一种井下工作面无线传感器网络智能感知节点及感知方法技术

一种井下工作面无线传感器网络智能感知节点及感知方法，属于无线传感器网络感知节点及方法。感知节点包括低功耗微处理器、无线接收模块、无线发射模块、声光报警模块、温度传感器、红外传感器、振动传感器、声音传感器、电源监测模块、蓄电池和防爆、防冲击外壳；该节点实时监测蓄电池电量，通过电量信息判断节点信息自适应转发，实现基于能量均衡耗散下的智能路由算法，同时感知节点实时感知工作面的环境温度、声音以及红外信号，并测量感知节点自身的振动信息。感知节点测量其他节点发送的定位信号并进行AOA/TDOA下节点位置解算，实现智能感知节点的自定位。该节点环境适应性好，不要求每个节点的初始位置设置，能够应用于矿井灾变后的不稳定环境中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线传感器网络感知节点及方法，特别是。
技术介绍
目前，由于煤矿工作面、掘进面、顺槽等区域环境恶劣，移动生产设备多，工作条件复杂，现有的煤矿安全监测监控系统需要敷设大量通信电缆，而这些电缆随着生产的推进不断移动，维护十分不便，且经常会被砸断影响监测的连续性。并且在出现重大灾害中由于传输电缆一旦损坏将导致整个矿井的通信中断，大大制约救援人员的施救工作展开。要减少人员伤亡，实现井下无人采煤工作面的目标，亟需引入新技术克服制约煤矿安全和灾害预警水平的问题。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种新型的网络和计算技术，由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到接入点，尤其适合于环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。然而由于无线传感器网络节点的分布式以及采煤工作面处于动态变化之中，突发情况时有发生，因此制约井下工作面无线传感器网络发展的主要因素在于电源能耗的控制以及实时节点位置确定。其中电源能耗控制主要是由于无线传感器网络节点一般采用蓄电池供电技术，所携带电量有限。然后在井下无线节点传输过程中，处于汇聚节点以及中继节点数据传输量大，使得每一个节点的电量消耗差别很大，在由于某一两个关键节点能量消耗殆尽时，其他节点的电量还有很多，导致了整个无线网络中断，大大缩短了无线传感器网络的使用寿命；由于煤矿综采工作面是根据采煤机在刮板输送机上往复割煤以及液压支架的推溜移架进而实现工作面的推进，这就使得无线节点所要监测的工作面实时处于位置不断变化之中，传统的人工标定节点位置的方法已经不能够满足与工作面的动态坏境。并且在井下发生灾变时，各无线节点的位置也会发生较大的变化，使得无线节点的实时定位技术越来越重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供，能够使得各无线传感器网络感知节点在实时传输数据的同时保证能量均衡消耗，提高传感器网络的使用寿命;还能够在动态变化环境下实现每个感知节点是智能自定位，为该无线传感器网络在井下工作面灾变环境下的应用提高了环境适应性。本专利技术的目的是这样实现的:无线传感器网络智能感知节点包括:低功耗微处理器、无线接收模块、无线发射模块、声光报警模块、温度传感器、红外传感器、振动传感器、声音传感器、电源监测模块、蓄电池和防爆、防冲击外壳;低功耗微处理器的输入端连接有无线接收模块、温度传感器、红外传感器、振动传感器、声音传感器和电源监测模块，电源监测模块与蓄电池连接;低功耗微处理器的输出端与无线发射模块和声光报警模块连接;低功耗微处理器、无线接收模块、无线发射模块、声光报警模块、温度传感器、红外传感器、振动传感器、声音传感器、电源监测模块、蓄电池均安装在防爆、防冲击外壳内。无线传感器网络智能感知方法:智能感知节点采用蓄电池供电，电源监测模块实时对蓄电池进行电量检测，感知节点实时监测环境温度、声音以及红外信号，并测量感知节点自身的振动信息，进行外部环境信息的实时感知;感知节点测量外部节点发送的定位信号并进行A0A/TD0A外部节点位置解算，同时向外发送已定位节点的位置信息以及用于其他节点定位的无线信号，实现感知节点的休眠与唤醒功能、基于能量均衡耗散的自适应路由、外部环境的实时感知与信息传输以及基于A0A/TD0A解算的节点自定位等功能，实现智能感知节点的自定位；由以下步骤进行实现:步骤I)无线传感器网络智能感知节点通过无线信号发送模块实时发送呼叫信号，并且在处于休眠状态时利用无线接收模块实时判断是否接收到外部传感器发送的呼叫信号，只有当接收到外部节点发送的信号时，进行节点休眠唤醒，并利用电源检测模块检测自身电量信息，并向外发送携带自身电量信息的无线信号；步骤2)智能感知节点低功耗微处理器利用温度传感器实时测量感知节点所在环境的温度，红外传感器测量环境红外信号，声音传感器测量环境的音频参数，振动传感器测量节点自身的振动特性，并对所测量的信号进行分析，智能判断是否有异常情况并进行报警，启动声光报警模块并且利用无线发送模块向外发送报警信号，否则感知节点正常的向外发射携带传感器测量参数的无线信号；步骤3)实时判断该节点是否接收到其他感知节点发送的携带报警信息的无线信号，如果接收到则立即启动自身的声光报警模块，并向外转发携带报警信息和初始报警节点编号的无线信号，实现报警信号的优先紧急传输；步骤4)感知节点通过无线接收模块接收到来自其他感知节点发送的携带其自身电量信息的无线信号，并通过检测其他节点所发信号的强度进行节点间距离评估，并结合自身的节点电量信息，进行节点之间的数据传输下智能路由判断，判断该节点是否参与其他节点的数据信息转发，如果符合转发条件则将该节点接收到的外部节点信息进行转发，实现无线传感器网络信息的中继传输，进而实现数据路由算法的建立；步骤5)感知节点通过无线接收模块测量来自其他感知节点发送的携带定位请求的无线信号，判断与发送该无线信号的感知节点的距离范围，并利用自身的无线发送模块向外发射自身的无线定位信号，同时启动定位需求判断，只有该节点自身已经位置标定，才对接收到的无线信号进行A0A/TD0A信号测量，并根据已知节点的位置信息对未知节点进行定位解算，实现对未知节点的位置标定；步骤6)根据步骤5)中对已进行位置标定的节点坐标参数通过节点间的数据路由算法进行数据转发，最终实现将位置信息上传到服务器;使得服务器能够实时检测到各个感知节点的位置以及对应节点下的环境感知参数，实现无线传感器网络感知节点的智能定位与感知。所述的步骤5)中所述的自定位方法是依靠已进行位置标定的感知节点对未知位置节点发送的无线定位信号进行A0A/TD0A测量，并解算其位置的过程，实现步骤如下:步骤5-1)首先利用两个靠近服务器的感知节点作为初始感知节点，根据所需感知的矿井环境分布进行局部定位坐标系构建，并对两个初始感知节点进行坐标系下的手动位置标定；步骤5-2)两个初始感知节点实时接收其他未知节点发送的定位信号，并进行AOA/TDOA下的信号测量，结合两个初始节点的位置参数解算出未知节点的位置信息，实现该节点的位置校准，同时将该节点的位置信息转发给服务器；步骤5-3)步骤5-2)中实现位置校准的感知节点结合另一个已知位置的感知节点实时接收其他传感器发送的定位信号，并进行AOA下的信号测量，并结合邻近已知位置的节点进行TDOA下的信号测量；步骤5-4)步骤5-3)中的感知节点测量得到的A0A/TD0A参数，并结合测量的两个节点位置信息进行未知节点的位置解算，实现未知节点的位置校准，同时已知位置节点进行节点位置信息和节点编号信息转发，通过节点间路由算法上传到服务器中；步骤5-5)步骤5-4)中已确定位置的感知节点实时接收来自其他感知节点发送的定位信号，并结合邻近已定位节点进行定位信号的A0A/TD0A测量，并重复步骤5-3)-步骤5-5)，最终实现所有感知节点下位置校准，并将其上传到服务器。所述的A0A/TD0A为:基于到达角度与到达时间差的组合测量方法。有益效果，由于采用了上述方案，是能够用于矿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井下工作面无线传感器网络智能感知节点，其特征是：无线传感器网络智能感知节点包括：低功耗微处理器、无线接收模块、无线发射模块、声光报警模块、温度传感器、红外传感器、振动传感器、声音传感器、电源监测模块、蓄电池和防爆、防冲击外壳；低功耗微处理器的输入端连接有无线接收模块、温度传感器、红外传感器、振动传感器、声音传感器和电源监测模块，电源监测模块与蓄电池连接；低功耗微处理器的输出端与无线发射模块和声光报警模块连接；低功耗微处理器、无线接收模块、无线发射模块、声光报警模块、温度传感器、红外传感器、振动传感器、声音传感器、电源监测模块、蓄电池均安装在防爆、防冲击外壳内。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李威，杨海，许少毅，张金尧，司卓印，刘玉飞，魏华贤，鞠锦勇，路恩，董事，盛连超，杨康，王茗，须晓锋，徐晗，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32