基于刚性图理论与鸡群优化的矿井无线传感网络监测定位研究

发布时间：2020-03-22 23:16

【摘要】：在高温湿、人员设备密集、线路供电长的矿井中,现有矿井网络中普遍采用的有线树形结构的分布式监测系统,存在诸多缺陷,例如无法进一步扩充系统容量和系统传输效率;在某支出现故障时,该分支以下所有监测设备均失去通信能力;网络结构固定,无法适应矿井工作面动态变化等,不能满足现代矿井安全生产管理的要求。矿井无线传感器网络(WSN)灵活多变的自组网方式可以满足矿井监测环境下的各种要求,对矿井环境、生产设备的运行状态、生产人员位置及生命体征进行实时监测预警,为此矿井环境中将布设大量感知监测节点,对节点的定位是矿井无线传感器网络的关键技术之一。本文以矿井为研究对象,把无线传感器网络(WSN)应用于矿山监测,结合矿井环境监测要求与无线传感器网络自身特点,给出了一种分布式节点定位算法,来提高井下巷道环境中监测节点定位精度及定位鲁棒性,主要研究包括以下三个方面:(1)选用分布式定位算法对节点进行精确定位。矿井环境复杂,与地面环境相比有较大的差异,具有巷道长窄,巷道分支多,节点布设密度需求较低,节点信号衰减快速,通信半径短等特点,均会导致矿井环境中无线传感器节点连通性降低,对井下节点定位精度有较大的不利影响。针对矿井环境特点,必须采用分布式定位算法。同时为保证定位精度,要求巷道节点布设过程中,锚节点需均匀布设;(2)提出一种基于刚性图理论的节点分簇算法。利用刚性图理论,将井下节点定位的唯一性问题转化为节点及其连通性所组成框架的全局刚性问题。虽然矿井下节点布设时,整体必然会满足全局刚性,但在分簇后,由于簇间节点无法直接连通,将会摧毁部分连通性,所以簇内节点框架是否为全局刚性仍未可知,若同簇节点的相对位置不唯一,则簇内相对定位无法保证唯一,并将影响整个网络的定位精确性,定位算法失败。本文利用所布设锚节点及其数个相互连通的邻居节点组成初始刚性簇并向周围扩展,其余节点通过判断其与刚性簇内节点的连通性,依次加入刚性簇内,使多个刚性簇同步扩展至整个网络;(3)提出一种基于鸡群优化理论的节点定位算法。将同一簇内的节点,根据簇内节点间的接收信号强度算出其间的距离,利用鸡群优化算法,以位置集为解集,各位置集所对应的节点距离与实际所测距离的相对误差之和为适应度函数,进行相对定位。簇内节点相对定位后,其实际位置可以簇内所属锚节点为中心,旋转一定角度得出。不同簇节点的实际位置利用鸡群优化算法,以不同簇旋转角度为解集,各角度集所对应位置时节点距离与实际所测距离的相对误差之和为适应度函数,进行绝对定位。通过仿真验证,该定位算法在矿井模拟环境中,在不同巷道环境,节点密度,通信半径,锚节点比例情况下,精度均有较好表现,且具有较好的鲁棒性。
【图文】：

无线传感器网络,感器

确定传感器节点确切的坐标后，能实现其应有的价值；另外矿井准确位置进行参考。所以，研究和挥作用的必要前提。感器网络概述感器网络架构器网络通过在监测区域内布设的大点（大部分为固定式、小部分可以测区域内指定的对象进行监测，点多跳（Multi-hop，多节点接力ternet 或卫星链路最终传递至用户

硬件系统,传感器,节点

主要由传感器和 AC/DC 转换器组成，其中传感器负，并通过 AC/DC 转换器将数据由模拟量转化为数字监测对象类型和数据采集频率有关，由于无线传感器于实际需求，具有一定冗余，故适当降低数据采集频影响数据的有效性。块主要由微型处理器和存储器组成，负责对传感模块进行处理，同时也负责执行通信协议并转发来自其他采用低功耗的微型嵌入式中央处理器（Central Pro模块负责传感器节点与其他节点或 Sink 节点的数据射距离的多次方（一般为 2-4 次方）及数据包的大小多跳的通信形式节约能耗。通信模块有四种状态：发
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5;TD65

【参考文献】