一种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技术领域，具体涉及一种煤矿井下火灾监测系统。

背景技术：

目前，我国煤矿自燃火灾监测和预报主要使用束管监测系统，通过束管取样分析井下巷道、采空区中的生成气体浓度预报自燃发火。束管技术的优点是井下无电气设备，但只限于分析火灾气体，对自燃发火温度、发火区域漏风状态等无法监测。同时，束管设备也存在气体输送距离远，取样时间延迟，分析数据实时性差，以及束管内的冷凝水积存，堵塞管路不易处理，出现分析数据不够准确等技术缺陷。因此，许多煤矿的束管监测系统形同虚设，不能在安全生产中发挥作用。

煤温变化是最直接的火灾预报参数。按我国国家安全标准aq1029中规定，开采容易自燃，自燃煤层的煤矿的采煤工作应设置温度传感器。现有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。国内有些自燃发火煤矿在采空区内放置温度监测探头，但基本上采用人工巡检方法观测。在胶带机火灾监测方面，基本上采用在胶带机放置烟雾传感器监测火灾，传感器只能监测烟雾有无状态，不能实现胶带机火灾的早期预报。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种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：

一种煤矿井下火灾监测系统，该煤矿井下火灾监测系统包括：

监测主机，监测主机位于地面且安装系统监测软件和后台数据库，监测主机用于接收井下安全数据和发出监测指令；

通讯主站，通讯主站通过工业以太网络与监测主机通讯，且用于接收和传输井下安全数据和监测指令；和

无线传感器网络，无线传感器网络位于煤矿传感区域内，通过通讯主站与监测主机通讯，且包括多个传感器节点，传感器节点用于采集煤矿安全数据和无线传输煤矿安全数据；和

无线网关，无线网关与传感器节点通过无线通讯并且与通讯主站通过现场总线通讯，无线网关将煤矿安全数据传输到通讯主站并向传感器节点传输监测指令；无线传感器网络的路由算法采用cram算法，传感器节点和无线网关采用突发唤醒通讯机制，仅在一定时间间隔内数据发生了变化或根据监测主机的监测指令才进行无线网络通讯。

本发明的有益效果为：本发明中的煤矿井下火灾监测系统不仅能够及时准确地监测煤矿井下火情，还能有效地控制无线传感器网络中传感器节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命。且由于采用大量低成本的传感器节点，因此较之有线传感器网络不经极大地节约了成本，还能在井下发生灾难时更稳定地进行监测工作。本发明实现了对煤矿区域内安全状态的全方位、多参量监测，大大地提高了监测的精度。

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煤矿井下火灾监测系统的结构示意框图。

附图标记：无线传感器网络1；通讯主站2；监测主机3。

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1，一种煤矿井下火灾监测系统，该煤矿井下火灾监测系统包括：监测主机3，监测主机3位于地面且安装系统监测软件和后台数据库，监测主机3用于接收井下安全数据和发出监测指令；通讯主站2，通讯主站2通过工业以太网络与监测主机通讯，且用于接收和传输井下安全数据和监测指令；和，无线传感器网络1，无线传感器网络2位于煤矿传感区域内，通过通讯主站2与监测主机3通讯，且包括多个传感器节点，传感器节点用于采集煤矿安全数据和无线传输煤矿安全数据；和，无线网关，无线网关与传感器节点通过无线通讯并且与通讯主站2通过现场总线通讯，无线网关将煤矿安全数据传输到通讯主站并向传感器节点传输监测指令；无线传感器网络1的路由算法采用cram算法，传感器节点和无线网关采用突发唤醒通讯机制，仅在一定时间间隔内数据发生了变化或根据监测主机3的监测指令才进行无线网络通讯。

优选地，煤矿安全数据包括一氧化碳浓度数据、矿内压力变化数据和煤矿内温度数据。

优选地，传感器节点内置至少一种下述传感器：

一氧化碳传感器，用于采集煤矿内一氧化碳浓度数据；

风压传感器，用于采集煤矿内压力变化数据；

温度传感器，用于采集煤矿内温度数据。

优选地，无线网关包括zigbee无线网络通信模块。

优选地，传感器节点具有网络标识和地理坐标，煤矿井下火灾监测系统能够以地点和名称为索引进行存储和查询。

优选地，无线传感器网络1为分簇结构的无线传感器网络，在无线传感器网络1启动时刻，通讯主站2对传感器节点进行簇划分，确定作为簇首的传感器节点，而剩余传感器节点作为簇成员节点；簇成员节点用于采集煤矿安全数据并将煤矿安全数据发送至所属簇的簇首；簇首用于将自身采集的煤矿安全数据和接收到的其簇成员节点发送的煤矿安全数据汇聚后传递给通讯主站2，通讯主站2将收集到的煤矿安全数据发送至监测主机3。

优选地，通讯主站2对传感器节点进行簇划分，具体是：

(1)通讯主站2从传感器节点中确定q个临时簇首；

(2)对q个临时簇首进行筛选，具体为：利用下式计算任意两个临时簇首a,b之间的相似度值，若相似度值大于设定的阈值，则将其中一个能量较小的临时簇首恢复为簇成员节点：

式中，sim(a,b)为临时簇首a和临时簇首b之间的相似度值，ea为临时簇首a的当前剩余能量值，eb为临时簇首b的当前剩余能量值，e为无线传感器网络中传感器节点的初始能量值，且设无线传感器网络中所有传感器节点的初始能量值均为e，snra和snrb分别为临时簇首a和临时簇首b的当前信噪比，d(a,b)为临时簇首a和临时簇首b之间的距离，d(a,bs)为临时簇首a与通讯主站bs之间的距离，d(b,bs)为临时簇首b与通讯主站bs之间的距离，κ为设定的常数因子；

(3)将仍是临时簇首的传感器节点作为无线传感器网络的簇首，成为簇首的传感器节点进行成簇广播，剩余传感器节点选择与之通信距离最近的簇首进行加簇，成为簇成员节点。

有益效果：在进行簇划分时，由于传感器节点过于密集，很有可能出现簇首过于密集的情况，通过计算任意两个临时簇首之间的相似度值，并与设定的阈值进行比较，进而确定最终的作为簇首的传感器节点，在计算任意两个临时簇首之间的相似度值时，不仅考虑了临时簇首的当前剩余能量值、当前信噪比的影响，而且还考虑了距离因素的影响，通过采用该算法，避免了簇首过于密集情况的发生，使得分簇结构更加合理，而且在确认簇首时，始终选择剩余能量值最大的临时簇首作为最终的簇首，这也更有利于网络能量均衡，提高了系统了稳定性。

优选地，所述通讯主站2从传感器节点中确定q个临时簇首，具体为：

(1)将待监测的煤矿区域随机划分为q个子区域；

(2)针对每一个子区域内的传感器节点，根据自定义的概率公式计算传感器节点成为临时簇首的概率值；

式中，p(m)为传感器节点m当选为临时簇首的概率值，rm为传感器m的通信半径，k表示跟传感器节点m位于同一子区域内的传感器节点的个数，d(m,k)表示传感器节点m与其在同一子区域内第k个传感器节点之间的距离，且k＝1,2,…,k,d(m,bs)表示传感器节点m与通讯主站bs之间的距离，em表示传感器节点m的当前剩余能量值，ek表示第k个传感器节点的当前剩余能量值，dm表示传感器节点m的网络连通度，dk表示第k个传感器节点的网络连通度，α1、α2为权重系数；

(3)针对每个子区域，选择每个子区域内概率值最大的传感器节点作为临时簇首。

有益效果：首先将待监测的煤矿区域划分为多个子区域，针对每个子区域，计算每个子区域内的传感器节点成为临时簇首的概率值，在求解传感器节点m成为临时簇首的概率值时，考虑了传感器节点m与其在同一区域内其他剩余传感器节点之间的距离、传感器节点m与通讯主站2之间的距离、传感器节点的网络连通度以及传感器节点当前剩余能量值的影响，该算法使得剩余能量较大的传感器当选为临时簇首，有效地均衡整个无线传感器网络的能耗，延长了该网络的生命周期。

优选地，完成分簇之后。定期对簇首进行检测，若簇首当前剩余能量值低于设定的能量阈值时，选择该簇首所在簇的信誉值最高的簇成员节点成为新的簇首，其中，簇成员节点的信誉值的计算公式为：

式中，f(z)表示簇成员节点z的信誉值，g表示簇成员节点z所在的簇，ng表示簇g内簇成员节点个数，areag为簇g覆盖区域的面积，dz表示簇成员节点z到其所在簇的中心位置的距离，dg表示该簇内所有簇成员节点到该簇的中心位置的距离之和，eres(z)表示簇成员节点z的当前剩余能量值，eres(n)表示第n个簇成员节点的当前剩余能量值，且n＝1,2,…,ng；b、c、ω1为权重系数，且0＜ω1＜1，簇的中心位置是指该簇覆盖区域的中心位置。

有益效果：当进行簇首检测时，簇首的当前剩余能量低于设定的能量阈值时，通过计算其簇内其他簇成员节点的信誉值，选择信誉值最大的簇成员节点作为新的簇首，该算法考虑了簇成员节点的当前剩余能量值和簇成员节点到所在簇的簇中心位置的距离因素的影响，不仅使得剩余能量较大的簇成员节点成为新的簇首，而且也保证了数据传播路径的简洁性，降低了在进行数据传输时的能量消耗，延长了该无线传感器网络的生命周期。同时在对簇首进行筛选时，通过计算成为簇首的概率值来选择簇首，在对簇首进行更换时，设置一个退出簇首的能量阈值，这样能保证节点在担任簇首期间能够完成较多次的数据传输工作，避免频繁更换簇头带来的网络“抖动”现象，降低了无线传感器网络的能量消耗，有利于对煤矿井下火灾的准确监测。

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。