基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统的制作方法

本发明涉及煤矿井下安全监测领域，具体涉及基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统。

背景技术：

开采煤矿的过程中煤矿容易自燃，自燃煤层的煤矿的采煤工作面应设置温度传感器。相关技术中的煤矿安全监测系统只能监测井下巷道环境中的温度，不适于煤自燃发火预报，会贻误火灾防治时机。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统，包括煤矿井下火灾监控中心、通讯模块和基于无线传感器网络的煤矿安全监测模块；所述煤矿井下火灾监控中心位于地面且安装系统监测软件和后台数据库，所述煤矿井下火灾监控中心用于接收煤矿安全监测数据和发出监测指令；所述的基于无线传感器网络的煤矿安全监测模块位于煤矿传感区域内，通过所述的通讯模块与所述煤矿井下火灾监控中心通讯，煤矿安全监测模块用于采集和无线传输煤矿安全监测数据；所述的通讯模块用于接收和传输所述煤矿安全监测数据和所述监测指令。

本发明的有益效果为：具备高度的信息化和智能化，能够及时准确地监测煤矿井下火情，并进行报警，操作简便。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明的结构框图；

图2是本发明煤矿井下火灾监控中心的连接框图。

附图标记：

煤矿井下火灾监控中心1、通讯模块2、煤矿安全监测模块3、煤矿安全监测数据接收模块10、煤矿安全监测数据存储模块20、煤矿安全监测数据处理模块30、报警模块40、监测指令发送模块50。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1、图2，本实施例提供的基于无线传感器网络的煤矿井下火灾监测系统，包括煤矿井下火灾监控中心1、通讯模块2和基于无线传感器网络的煤矿安全监测模块3；所述煤矿井下火灾监控中心1位于地面且安装系统监测软件和后台数据库，所述煤矿井下火灾监控中心1用于接收煤矿安全监测数据和发出监测指令；所述的基于无线传感器网络的煤矿安全监测模块3位于煤矿传感区域内，通过所述的通讯模块2与所述煤矿井下火灾监控中心1通讯，煤矿安全监测模块3用于采集和无线传输煤矿安全监测数据；所述的通讯模块2用于接收和传输所述煤矿安全监测数据和所述监测指令。

优选地，所述的通讯模块2通过工业以太网络与所述煤矿井下火灾监控中心1通讯。

优选地，所述煤矿井下火灾监控中心1包括煤矿安全监测数据接收模块10、煤矿安全监测数据存储模块20、煤矿安全监测数据处理模块30、报警模块40、监测指令发送模块50，其中煤矿安全监测数据接收模块10、煤矿安全监测数据存储模块20、煤矿安全监测数据处理模块30、报警模块40依次连接，煤矿安全监测数据接收模块10、监测指令发送模块50和通讯模块2连接。

本发明上述实施例具备高度的信息化和智能化，能够及时准确地监测煤矿井下火情，并进行报警，操作简便。

优选地，所述煤矿安全监测模块3中的无线传感器网络由多个煤矿安全监测节点和一个移动基站组成，所述的通讯模块2与移动基站通信连接，从而获取移动基站收集的煤矿安全监测数据。

进一步地，所述移动基站的状态信息的更新和无线传感器网络路由的建立与维护局限于骨干网络，即煤矿安全监测节点到移动基站的路由仅依据骨干网络中的煤矿安全监测节点进行，对于骨干网络外的其余煤矿安全监测节点，它们监测到的煤矿安全监测数据发送到距离最近的骨干网络中的煤矿安全监测节点，进而传送至移动基站。

优选地，所述的煤矿安全监测模块3在采集煤矿安全监测数据前构建所述的骨干网络，具体为：从煤矿安全监测节点中选出合适的煤矿安全监测节点作为骨干网络的构成节点，对于构成节点的三跳内的其他构成节点，将作为该构成节点的候选连接构成节点，并对应选择与候选连接构成节点进行连接所需的连接节点，从而得到该构成节点的多条候选连接路径；每个构成节点将获取的多条候选连接路径信息发送至移动基站，其中候选连接路径信息包括待构成节点及对应的连接节点，移动基站为每个构成节点选取最优候选连接路径与对应的构成节点进行连接，最终形成具有最少煤矿安全监测节点数目的骨干网络，具体为：

(1)令各构成节点为学习自动机，令各构成节点对应的各个候选连接路径为动作，则构成节点β的动作集表示为其中为构成节点β的候选连接路径集合，nβ表示构成节点β具有的候选连接路径数量；

(2)对学习次数、第一次选择候选连接路径时的动作概率向量，以及选择候选连接路径时能够从环境获得奖励的估计期望值进行初始化；

(3)在第j次学习中，学习自动机根据动作概率向量e(j)，选择一条候选连接路径

(4)执行候选连接路径后，学习自动机从环境获得反馈p(j)，并根据下列公式对估计期望值的取值进行更新：

其中

式中，表示构成节点β选择候选连接路径时所对应的估计期望值的更新值，表示进行j次学习后构成节点β选择候选连接路径时从环境获得奖励的次数，表示进行j次学习后候选连接路径被选择的次数；wj为由当前选择的所有候选连接路径连接形成的骨干网络中煤矿安全监测节点的数量，wm表示到目前为止连接形成的骨干网络中的最小煤矿安全监测节点数目；其中，p(j)＝1时，表示学习自动机从环境获得奖励，p(j)＝0时，表示学习自动机从环境中没有获得奖励；

(5)对下一次学习过程中的动作概率向量e(j+1)的取值按照下列公式进行更新：

式中，为取值函数，当相对于之前的估计期望值取值最大时，否则

(6)若满足设定的终止条件，将构成节点当前选取的候选连接路径作为选取的最优候选连接路径，否则，学习次数j自增1，转到步骤3)，所述设定的终止条件为：各学习自动机的学习次数大于设定的次数阈值或者在最近的三次学习中，连接形成的骨干网络中包含的煤矿安全监测节点数目没有变化。

本优选实施例的煤矿安全监测模块3采用上述方式构建骨干网络，使得骨干网络能够满足移动基站的状态信息的更新以及无线传感器网络路由重建的需求，且优化了自身包含的煤矿安全监测节点数目，能够降低无线传感器网络采集和传送煤矿安全监测数据的能耗，在整体上降低环境煤矿安全监测模块3进行煤矿安全监测数据采集的通信开销，进一步降低煤矿井下火灾监测系统的运行成本。

优选地，构建骨干网络的过程中，对应选择与候选连接构成节点进行连接所需的连接节点，具体为：

(1)获取构成节点与候选连接构成节点所有连接路径，表示为：

其中，表示构成节点dn与其候选连接构成节点之间的第ε条连接路径；

(2)按照下列公式计算构成节点与候选连接构成节点连接的所有路径的优选值，选取优选值为最大的路径作为该构成节点与候选连接构成节点连接的最优路径：

式中，表示构成节点dn与其候选连接构成节点之间的第ε条连接路径的优选值，为中所包含的连接节点数目，表示中的第b个连接节点具有的邻居节点数目，y为设定的权重系数，且满足0.6≤y≤0.8；

(3)选取的最优路径中的连接节点即为所述的所需的连接节点。

本优选实施例按照上述设定的选取规则进行构成节点与其三跳内的其他构成节点之间的连接节点选取，有利于在构建骨干网络的过程中实现连接节点的重复利用，从而最小化骨干网络的规模，降低无线传感器网络的能耗，优化煤矿安全监测模块3在煤矿安全监测数据采集和传输方面的通信开销，从而整体上在保证煤矿安全监测数据采集的可靠性的前提下减少煤矿井下火灾监测系统的运行成本。

优选地，所述的从煤矿安全监测节点中选出合适的煤矿安全监测节点作为骨干网络的构成节点和连接节点，具体包括：

(1)每个煤矿安全监测节点向其邻居节点交换序列值信息，其中煤矿安全监测节点的序列值通过下列公式确定：

式中，x(di)表示第i个煤矿安全监测节点di的序列值，表示煤矿安全监测节点di的邻居节点数目，i表示预先设定的煤矿安全监测节点的节点号，表示第i个煤矿安全监测节点di的剩余能量值，qt为设定的剩余能量值阈值；

(2)如果煤矿安全监测节点满足下述构成节点竞选条件，则竞选为骨干网络的构成节点，并向邻居节点广播竞选成功消息，接收到竞选成功消息的煤矿安全监测节点成为拓展节点，如果煤矿安全监测节点不满足构成节点竞选条件，则成为普通节点：

或者

当时，diμ为拓展节点；

式中，x(dij)为煤矿安全监测节点di的一跳邻居节点中第j个邻居节点的序列值，为煤矿安全监测节点di的一跳邻居节点的数量，表示煤矿安全监测节点di的一跳邻居节点集合；

(3)拓展节点向其邻居节点广播构成节点竞选消息，接收到构成节点竞选消息的煤矿安全监测节点按照构成节点竞选条件参与骨干网络的构成节点竞选。

本优选实施例优化了骨干网络中构成节点的选取方式，能够较快速地为骨干网络选出较优的构成节点，从而保障骨干网络的快速构建；选取构成节点时，考虑了煤矿安全监测节点的邻居数量和剩余能量值因素，使得选出的构成节点能够满足构建骨干网络以及对邻近煤矿安全监测节点发送的监测数据进行接收的需求，保障煤矿井下火灾监测系统对煤矿安全监测数据采集的可靠性和效率。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。