无线传感网大作业

无线传感器网络大作业题目：无线传感网络实现矿井环境检测物联网工程学院计算机科学与技术专业

学号

学生姓名

指导教师宋春霖副教授

二〇一六年五月

摘要：煤矿中的突发事故具有一定的随机性和不确定性。利用无线传感器网络采集矿井中的数据,再将这些数据通过无线网络传输到矿井上的环境监测中心,并把这些数据实时直观地显示出来;尤其是在被监测的瓦斯体积分数超标的时候,还可发出报警信号。采集到的数据会备份到数据库中,通过对这些数据进行科学的分析归纳,能为预测事故和危机的发生提供强有力的数据支持。

关键词：煤矿、突发事故、无线传感网

目录

1、具体应用 (4)

2、设计方面的挑战 (4)

2.1土壤状况与类型 (4)

2.2成本 (5)

2.3功耗问题 (5)

2.4恶劣环境 (5)

3、无线传感网的组成以及架构 (5)

传感器节点 (6)

4、通信架构 (7)

参考文献: (7)

1、具体应用

近些年来，我国的煤矿事故时常发生，一旦出现重大煤矿事故，不仅失去大量矿工人

员的生命，而且还给煤矿企业和国家带来一定的负面影响。我国现有的煤矿井下的检测系统还是传统的有线检测系统，这种检测系统存在着一系列的弊端，比如说，它只能在矿井扩宽的场域方便使用，而在那些工人作业的采煤区域还不能够完全地有效使用。

监控设备不能很好地发挥作用。传统的监控设备，监控范围有限，并且基本采用有线模式传输信号，在矿井中使用十分不便。而无线传感器网络存在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式组成的一个多跳的自组织网络，其目的是采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并通过无线模块发送给观察者。是集数据的采集、融合、分析、传输于一体，具有展开快速、可靠稳定、可维护性好等特点，特别适用于环境恶劣、不方便人工监控和通过有线网络监控的场所。如果将其应用于煤矿中，配上上层监控软件，可以很好地实现对煤矿内重点区域实时监控、显示和预警，对煤矿的安全生产起着非常重要的作用。下面就提出一种基于无线传感网络的煤矿瓦斯预警系统的设计方法。

无线传感器网络由于自身的特殊特点，比如说方便，能够适应各种环境、检测精确度较高和安全可靠性高等特点，在当前的煤矿开采中非常实用，可以解决在环境复杂、恶劣的煤矿中对瓦斯浓度的监控和预警，不仅要实现煤矿采空区的监测和数据的传输,而且开发成本和运行成本也要低,适合于中、小煤矿采空区的温度监测,移植与功能扩展方便,更换与增加不同的传感器又可构建其他监测网络。

2、设计方面的挑战

2.1土壤状况与类型

在地下通信中网络部署与土壤类型密切相关，随着土壤类型的不同功率衰减的特性展现出很大差异，很大程度上引起了网络拓扑结构的设计。另外，天气、湿度、季节等因素对土壤状况的影响也是我们需要考虑的一个重点。

2.2成本

传感器在地下部署的越深则需要越多的挖掘成本，也就导致了设备部署成本的提高。考虑到成本问题，应该避免节点的深度部署，病最小化所需设备数目。但是有需要考虑规模问题，所以必须设计一个折中的方案。

2.3功耗问题

发送端与汇聚节点之间的距离与衰落成正比，需要将网络拓扑结构设计为短距离跳数多，而非长距离条数少的方式。另外，功耗问题也是运营成本的重要组成部分，一个低功耗的检测系统才符合各方面的利益。

2.4恶劣环境

地下环境需要考虑水、极端温度、昆虫以及挖掘设备对设备造成的破坏，并在设计中尽量采取措施避免这种破坏。

3、无线传感网的组成以及架构

整个系统分井上和井下两部分。井下部分主要是利用传感器对矿井内的温湿度和瓦斯体积分数信息采集,然后通过路由的方式经过各个节点传送到基站;井上部分主要负责接收从基站传输过来的数据,并进行处理、分析、动态曲线显示和写入数据库备份

无线传感器在矿井环境中的检测系统主要是由传感器服务网络、监测控制中心、数据采集与分析以及传送网络和终端服务设备等部分组成。

此无线传感器系统主要在于无线传感器网络以及监控中心，监控中心主要有生产服务调度室、监测计算机、服务器、以及远程pc服务器组成。无线传感器网络主要负责收集数据

和传输数据，监测计算机主要用来接收分析并处理井下传来的数据，服务器主要是用来存贮所有的数据及操作记录。

无线传感网架构：

传感器节点

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块及电源模块4部分组

成,传感器模块负责监测区内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,接收和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;电源模块为传感器、处理器及无线模块提供运行所需的能量,并对其进行管理,以达到最大的使用效率。

传感器节点图：

4、通信架构

矿井监测系统由监测传感器、井下分站、信息传输系统和地面中心等部分组成。井下分站和地面中心站的连接部分即是信息传输系统。信息传输系统按结构可以分为放射状、环状和树状三种。在同等的监控容量的情况下，减少系统的分支，井下各分站就近接入由井上中心站下来的系统电缆。

在无线通信设计中井下现有光纤通信系统相当于树的主干，井下各分站由无线通信系统中的主节点代替，各个主节点接入多个无线传感器子节点，每个主节点与其接入的子节点构成一组。井巷监测无线通信系统是结合井下现有光纤通信系统和无线传感器网络提出的一种瓦斯监测系统。利用每一个传感器均具有的检测功能，同时又具有信号的接收、处理、判断、控制检测系统开关、发送以及根据信号对检测系统开关进行控制的特点。

基于上述设计，可将通信架构设计如下：

通信架构图：

参考文献:

[1] 李继林.煤矿安全监控系统的现状与发展趋势[J].煤炭技术,2008,(11):4-5.

[2] 张保华,李士宁,滕文星.基于无线传感器网络的温室测控系统研究设计[J].微电子学与计算机,2008,(5):550-552.

[3] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4] 吴呈瑜,孙运强.基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统[J].仪表技术与传感器,2008,(5):38-39.

[5] 雷煌.基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络系统[J].煤炭工程,2008,(8):21-22.

[6] 郑万成,杨胜强,于宝海.煤与瓦斯突出事故预警系统的研究与应用[J].煤炭技术,2009,(1):7-9