矩形截面矿井巷道WSN覆盖研究

发布时间：2019-11-27 23:26

【摘要】：无线传感器网络以其低廉的成本、自发的组织网络、多跳路由和低功耗的优点被广泛的应用于矿井的安全监测和安全生产中。矿井环境有其特殊性,矿井中的无线信号因反射、折射等影响会造成信号衰减,进而影响无线传感器节点之间的通信质量。随着生产过程中的巷道延伸,传感器节点的部署也要同步延伸才能保障网络的覆盖质量。这就要求传感器节点的部署要能全方位的覆盖到巷道中的每一个关注点,即采用安全高效的节点部署方式和策略实现矿井下全方位的覆盖。目前大部分的无线传感器网络覆盖问题研究是基于二维平面的,不适合三维矿井环境。因此,需要针对矿井巷道设计合理的三维覆盖模型。矿井巷道的截面主要分为拱形、圆形、矩形,在巷道内壁上传感器大多采用直线型和左右交替型经典部署。针对矩形截面矿井巷道的无线传感器节点如何实现单重无缝覆盖的问题,通过分析巷道几何尺寸与节点感知半径的关系,判断矿井巷道合理的部署类型。本文所做的主要工作包括以下两点:(1)在已知相邻节点距离的情况下,对两种经典节点部署进行分析。首先对矩形截面巷道截面几何尺寸进行分析,寻找满足其完全覆盖的传感器节点最佳布设位置;其次推导出满足其完全覆盖的传感器节点最小感知半径与巷道截面几何尺寸的函数关系;最后在满足巷道截面完全覆盖的前提下,推导出满足其三维无缝覆盖的最小感知半径与巷道截面几何尺寸的函数关系。推论表明,在直线型部署中最小感知半径是随着相邻节点距离变大而变大,在左右交替型部署中最小感知半径不仅与相邻节点距离有关还与巷道宽度有关。仿真实验也验证了这些关系的正确性。(2)在已知传感器节点感知半径的情况下,对两种经典节点部署的动态可变位置进行分析。首先根据三维覆盖模型并结合空间几何理论,推导出在两种部署中满足完全覆盖条件的相邻节点距离及覆盖密度;其次结合巷道几何尺寸对覆盖密度进行比较;最后考虑到在特殊区域的节点不一定能安装在理想位置上,根据节点感知半径的大小结合巷道的几何尺寸推导出了节点可偏移理想位置的量。推论表明,当巷道高度大于巷道宽度时左右交替型部署更适合矿井巷道覆盖。当巷道高度小于巷道宽度时分三种情况,巷道高度的平方与巷道宽度的平方比在2/3到1之间时,左右交替型部署更适合矿井覆盖;巷道高度的平方与巷道宽度的平方比在0到1/3之间时,直线型部署更适合矿井覆盖;巷道高度的平方与巷道宽度的平方比在1/3到2/3之间时,可找到一个节点感知半径的临界值,小于该临界值时左右交替型部署更适合矿井巷道覆盖,大于该临界值时直线型部署更适合矿井巷道覆盖。仿真实验同样验证了这些推论的正确性。利用本文推导的结论,可直接计算出矩形截面巷道环境下节点必须满足的最小感知半径、部署方法、部署位置和覆盖密度,从而提高节点覆盖的准确性与稳定性,有效地减少工程成本支出。同时,该部署方法和策略经过适度调整也可适合截面为拱形、圆形矿井巷道环境。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD65

【参考文献】