本发明涉及煤矿井下安全探测应用领域，具体涉及矿井环境无线探测系统。
背景技术：
煤矿是安全事故的高发单位，很大的原因是矿井环境安全检测手段落后，尤其是对瓦斯等危险气体的监控，不能做到防患于未然。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供矿井环境无线探测系统。
本发明的目的采集以下技术方案来实现：
提供了矿井环境无线探测系统，包括：
用于对矿井环境进行监测的无线传感器网络；
用于接收来自无线传感器网络所传输数据的网络服务器；
用于存储矿井环境监控终端监控时所需数据的存储器；
用于根据网络服务器及存储器的数据实时监控、并通过无线传感器网络发送各种指令到传感器节点的矿井环境监控终端；
所述无线传感器网络通过光纤调制解调器接入井上的网络交换机，由网络交换机分别接入网络服务器、存储器和矿井环境监控终端。
优选地，所述的无线传感器网络包括传感器节点、数据处理节点、通信节点和汇聚节点，其中汇聚节点通过光纤调制解调器接入井上的网络交换机；传感器节点用于对矿井环境监测数据进行采集，并将采集的矿井环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对矿井环境监测数据进行压缩处理后将压缩后的矿井环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的矿井环境监测数据，并将收集的矿井环境监测数据沿最优路由路径发送至汇聚节点。
优选地，所述的传感器节点内置有环境传感器。
优选地，所述环境传感器包括传感器探头，环境传感器为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器中的一种或任几种，所述环境传感器节点检测到数据超过阈值时加快上报频率。
优选地，矿井环境监控终端包括通信模块、数据处理模块、数据显示模块、指令发送模块，其中数据显示模块、指令发送模块皆与数据处理模块的输出端通信连接，数据处理模块的输入端与通信模块通信连接，通信模块通信连接网络服务器。
本发明的有益效果为：通过无线传感器网络技术实现了矿井环境的无线探测，能够实时将矿井环境监测数据上传至矿井环境监控终端，便于相关人员进行远程监控和防护，做到防患于未然。
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是本发明一个实施例的矿井环境无线探测系统的结构框图；
图2是本发明一个实施例的输电线路监控终端的连接框图。
附图标记：
无线传感器网络1、网络服务器2、存储器3、矿井环境监控终端4、光纤调制解调器5、网络交换机6、通信模块10、数据处理模块20、数据显示模块30、指令发送模块40。
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，本实施例提供的矿井环境无线探测系统，包括：
用于对矿井环境进行监测的无线传感器网络1；
用于接收来自无线传感器网络1所传输数据的网络服务器2；
用于存储矿井环境监控终端4监控时所需数据的存储器3；
用于根据网络服务器2及存储器的数据实时监控、并通过无线传感器网络1发送各种指令到传感器节点的矿井环境监控终端4；
所述无线传感器网络1通过光纤调制解调器5接入井上的网络交换机6，由网络交换机6分别接入网络服务器2、存储器3和矿井环境监控终端4。
作为一个可选的方式，所述的存储器3可为云存储器。
在一个实施例中，所述的无线传感器网络1包括传感器节点、数据处理节点、通信节点和汇聚节点，其中汇聚节点通过光纤调制解调器5接入井上的网络交换机6；传感器节点用于对矿井环境监测数据进行采集，并将采集的矿井环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对矿井环境监测数据进行压缩处理后将压缩后的矿井环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的矿井环境监测数据，并将收集的矿井环境监测数据沿最优路由路径发送至汇聚节点。
利用无线传感器网络采集矿井环境监测数据，避免了大量布线，具有监测实时快速的优点。
其中，所述的传感器节点内置有环境传感器。
其中，所述环境传感器包括传感器探头，环境传感器为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器中的一种或任几种，所述环境传感器节点检测到数据超过阈值时加快上报频率。
在一个实施例中，如图2所示，矿井环境监控终端4包括通信模块10、数据处理模块20、数据显示模块30、指令发送模块40，其中数据显示模块30、指令发送模块40皆与数据处理模块20的输出端通信连接，数据处理模块20的输入端与通信模块10通信连接，通信模块10通信连接网络服务器2。
作为一个可选的方式，矿井环境监控终端4的功能可基于计算机实现。
本发明通过无线传感器网络技术实现了矿井环境的无线探测，能够实时将矿井环境监测数据上传至矿井环境监控终端4，便于相关人员进行远程监控和防护，做到防患于未然。
在一个实施例中，多个传感器节点、数据处理节点、通信节点皆随机部署于设定的矿井监测区域内。具体地，传感器节点、数据处理节点和/或通信节点随机部署在矿井的壁面上。
在一个实施例中，传感器节点将采集的矿井环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点，具体包括：
(1)初始时，传感器节点与其通信范围内的各个数据处理节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各数据处理节点的信息，根据获取的信息计算其通信范围内各数据处理节点的优选值；
其中，设Φij表示位于传感器节点i通信范围内数据处理节点j的优选值，Φij的计算公式为：
式中，Rij为该数据处理节点j到传感器节点i的跳数，Wij0为该数据处理节点j的初始能量，Eij为设定量的矿井环境监测数据从传感器节点i发送到该数据处理节点j的能量开销，c1、c2为人为设定的权重系数；
(2)按照优选值由大到小的顺序对各数据处理节点进行排序，生成邻居数据处理节点列表；
(3)确定邻居数据处理节点列表中排序最前的数据处理节点是否满足能量要求，若满足，则将该数据处理节点作为目的节点，若不满足，则按照排序选择下一个数据处理节点，直至选出一个满足能量要求的数据处理节点作为目的节点，其中满足能量要求为当前剩余能量大于预设的最小能量值；
(4)将采集的矿井环境监测数据持续发送至目的节点，直至目的节点不满足能量要求，返回(3)。
相关技术中，传感器节点通常是将当前剩余能量最大的数据处理节点作为矿井环境监测数据发送的目的节点，然而这种方式容易导致当前剩余能量最大的数据处理节点极度消耗而快速失效，影响无线传感器网络的稳定性。本实施例从能量开销和跳数两个角度出发制定了优选值的计算公式，由该计算公式可知，跳数小且能量开销小的数据处理节点具有更大的优选值。
本实施例中，传感器节点根据优选值生成邻居数据处理节点列表，因此，数据处理节点在邻居数据处理节点列表中的排序反映了传感器节点将矿井环境监测数据发送至该数据处理节点的能量开销的大小。
本实施例中传感器节点按照能量要求优先选择排序较前的数据处理节点作为目的节点，一方面能够尽可能减少矿井环境监测数据传输的能量开销，另一方面能够避免数据处理节点因极度消耗而快速失效，提高无线传感器网络的稳定性。
在一个实施例中，数据处理节点将压缩后的矿井环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，具体包括：
(1)初始化时，数据处理节点与其通信范围内的各个通信节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各通信节点的信息，根据获得的信息计算各通信节点的权值；
其中，设Dab表示通信节点的权值，Dab的计算公式为：
式中，L(a,b)为数据处理节点a与其通信范围内的通信节点b之间的距离，Va为数据处理节点a的通信距离，Eab为设定量的矿井环境监测数据从数据处理节点a到通信节点b的能量开销，Wab0为该通信节点b的当前剩余能量，q1、q2为预设的权重系数；
(2)根据权值由大到小的顺序对各通信节点进行排序，生成邻居通信节点列表；
(3)在将矿井环境监测数据进行压缩后，确定邻居通信节点列表中排序最前的通信节点是否满足能量要求，若满足，则将该通信节点作为目的节点，若不满足，则按照排序选择下一个通信节点，直至选出一个满足能量要求的通信节点作为目的节点，其中满足能量要求为当前剩余能量大于预设的最小能量值；
(4)将压缩后的矿井环境监测数据持续发送至目的节点，直至目的节点不满足能量要求，返回(3)。
现有技术中一般选择剩余能量最大的通信节点来转发数据，这种方式使得剩余能量最大的通信节点承担过多的数据转发任务，容易导致该通信节点失效。相对于现有技术，本实施例设定了数据处理节点到通信节点的路由协议，其中从节点间距和能量开销两个角度出发设定了权值的计算公式，由该计算公式，距离数据处理节点距离越小、能量开销越小的通信节点具有更大的权值。
本实施例按照能量要求优先选择排序较前的通信节点作为目的节点，一方面能够避免因持续选择当前剩余能量最大的通信节点来承担矿井环境监测数据转发任务而导致该通信节点快速消耗能量，另一方面能够确保矿井环境监测数据转发的能量开销较小化，整体上节省了矿井环境监测数据传输的通信成本，保障了矿井环境监测数据传输的可靠性。
在一个实施例中，通信节点将收集的矿井环境监测数据沿最优路由路径发送至汇聚节点，其中，由汇聚节点确定通信节点的最优路由路径，具体为：
(1)汇聚节点接收通信节点F发送的路由路径探测请求，获取通信节点F到汇聚节点的多条路由路径及相关信息，其中相关信息包括路由路径经过的通信节点信息和链路状态信息；
(2)根据获得的多条路由路径及相关信息，用改进的粒子群算法对路由路径进行优化，最终得到最优路由路径；
(3)根据得到的最优路由路径生成反馈信息，并将反馈信息沿该最优路由路径发送给通信节点F，并更新通信节点F的路由表，其中反馈信息包括最优路由路径的信息，从而通信节点F根据反馈信息中的最优路由路径发送矿井环境监测数据。
现有技术中的粒子群算法具有易于描述、便于实现、参数少、群体规模小、收敛需要评估函数的次数少、收敛速度快等优点。然而，现有技术中的粒子群算法不能直接用来确定最优路由路径，一是因为本实施例中的每个粒子具有不同的维数，不适用粒子群算法中粒子维数相同的条件，二是因为现有的粒子群算法对粒子速度和位置的更新是根据运动方程中的加减法运算实现的，本实施例中由通信节点集组成的路由路径无法实现加减法的运算。
本实施例中，所述的改进的粒子群算法包括：
(1)将一条路由路径看成一个维数为n的粒子，其中n为该路由路径经过的通信节点总个数，用获取到的多条路由路径作为初始粒子群；
(2)计算每个粒子的适应度，根据粒子适应度更新个体极值和全局极值；
(3)设置全局极值对应的路由路径为全局最优路径，找到当前路由路径与全局最优路径相交的通信节点，用集合H表示，若H为空，则进行κ次节点替换操作，每次的节点替换操作具体为：在当前路由路径中随机选取两个互为邻居的通信节点，设为G1、G2，在G1、G2的共同邻居中找到一个属于全局最优路径的通信节点，设为G，若G与G1距离最近，则将G替换G1，若G与G2距离最近，则将G替换G2，若没有找到属于全局最优路径的通信节点，则不进行替换操作；
(4)当H不为空时，进行路径段替换操作，具体为：H中的通信节点将当前路由路径与全局最优路径分成了若干个路径段，将当前路由路径与全局最优路径进行对比，当当前路由路径中存在一个路径段与全局最优路径对应的路径段不同时，用全局最优路径中的路径段代替当前路由路径的对应的路径段；
(5)更新个体极值和全局极值，直至迭代更新次数大于设定的更新次数阈值。
基于现有技术中的粒子群算法存在的问题，本实施例在现有的粒子群算法的基础上，改进了加减法的运算规则，相应地定义了节点替换操作和路径段替换操作规则，从而得到改进的粒子群算法，本实施例利用改进的粒子群算法，能够较好地解决本实施例寻找最优路由路径的问题。
本实施例中，适应度函数为：
式中，Y)表示初始粒子群中第2条路由路径，P(Ys)表示路由路径Y)的适应度，W(Y))为路由路径Y)中能量最小的通信节点的当前剩余能量，U(Y))为路由路径Y)的带宽，由路径Y)中的最小带宽决定，E(Y))表示路由路径Y)的链路开销，Wmin为为满足网络服务质量要求所设的节点最小能量值，Emax为为满足网络服务质量要求所设的路径最大链路开销值，Umin为为满足网络服务质量要求所设的最小带宽值，z1、z2、z3为预设的权重系数，分别表示能量、链路开销、带宽影响的权重。
本实施例基于能量、链路开销和带宽三个因素制定了适应度函数的计算公式，使得确定的最优路由路径能够最优化地保障网络服务质量的要求，提高路由的稳定性，保障矿井环境无线探测系统稳定运行。
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。