《中国矿业大学(北京)》2015年博士论文

发布时间：2016-11-17 00:31

  本文关键词：矿井围岩监测无线传感网技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《中国矿业大学(北京)》 2015年

矿井围岩监测无线传感网技术研究

朱凯  

【摘要】：矿井破碎围岩产生突然坍塌对煤炭安全生产造成严重威胁,利用无线传感网络技术实施矿井围岩的安全监测已得到应用。传统的无线传感网络具有如下不足:节点自修复能力弱、耗能高,且数据在节点之间进行无线通信过程中易出现误码现象,导致系统稳定性差等问题。针对上述无线传感网络的缺点,论文分析了矿井环境无线通信的传播特性,提出围岩监测系统的设计方案,重点研究了矿井围岩监测系统中无线传感网的自修复能力、网络生命周期及数据传输可靠性等关键技术,具体如下:(1)设计了矿井围岩监测无线传感网的系统结构为了设计有效的矿井围岩监测系统,论文分析了围岩复杂环境中多径效应对无线传播特性的影响,并研究了井下无线传感网络结构,在此基础上提出矿井围岩监测系统设计架构,该架构包含三层网络结构:管理层、监控层和设备层。管理层对服务器及客户端实施管理,并对围岩监控数据实施分析处理;监控层基于以太网SOI协议,对设备层之间的通信实施管理,采用动态组网和数据传输技术,构建围岩物理特征监控系统;设备层由网关、协调器以及终端节点构成,网关和协调器之间采用CAN线互连,终端节点采用无线传感器、短距离无线传输和检测技术完成数据采集与传输。论文所设计的无线网络系统结构是研究矿井围岩监测关键技术的基础。(2)研究了矿井围岩监测无线传感网自修复路由算法矿井环境恶劣,传感器控制节点易受损坏,导致前端无线传感采集网瘫痪。因此,在个别节点受损情况下,如何实现前端采集网的自修复能力,提高采集网的稳定性是论文重点研究的关键技术之一。论文重点研究路由算法对采集网自修复能力的影响,对比分析了平面路由算法和分层路由算法的优劣性,研究结果表明:分层路由算法具有节点周期性休眠、使用簇首控制网络等优点,满足矿井围岩监测系统需求。在分层路由算法中,LEACH算法是经典的簇树状拓扑控制算法,存在簇首分布不均匀问题。针对该问题,论文提出改进的RD-LEACH(Regular Distribution–LEACH)算法。RD-LEACH算法优化了簇首节点竞争条件,克服了簇首节点分布不均匀问题,所产生的均匀分布提高了地理位置相近节点感知数据的相关性和子网络的稳定性,导致网络负载均衡,减少拓扑结构变化对前端采集网络的影响,从而提高围岩监测系统无线传感网的自修复能力。论文设计了仿真实验来验证RD-LEACH算法的有效性。实验范围600m×300m,终端节点400个,轮数间隔值0.05。终端节点由程序随机产生,代表围岩中传感器节点随机部署。当节点剩余能量小于0(s(i).e0)时,标志节点死亡,代表实际环境中节点被损坏后的网络结构。论文使用簇重合度和网络负载平衡因子两个指标对rd-leach算法与leach算法实验结果进行分析比较,对比结果表明rd-leach算法比leach算法产生的簇首节点分布更均匀,进而说明基于rd-leach算法的无线网路由自修复能力更强。(3)研究了延长矿井围岩监测无线传感网生命周期的路由算法监测系统的终端采集节点采用电池供电,能量有限,而传统网络功耗较大。因此,论文开展矿井围岩监测无线网的节能研究,旨在降低网络整体能量消耗,延长网络寿命。论文首先对控制节点的硬件开展低功耗研究,论文按照低功耗设计原则,研究了温度、压力和振动等节点的低功耗电路设计和采集方案。论文重点研究了无线传感网控制系统的低功耗路由算法。针对围岩监测无线网在选择簇首节点过程中的能量消耗问题,提出fl-leach(firstlast–leach)节能算法,降低围岩监测无线网在选择簇首节点过程中的能量消耗。fl-leach算法使用集合来记录簇状态更新,以更新后集合中的节点总数确定成簇个数,引入节点成为簇首的地距因子参数d(n),降低监测系统总体能量消耗,克服成簇过程中网络能量消耗过大的缺点,延长矿井围岩监测无线传感网络使用的周期。论文仿真验证了fl-leach算法的有效性,设定节点初始能量为200,选用不同的地距因子、不同的循环轮次得到实验结果。地距因子代表终端采集节点至簇首节点之间的距离,循环轮次代表仿真实验中成簇次数,能量变化值由剩余能量记录,代表一轮循环后节点剩余能量。通过对比不同地距因子在不同循环次数条件下的网络剩余能量,实验结果表明fl-leach比leach至少节能18%,说明改进的fl-leach算法使系统的无线传感网的生命周期得到延长。(4)研究了矿井围岩无线监测系统数据可靠性传输技术矿井恶劣环境存在严重的电磁干扰,会降低数据信息传输的可靠性,增大数据传输误码率。误码率是判断数据传输可靠重要指标之一,因此论文开展矿井围岩无线监测系统数据传输编码算法研究,降低数据误码率。论文改进了一种基于低密度奇偶校验码的数据纠错算法rmn-dec(rockmonitoringnetwork–dataerrorcorrection)。rmn-dec在原有编码算法基础上改变初始条件,并利用本文提出的数据结构模型,采用硬判决译码方法完成数据纠错。论文研究了数据通信机制,完成自定义的soi通信协议的数据帧结构和数据字典,仿真实验选用不同码字,采用高斯白噪声信道、二进制相称键控调制,最大迭代次数和最小错误帧数均设为150。与传统的硬判决算法的实验结果相比,rmn-dec算法在减少迭代次数以及内存开销的同时可以降低误码率,说明基于RMN-DEC算法能够保证监测系统数据的可靠传输。论文在研究过程,提出了如下技术创新:(1)提出了一种基于LEACH的RD-LEACH算法,改进了节点成为簇首的竞争条件,提高了网络自修复能力;(2)提出了一种基于LEACH的FL-LEACH算法,能够降低围岩监测无线网在选择簇首节点过程中的能量消耗;(3)改进了一种基于低密度奇偶校验码的RMN-DEC数据纠错算法,降低终端采集节点与网关之间数据传输时的误码率。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD76;TN929.5;TP212.9
【目录】：

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