基于Ethernet和WSN的矿井监控与应急通信技术研究

面对矿难时井下通信系统瘫痪问题，本课题提出基于Ethernet和WSN的应急通信技术。正常生产时，以矿井监控信息传输平台为主干网；线路中断时，唤醒局部WSN构成"软网桥"，自动形成Ethernet-WSN-Ethernet应急信息传输通道。研究中，为降低远场分析计算量，利用帐篷定律和费马原理将旋进光线分别限制在水平和垂直拉直面，建立巷道空间场强分布预测模型；采用唤醒近似最小覆盖集、构建转发连通覆盖集的方法解决异构WSN的最小转发连通覆盖集问题；建立低占空比时隙分配模型，设计二元同步码结构，减少唤醒时间及次数；通过建立非对称群组质数网格分布模型，构建基于低占空比非对称群组的异步唤醒邻居发现机制，设计基于非对称群组异步唤醒调度的自适应MAC协议；建立链路时间成本模型，将路由问题转化为时间相关性Bellman-Ford问题，从而将最短路径NP-Hard问题转化为多项式时间模型进行求解，计算路由。

目前煤矿安全监控系统主要以有线方式实现参数监测与信息传输，一旦有线网络发生故障，整个系统将完全瘫痪，影响矿井安全生产。本课题旨在研究一种适合矿井监控与应急通信要求的结构灵活、适应性强、传输可靠的通信技术。课题从以下四个方面开展工作：矿井无线传输特性、WSN覆盖控制技术、矿井信息传输网络体系和WSN网络通信协议。. 用几何光学的镜像法及波导模式理论分析了无线电波在井下巷道内近场区、远场区的传播规律，结合两种方法建立了矿井无线电波传播特性的预测理论。. 针对煤矿井下巷道WSN覆盖的要求，提出了基于矩形分区覆盖的节点部署方法，将节点按矩形排列的方式布置在巷道两侧，可以用较少的节点满足2重覆盖要求。采用基于分组的非均匀部署方式来布置节点，根据到基站的距离将网络分为不同的分组，分组距离基站越近，部署节点越多；利用基于探测的冗余节点调度机制来使组内冗余节点休眠，解决了网络能耗不均衡问题，延长了井下无线传感器网络的生命周期。. 通过系统研究矿井无线传输特性和WSN的连通覆盖特性，采用“软网桥”技术，提出基于Ethernet和WSN的矿井监控与应急通信技术。正常生产时矿井通信以已有的工业以太网为井下信息传输主干网，以无线传感器网络为辅助网络，实现矿井设备、环境监控信息和井下人员信息的可靠传输；在发生矿难或线路中断后，通过唤醒局部WSN，以WSN簇构成“软网桥”，形成Ethernet—WSN—Ethernet信息传输平台，自动、快速形成矿井应急救援通信系统。.设计了WSN的MAC协议。采用了局部统一调度机制，由SINK节点充当簇头，周期性地发送SYNC调度信息；当SINK节点检测到有线中断时，在下一个SYNC的数据域更新工作模式标志，转换工作模式，实现两种工作模式的转换。分别设计了工作面路由协议和巷道路由协议。对于节点分布较密集的工作面进行分层管理，根据各层中数据流量的不同选取不同的簇首竞选半径，以达到网络能耗均衡的目的。巷道路由协议RRPR针对应急通信系统要求，针对不同类型数据采取不同的路径选择方式，保证紧急数据的正确可达。. 通过系统研究矿井无线传输特性和矿井WSN的网络连通覆盖性，采用“软网桥”技术，提出了基于Ethernet和WSN的矿井监控与应急通信技术，形成Ethernet— WSN— Ethernet信息传输平台，能自动、快速形成矿井应急救援通信系