一種井下工作面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知節(jié)點(diǎn)及感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)及方法，特別是一種井下工作面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知節(jié)點(diǎn)及感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，
[0003]由于煤礦工作面、掘進(jìn)面、順槽等區(qū)域環(huán)境惡劣，移動生產(chǎn)設(shè)備多，工作條件復(fù)雜，現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)需要敷設(shè)大量通信電纜，而這些電纜隨著生產(chǎn)的推進(jìn)不斷移動，維護(hù)十分不便，且經(jīng)常會被砸斷影響監(jiān)測的連續(xù)性。并且在出現(xiàn)重大災(zāi)害中由于傳輸電纜一旦損壞將導(dǎo)致整個礦井的通信中斷，大大制約救援人員的施救工作展開。要減少人員傷亡，實(shí)現(xiàn)井下無人采煤工作面的目標(biāo)，亟需引入新技術(shù)克服制約煤礦安全和災(zāi)害預(yù)警水平的問題。
[0004]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)和計算技術(shù)，由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到接入點(diǎn)，尤其適合于環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。
[0005]然而由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布式以及采煤工作面處于動態(tài)變化之中，突發(fā)情況時有發(fā)生，因此制約井下工作面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要因素在于電源能耗的控制以及實(shí)時節(jié)點(diǎn)位置確定。其中電源能耗控制主要是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用蓄電池供電技術(shù)，所攜帶電量有限。然后在井下無線節(jié)點(diǎn)傳輸過程中，處于匯聚節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量大，使得每一個節(jié)點(diǎn)的電量消耗差別很大，在由于某一兩個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能量消耗殆盡時，其他節(jié)點(diǎn)的電量還有很多，導(dǎo)致了整個無線網(wǎng)絡(luò)中斷，大大縮短了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命；由于煤礦綜采工作面是根據(jù)采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上往復(fù)割煤以及液壓支架的推溜移架進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作面的推進(jìn)，這就使得無線節(jié)點(diǎn)所要監(jiān)測的工作面實(shí)時處于位置不斷變化之中，傳統(tǒng)的人工標(biāo)定節(jié)點(diǎn)位置的方法已經(jīng)不能夠滿足與工作面的動態(tài)壞境。并且在井下發(fā)生災(zāi)變時，各無線節(jié)點(diǎn)的位置也會發(fā)生較大的變化，使得無線節(jié)點(diǎn)的實(shí)時定位技術(shù)越來越重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是要提供一種井下工作面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知節(jié)點(diǎn)及感知方法，能夠使得各無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)在實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)的同時保證能量均衡消耗，提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命;還能夠在動態(tài)變化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)每個感知節(jié)點(diǎn)是智能自定位，為該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下工作面災(zāi)變環(huán)境下的應(yīng)用提高了環(huán)境適應(yīng)性。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知節(jié)點(diǎn)包括:低功耗微處理器、無線接收模塊、無線發(fā)射模塊、聲光報警模塊、溫度傳感器、紅外傳感器、振動傳感器、聲音傳感器、電源監(jiān)測模塊、蓄電池和防爆、防沖擊外殼;低功耗微處理器的輸入端連接有無線接收模塊、溫度傳感器、紅外傳感器、振動傳感器、聲音傳感器和電源監(jiān)測模塊，電源監(jiān)測模塊與蓄電池連接;低功耗微處理器的輸出端與無線發(fā)射模塊和聲光報警模塊連接;低功耗微處理器、無線接收模塊、無線發(fā)射模塊、聲光報警模塊、溫度傳感器、紅外傳感器、振動傳感器、聲音傳感器、電源監(jiān)測模塊、蓄電池均安裝在防爆、防沖擊外殼內(nèi)。
[0008]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知方法:智能感知節(jié)點(diǎn)采用蓄電池供電，電源監(jiān)測模塊實(shí)時對蓄電池進(jìn)行電量檢測，感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測環(huán)境溫度、聲音以及紅外信號，并測量感知節(jié)點(diǎn)自身的振動信息，進(jìn)行外部環(huán)境信息的實(shí)時感知;感知節(jié)點(diǎn)測量外部節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信號并進(jìn)行A0A/TD0A外部節(jié)點(diǎn)位置解算，同時向外發(fā)送已定位節(jié)點(diǎn)的位置信息以及用于其他節(jié)點(diǎn)定位的無線信號，實(shí)現(xiàn)感知節(jié)點(diǎn)的休眠與喚醒功能、基于能量均衡耗散的自適應(yīng)路由、外部環(huán)境的實(shí)時感知與信息傳輸以及基于A0A/TD0A解算的節(jié)點(diǎn)自定位等功能，實(shí)現(xiàn)智能感知節(jié)點(diǎn)的自定位；
[0009]由以下步驟進(jìn)行實(shí)現(xiàn):
[0010]步驟I)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知節(jié)點(diǎn)通過無線信號發(fā)送模塊實(shí)時發(fā)送呼叫信號，并且在處于休眠狀態(tài)時利用無線接收模塊實(shí)時判斷是否接收到外部傳感器發(fā)送的呼叫信號，只有當(dāng)接收到外部節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號時，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)休眠喚醒，并利用電源檢測模塊檢測自身電量信息，并向外發(fā)送攜帶自身電量信息的無線信號；
[0011]步驟2)智能感知節(jié)點(diǎn)低功耗微處理器利用溫度傳感器實(shí)時測量感知節(jié)點(diǎn)所在環(huán)境的溫度，紅外傳感器測量環(huán)境紅外信號，聲音傳感器測量環(huán)境的音頻參數(shù)，振動傳感器測量節(jié)點(diǎn)自身的振動特性，并對所測量的信號進(jìn)行分析，智能判斷是否有異常情況并進(jìn)行報警，啟動聲光報警模塊并且利用無線發(fā)送模塊向外發(fā)送報警信號，否則感知節(jié)點(diǎn)正常的向外發(fā)射攜帶傳感器測量參數(shù)的無線信號；
[0012]步驟3)實(shí)時判斷該節(jié)點(diǎn)是否接收到其他感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的攜帶報警信息的無線信號，如果接收到則立即啟動自身的聲光報警模塊，并向外轉(zhuǎn)發(fā)攜帶報警信息和初始報警節(jié)點(diǎn)編號的無線信號，實(shí)現(xiàn)報警信號的優(yōu)先緊急傳輸；
[0013]步驟4)感知節(jié)點(diǎn)通過無線接收模塊接收到來自其他感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的攜帶其自身電量信息的無線信號，并通過檢測其他節(jié)點(diǎn)所發(fā)信號的強(qiáng)度進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間距離評估，并結(jié)合自身的節(jié)點(diǎn)電量信息，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸下智能路由判斷，判斷該節(jié)點(diǎn)是否參與其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)，如果符合轉(zhuǎn)發(fā)條件則將該節(jié)點(diǎn)接收到的外部節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的中繼傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)路由算法的建立；
[0014]步驟5)感知節(jié)點(diǎn)通過無線接收模塊測量來自其他感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的攜帶定位請求的無線信號，判斷與發(fā)送該無線信號的感知節(jié)點(diǎn)的距離范圍，并利用自身的無線發(fā)送模塊向外發(fā)射自身的無線定位信號，同時啟動定位需求判斷，只有該節(jié)點(diǎn)自身已經(jīng)位置標(biāo)定，才對接收到的無線信號進(jìn)行A0A/TD0A信號測量，并根據(jù)已知節(jié)點(diǎn)的位置信息對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位解算，實(shí)現(xiàn)對未知節(jié)點(diǎn)的位置標(biāo)定；
[0015]步驟6)根據(jù)步驟5)中對已進(jìn)行位置標(biāo)定的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)通過節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)路由算法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)將位置信息上傳到服務(wù)器;使得服務(wù)器能夠?qū)崟r檢測到各個感知節(jié)點(diǎn)的位置以及對應(yīng)節(jié)點(diǎn)下的環(huán)境感知參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)的智能定位與感知。
[0016]所述的步驟5)中所述的自定位方法是依靠已進(jìn)行位置標(biāo)定的感知節(jié)點(diǎn)對未知位置節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無線定位信號進(jìn)行A0A/TD0A測量，并解算其位置的過程，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0017]步驟5-1)首先利用兩個靠近服務(wù)器的感知節(jié)點(diǎn)作為初始感知節(jié)點(diǎn)，根據(jù)所需感知的礦井環(huán)境分布進(jìn)行局部定位坐標(biāo)系構(gòu)建，并對兩個初始感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系下的手動位置標(biāo)定；
[0018]步驟5-2)兩個初始感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時接收其他未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信號，并進(jìn)行AOA/TDOA下的信號測量，結(jié)合兩個初始節(jié)點(diǎn)的位置參數(shù)解算出未知節(jié)點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)的位置校準(zhǔn)，同時將該節(jié)點(diǎn)的位置信息轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器；
[0019]步驟5-3)步驟5-2)中實(shí)現(xiàn)位置校準(zhǔn)的感知節(jié)點(diǎn)結(jié)合另一個已知位置的感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時接收其他傳感器發(fā)送的定位信號，并進(jìn)行AOA下的信號測量，并結(jié)合鄰近已知位置的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行TDOA下的信號測量；
[0020]步驟5-4)步驟5-3)中的感知節(jié)點(diǎn)測量得到的A0A/TD0A參數(shù)，并結(jié)合測量的兩個節(jié)點(diǎn)位置信息進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)的位置解算，實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的位置校準(zhǔn)，同時已知位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)位置信息和節(jié)點(diǎn)編號信息轉(zhuǎn)發(fā)，通過節(jié)點(diǎn)間路由算法上傳到服務(wù)器中；
[0021 ]步驟5-5)步驟5-4)中已確定位置的感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時接收來自其他感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信號，并結(jié)合鄰近已定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位信號的A0A/TD0A測量，并重復(fù)步驟5-3)-步驟5-5)，最終實(shí)現(xiàn)所有感知節(jié)點(diǎn)下位置校準(zhǔn)，并將其上傳到服務(wù)器。
[0022]所述的A0A/TD0A為:基于到達(dá)角度與到達(dá)時間差的組合測量方法。
[0023]有益效果，由于采用了上述方案，是能夠用于礦下工作面災(zāi)變環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知節(jié)點(diǎn)及感知方法，是一種能夠自組織、自定位、節(jié)點(diǎn)能量消耗均衡以及外界環(huán)境狀態(tài)感知的智能無線節(jié)點(diǎn)；通過在井下任意布置無線傳感器智能感知節(jié)點(diǎn)，利用感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時檢測節(jié)點(diǎn)所在位置的溫度、紅外、聲音以及節(jié)點(diǎn)載體的振動信息并經(jīng)過基于能量均衡消耗的智能路由算法將監(jiān)測信息實(shí)時傳輸至服務(wù)器，同時利用節(jié)點(diǎn)間