点p之间的跳段数,l_i为每个信标节点的平均每跳距离,为信标节点p到其他信标节点之间实际距离的平均值，为信标信标节点p到其他信标节点之间跳段数的平均值；

当信标节点g为距离未知节点k较远的信标节点时，则未知节点k到信标节点g之间的跳段距离d_kg为：

d_kg＝l_kg×h_kg

式中，l_kg为未知节点k与信标节点g之间的平均每跳距离，为未知节点k的平均每跳距离，J_pg为信标节点p与信标节点g之间的实际距离，h_pg为信标节点p与信标节点g之间的跳段数,h_kg为未知节点k与信标节点g之间的最小跳数。

本优选实施例与传统的信标节点的平均每跳距离的计算方法相比，本算法在计算信标节点的平均每跳距离时，根据不同的信标节点自适应的进行计算，有效的降低了跳段距离的估计误差，同时也为后续准确的定位打下了基础。

优选地，所述参数监测模块1中的无线传感器网络采用基于差分进化算法对未知节点进行定位，对差分进化算法中的适应度函数进行改进，设无线网络中信标节点为A，未知节点数为B，则改进后的适应度函数为：

式中，为未知节点k第t代种群的的位置坐标，(x_m,y_m)为信标节点m的位置坐标，d_km为与该种群个体对应的未知节点k到信标节点m的跳段距离，G为到未知节点k跳段距离最近的信标节点数，h_kn为未知节点k到信标节点n之间的跳段数。

本优选实施例提出的节点定位方法对差分进化算法中的适应度函数进行改进，综合考虑了未知节点与信标节点之间的距离误差以及它们之间的跳段距离和最小跳数对节点定位准确性的影响，从而有效的减少了测距误差对未知节点定位的影响，提高了节点定位的精度。

发明人针对参数监测模块中的改进的无线传感器网络的节点定位算法进行了一系列测试，具体为：

当通信半径为30m时，测试得到的实验数据为：

信标节点比例(％)	定位误差(m)	定位精度(％)
			20	5.87	19.57
25	5.35	17.83
			30	5.01	16.70
35	4.74	15.80

当通信半径为40m时，测试得到的试验数据为：

信标节点比例(％)	定位误差(m)	定位精度(％)
			20	6.02	15.05
25	5.75	14.38
			30	5.23	13.08
35	4.89	12.23

从上述试验数据可以看出，采用改进的节点定位算法进行定位，不仅具有较高的定位精度，而且定位误差也较小。

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安全监测系统，其特征是，包括参数监测模块、数据传输模块、数据库模块和界面显示模块，所述参数监测模块利用传感器节点采集矿井内的环境数据并通过无线传感器网络将所述环境数据发送至数据传输模块，所述数据传输模块用于将所述环境数据传输至数据库模块，所述数据库模块用于对接收到的数据进行存储和处理，并判断井下的环境状态，当井下环境状态为危险时即进行预警，所述界面显示模块用于将传感器的位置信息和环境数据显示出来。

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安全监测系统，其特征是，所述参数监测模块的传感器节点包括一氧化碳传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系统，其特征是，所述数据库模块包括数据存储单元、数据处理单元和报警单元，所述数据存储单元用于对接收到的井下环境数据进行存储，所述数据处理单元用于对接收到的井下环境数据进行处理，并判断井下的环境状态，当井下环境状态为危险时即令报警单元进行预警。

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安全监测系统，其特征是，所述参数监测模块和数据传输模块通过无线传感器网络实现数据的传输，所述数据传输模块和数据库模块通过GPRS实现数据的传输。

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安全监测系统，其特征是，所述参数监测模块中的无线传感器网络采用改进算法对每个未知节点的平均每跳距离进行计算，并根据计算所得的平均每跳距离估计未知节点到其他信标节点的跳段距离，具体包括：

a.采用下列公式计算每个信标节点的平均每跳距离li，

式中，l_i为每个信标节点的平均每跳距离，(x_i，y_i)为信标节点i的位置坐标，(x_j，y_j)为信标节点j的位置坐标，h_ij为信标节点i和信标节点j之间的跳段数；

b.根据上述计算所得的平均每跳距离计算未知节点到其他信标节点的跳段距离，定义未知节点为k，则未知节点k到其他信标节点的跳段距离的计算公式为：

当信标节点p为距离未知节点k最近的信标节点时，则未知节点k到信标节点p之间的跳段距离d_kp为：

式中，为未知节点k的平均每跳距离，h_kp为未知节点k与信标节点p之间的跳段数,l_i为每个信标节点的平均每跳距离,为信标节点p到其他信标节点之间实际距离的平均值，为信标信标节点p到其他信标节点之间跳段数的平均值；

当信标节点g为距离未知节点k较远的信标节点时，则未知节点k到信标节点g之间的跳段距离d_kg为：

d_kp＝l_kg×h_kg

式中，l_kg为未知节点k与信标节点g之间的平均每跳距离，为未知节点k的平均每跳距离，J_pg为信标节点p与信标节点g之间的实际距离，h_pg为信标节点p与信标节点g之间的跳段数,h_kg为未知节点k与信标节点g之间的最小跳数。

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安全监测系统，其特征是，所述参数监测模块中的无线传感器网络采用基于差分进化算法对未知节点进行定位，对差分进化算法中的适应度函数进行改进，设无线网络中信标节点为A，未知节点数为B，则改进后的适应度函数为：

式中，为未知节点k第t代种群的的位置坐标，(x_m,y_m)为信标节点m的位置坐标，d_km为与该种群个体对应的未知节点k到信标节点m的跳段距离，G为到未知节点k跳段距离最近的信标节点数，h_kn为未知节点k到信标节点n之间的跳段数。