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《中国矿业大学》 2011年
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矿井无线传感器网络节点部署关键技术的研究

王珂  
【摘要】:无线传感器网络技术作为煤矿安全生产和煤矿信息化的一种重要手段,引起了广泛关注。传感器节点部署作为无线传感网络工作的基础,影响着整个网络工作和信息采集的质量。煤矿井下巷道环境特殊,需要借助其它方法的辅助进行传感器网络的部署。当前,将煤矿地理信息系统与无线传感器网络结合进行研究还处在初始阶段。本文在分析了巷道基础数据的基础上,结合矿井巷道狭长、自然环境复杂,以及传感器节点能量有限等因素,应用MGIS等相关技术及理论,对井下无线传感器网络节点部署的关键技术进行了研究。 通过对巷道基础数据的特征分析,以导线点为对象,讨论了巷道数据及拓扑结构的特点、分类及编码规范,提出了一种基于坐标公式法的巷道中线点的自动求解算法,该算法在精度及效率上较同类算法有着显著提高。以中线点代替导线点,能较为精确地描述巷道网络的拓扑关系。此基础上,设计了面向WSN部署的矿山巷道空间数据模型及数据结构。针对巷道间的基本拓扑关系,以图论为理论基础,提出了一种巷道网络拓扑图的自动生成算法。算法通过巷道中线点得到一系列具有相同属性的巷道中线弧,经过优化处理,构成以巷道中线弧所组成的巷道网络拓扑图。该图将矿井抽象为网络,各巷道抽象为弧段,描述了矿井中巷道间的拓扑关系,为下一步矿井传感器网络结点的部署奠定了基础。 在巷道网络拓扑图的基础上,提出了基于最大通信距离的矿井无线传感器网络连通节点集生成及优化算法。算法以井下信号屏蔽和衰减为约束条件,建立连通节点集,该节点集可构建井下无线传感器骨干网络,骨干网络中的每个节点作为汇聚节点,将接收到的信息传递到地面进行分析和处理,即便是在环境比较恶劣的条件下,也能够保证信息的可靠传输。 以矿井安全监测数据为基础,结合煤矿安全监测的特点,提出矿井无线传感器网络感知节点集生成算法。算法以各监测参数为特征权重,通过M-DBSCAN对各监测区域进行聚类分析、划分不同等级,进行不同覆盖度的感知节点部署,并分别设定节点的休眠时间。该部署策略可以保证将矿井所需监测的位置完全覆盖,同时也可在一定程度上降低网络节点能耗。 在连通骨干节点集与感知节点集的基础上,以矿井链状拓扑网络为依据,提出了矿井无线传感器网络节点部署图的生成算法。最后,以陕西南梁煤矿为实例,进行了矿井WSN节点部署图自动生成的研究,验证了算法的正确性和有效性。 全文的工作围绕矿井无线传感器网络节点图的生成展开,在由导线点原始数据得到部署图的过程中提出了多种算法,并验证了算法的有效性。 该论文有图82幅,表32个,参考文献136篇。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TD655.3

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