智慧矿山场景下无线传感网络节点再编程高效代码分发策略研究
发布时间：2022-01-27 13:50
矿业行业作为基础行业为国家的快速发展起到关键支撑作用,但我国复杂的地质环境以及庞杂的采矿流程给矿业的安全高效生产带来了巨大挑战。近些年,伴随着物联网、人工智能、大数据以及新一代无线通信技术在矿业行业中的逐步应用,“智慧矿山”的理论体系及应用方案也日渐完备,成为未来矿业行业减员提效、增产降耗最有效的解决方案之一。在智慧矿山的建设方案中,数据是基础。数据的采集需要在矿山部署大量自组织的传感器节点,由此形成智慧矿山场景下的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）。在智慧矿山的建设过程中,上层应用需求有时会根据生产需求做柔性变动,底层节点的功能程序也需要根据上层需求进行动态调整。此外不同时期安装的传感节点型号和版本也有所差异,需对传感节点的系统版本和功能做统一管理及升级,这些都需要对传感器节点内部程序进行更新,传统的手动在线更新方法费时费力,面对大规模节点数目的传感网络不切实际,因此需要通过空中下载（Over-The-Air,OTA）的方式对传感器进行无线再编程（Reprogramming）。目前针对无线再编程的相关研究在时间、能效、可靠性、安全性方面做了较为...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【图文】：
矿井巷道中和地面选矿所用到的各类传感器节点Fig1.3varioussensorsnodeusedinmineroadwayneutralizationandsurfacemineralprocessing
第三章矿井无线传感网络单基站高效再编程策略41图3.11真实矿井结构下的算法应用Fig3.11Applicationofalgorithmunderrealminestructure由图3.12中的数据可知，相较于上述结构最为复杂的图3.9(a)中的结构Dijkstra算法的时间损耗增加了近12倍，Floyd—Warshall算法也增大了9倍，但是OBSS的时间代价只增加了4倍，并且与前2种算法相比总时间消耗低很多，通过对之前所描述的3种算法的特性分析可知，Dijkstra和Floyd—Warshall算法在判断循环回路中的最短路径时会消耗大量时间，当矿井结构中一般循环回路较多时其性能会受到较大影响，但由于OBSS算法具有链表结构的优势并充分结合了动态规划的思想，这使其能够在判断循环回路时节省大量时间，因此无论是处理规则还是不规则的拓扑结构，在时间性能上OBSS算法都能有较好的保证。00500算法类别时间/msDjsktraFloyd-WarshallOBSS150010002000250030003500图3.12真实矿井结构下的3种算法的时间性能比较Fig3.12TimeperformancecomparisonofthreealgorithmsunderrealminestructureOBSS算法无论是在仿真测试，还是在实际的矿井拓扑结构中的测试结果，都表明在处理节点均匀分布这一特殊网络结构时均展示出的较好的时间性能。
第六章再编程实验平台75第六章再编程实验平台为了对算法的实际效果进行验证，本文在实际矿山无线传感网络的基础上搭建了实际的测试平台，也对提出算法进行试验验证。下面对试验平台所采用的软硬件系统平台进行介绍。6.1平台软硬件介绍图6.1硬测试平台搭建Fig6.1Constructionofhardtestplatform硬件方面：芯片采用TexasInstruments公司的CC2530F256芯片，它是专门针对IEEE802.15.4和Zigbee协议开发的系统级芯片（SystemonChip,SOC），具有可变的发射功率最高可达4.5dBm，未外接功率放大器(PowerAmplifier，PA)时在空旷场地理论传输距离为300m。此外CC2530具有良好的低功耗特性，在工作状态时理论工作电流为24mA，低功耗模式下电流为1uA。针对我们的应用场景CC2530F256片内控制器完全可以满足需要，其为高性能8051内核芯片带有256KB的Flash和8KB的RAM，并自带丰富的外设，如3路定时器、12位模/数转换（Analog-to-DigitalConverter,ADC）模块、2路通用同步/异步串行接收/发送器(UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter,USART)接口支持各种串行通信协议。整个系统包括3种无线设备，分别为协调器、路由器和终端设备。协调器是进行组网的设备，它不具有网络连接的功能。这意味着它只能创建自己的网络，而不能加入现有的网络。它是网络的中心，并负责管理网络的安全。路由器会执行以下功能，包括允许设备加入网络，多跳路由以及管理终端设备通信。终端设备不负责组网工作，具有相对独立的功能。软件开发平台方面：采用的是IAREmbeddedWorkbench8.2，它是一款集成C/C++编译器和C-Spy调试器的软件开发平台，它支持8051、ARM、AVR和MSP430等多种芯片内核，并提供与TI无线芯片良好的编程接口，非常适合开发嵌入式无线系统软?
【参考文献】：
期刊论文
[1]智慧矿山边缘云协同计算技术架构与基础保障关键技术探讨[J]. 姜德义,魏立科,王翀,范金洋,任奕玮. 煤炭学报. 2020(01)
[2]智慧矿山理论与关键技术探析[J]. 谭章禄,吴琦. 中国煤炭. 2019(10)
[3]智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J]. 王国法,王虹,任怀伟,赵国瑞,庞义辉,杜毅博,张金虎,侯刚. 煤炭学报. 2018(02)
[4]智慧矿山框架与发展前景研究[J]. 李梅,杨帅伟,孙振明,吴浩. 煤炭科学技术. 2017(01)
[5]智慧矿山服务系统的情境感知实现技术研究[J]. 薛霄,常静坤,安吉宇. 计算机研究与发展. 2014(12)
[6]2001～2013年全国煤矿事故统计分析及启示[J]. 邓奇根,王燕,刘明举,魏俊杰. 煤炭技术. 2014(09)
[7]智慧矿山概念及关键技术探讨[J]. 王莉. 工矿自动化. 2014(06)
[8]物联网与感知矿山专题讲座之二——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J]. 张申,丁恩杰,徐钊,华钢. 工矿自动化. 2010(11)
[9]物联网与感知矿山专题讲座之一——物联网基本概念及典型应用[J]. 张申,丁恩杰,徐钊,华钢. 工矿自动化. 2010(10)
[10]数字矿山的功能内涵及系统构成[J]. 王青,吴惠城,牛京考. 中国矿业. 2004(01)
博士论文
[1]基于干扰管理的巷道无线网络优化研究及算法设计[D]. 吴燎原.合肥工业大学 2017
硕士论文
[1]我国煤矿矿难应急处置协调联动机制优化研究[D]. 邓双福.西北大学 2019
本文编号：3612594
【文章来源】：合肥工业大学安徽省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【图文】：
矿井巷道中和地面选矿所用到的各类传感器节点Fig1.3varioussensorsnodeusedinmineroadwayneutralizationandsurfacemineralprocessing
第三章矿井无线传感网络单基站高效再编程策略41图3.11真实矿井结构下的算法应用Fig3.11Applicationofalgorithmunderrealminestructure由图3.12中的数据可知，相较于上述结构最为复杂的图3.9(a)中的结构Dijkstra算法的时间损耗增加了近12倍，Floyd—Warshall算法也增大了9倍，但是OBSS的时间代价只增加了4倍，并且与前2种算法相比总时间消耗低很多，通过对之前所描述的3种算法的特性分析可知，Dijkstra和Floyd—Warshall算法在判断循环回路中的最短路径时会消耗大量时间，当矿井结构中一般循环回路较多时其性能会受到较大影响，但由于OBSS算法具有链表结构的优势并充分结合了动态规划的思想，这使其能够在判断循环回路时节省大量时间，因此无论是处理规则还是不规则的拓扑结构，在时间性能上OBSS算法都能有较好的保证。00500算法类别时间/msDjsktraFloyd-WarshallOBSS150010002000250030003500图3.12真实矿井结构下的3种算法的时间性能比较Fig3.12TimeperformancecomparisonofthreealgorithmsunderrealminestructureOBSS算法无论是在仿真测试，还是在实际的矿井拓扑结构中的测试结果，都表明在处理节点均匀分布这一特殊网络结构时均展示出的较好的时间性能。
第六章再编程实验平台75第六章再编程实验平台为了对算法的实际效果进行验证，本文在实际矿山无线传感网络的基础上搭建了实际的测试平台，也对提出算法进行试验验证。下面对试验平台所采用的软硬件系统平台进行介绍。6.1平台软硬件介绍图6.1硬测试平台搭建Fig6.1Constructionofhardtestplatform硬件方面：芯片采用TexasInstruments公司的CC2530F256芯片，它是专门针对IEEE802.15.4和Zigbee协议开发的系统级芯片（SystemonChip,SOC），具有可变的发射功率最高可达4.5dBm，未外接功率放大器(PowerAmplifier，PA)时在空旷场地理论传输距离为300m。此外CC2530具有良好的低功耗特性，在工作状态时理论工作电流为24mA，低功耗模式下电流为1uA。针对我们的应用场景CC2530F256片内控制器完全可以满足需要，其为高性能8051内核芯片带有256KB的Flash和8KB的RAM，并自带丰富的外设，如3路定时器、12位模/数转换（Analog-to-DigitalConverter,ADC）模块、2路通用同步/异步串行接收/发送器(UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter,USART)接口支持各种串行通信协议。整个系统包括3种无线设备，分别为协调器、路由器和终端设备。协调器是进行组网的设备，它不具有网络连接的功能。这意味着它只能创建自己的网络，而不能加入现有的网络。它是网络的中心，并负责管理网络的安全。路由器会执行以下功能，包括允许设备加入网络，多跳路由以及管理终端设备通信。终端设备不负责组网工作，具有相对独立的功能。软件开发平台方面：采用的是IAREmbeddedWorkbench8.2，它是一款集成C/C++编译器和C-Spy调试器的软件开发平台，它支持8051、ARM、AVR和MSP430等多种芯片内核，并提供与TI无线芯片良好的编程接口，非常适合开发嵌入式无线系统软?
【参考文献】：
期刊论文
[1]智慧矿山边缘云协同计算技术架构与基础保障关键技术探讨[J]. 姜德义,魏立科,王翀,范金洋,任奕玮. 煤炭学报. 2020(01)
[2]智慧矿山理论与关键技术探析[J]. 谭章禄,吴琦. 中国煤炭. 2019(10)
[3]智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J]. 王国法,王虹,任怀伟,赵国瑞,庞义辉,杜毅博,张金虎,侯刚. 煤炭学报. 2018(02)
[4]智慧矿山框架与发展前景研究[J]. 李梅,杨帅伟,孙振明,吴浩. 煤炭科学技术. 2017(01)
[5]智慧矿山服务系统的情境感知实现技术研究[J]. 薛霄,常静坤,安吉宇. 计算机研究与发展. 2014(12)
[6]2001～2013年全国煤矿事故统计分析及启示[J]. 邓奇根,王燕,刘明举,魏俊杰. 煤炭技术. 2014(09)
[7]智慧矿山概念及关键技术探讨[J]. 王莉. 工矿自动化. 2014(06)
[8]物联网与感知矿山专题讲座之二——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J]. 张申,丁恩杰,徐钊,华钢. 工矿自动化. 2010(11)
[9]物联网与感知矿山专题讲座之一——物联网基本概念及典型应用[J]. 张申,丁恩杰,徐钊,华钢. 工矿自动化. 2010(10)
[10]数字矿山的功能内涵及系统构成[J]. 王青,吴惠城,牛京考. 中国矿业. 2004(01)
博士论文
[1]基于干扰管理的巷道无线网络优化研究及算法设计[D]. 吴燎原.合肥工业大学 2017
硕士论文
[1]我国煤矿矿难应急处置协调联动机制优化研究[D]. 邓双福.西北大学 2019
本文编号：3612594
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