[发明专利]无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统

权利要求书

1.无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，包括瓦斯监测数据采集模块、地面监控中心和用户终端，所述瓦斯监测数据采集模块采集瓦斯监测数据，并将采集到的瓦斯监测数据发送到所述地面监控中心，所述地面监控中心用于接收、存储、显示瓦斯监测数据，并将瓦斯监测数据与正常阈值进行比较，若超过正常阈值，则输出报警信号；所述的用户终端通过通信网络与地面监控中心连接，用于实时访问地面监控中心中的瓦斯监测数据；所述的瓦斯监测数据采集模块通过无线传感器网络采集和发送瓦斯监测数据；所述的无线传感器网络包括多个瓦斯监测传感器节点和一个基站，其中瓦斯监测传感器节点包括处理器单元、无线通信单元、数据采集单元、能量供应单元和智能开关，无线通信单元、数据采集单元和智能开关皆与处理器单元连接；所述的无线传感器网络在进行瓦斯监测数据的收集过程中，按照下述方式进行网络初始化：

(1)将无线传感器网络的瓦斯监测区域沿横向划分为R个大小相等的条形区域，其中每个条形区域之间长度相等，条形区域的宽度与瓦斯监测区域的边长相等；

(2)将每个条形区域沿纵向划分为多个矩形子区域，矩形子区域的长度与条形区域的长度相等；

进行网络初始化后，所述的无线传感器网络采用设定的分簇算法进行分簇；采用设定的分簇算法完成分簇后，若矩形子区域中的簇头节点满足自定义的簇头节点调整判定公式时，需要进行簇头节点轮换，簇头节点向所在矩形子区域中的瓦斯监测传感器节点发送簇头节点竞争消息，每个瓦斯监测传感器节点接收到簇头节点竞争消息后开始竞争簇头节点，其中剩余能量值最大的簇头节点当选为该矩形子区域的新簇头节点；

所述的自定义的簇头节点调整判定公式为：

式中，N为簇头节点所在簇的瓦斯监测传感器节点数目，G为当前周期接收数据的长度，单位为bit，F₀是无线收发电路接收单位长度数据的能耗，F₂为簇头节点融合单位长度数据的能耗，F₃为当前周期簇头节点向基站发送融合数据的能耗，F_C为簇头节点的剩余能量值，S为设定的比值阈值。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，所述地面监控中心包括数据接收模块、数据分析比较模块、报警信号生成模块，所述数据接收模块与所述数据分析比较模块连接，所述数据分析比较模块与所述报警信号生成模块连接。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，所有瓦斯监测传感器节点均匀并随机地分布在设定的瓦斯监测区域内部，基站设置于瓦斯监测区域的外部。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，每个条形区域划分的矩形子区域的数目和每个矩形子区域的宽度按照下述方式确定：

式中，表示第i个条形子区域H_i划分的矩形子区域的数目，d(H_i,H₀)表示条形子区域H_i的左上方顶点到基站H₀之间的距离，m₁为设定的矩形子区域数目阈值，表示条形子区域H_i中第j个矩形子区域的宽度，其中j值越大表示对应的矩形子区域距离基站H₀更远，L为瓦斯监测区域边长，int(·)为取整函数。

5.根据权利要求4所述的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征是，进行网络初始化后，所述的无线传感器网络采用设定的分簇算法进行分簇，具体为：

(1)基站向所有瓦斯监测传感器节点广播初始化信息消息，该初始化信息消息包括瓦斯监测区域起始点坐标、基站位置坐标、瓦斯监测区域边长、条形区域数目及其长宽、矩形子区域的数目和每个矩形子区域的长宽，各个瓦斯监测传感器节点收到初始化信息消息后，确定自身所属矩形子区域，并保存与自身位置对应的初始化信息消息；

(2)开始分簇，基站向各个瓦斯监测传感器节点广播分簇消息，瓦斯监测传感器节点接收到分簇消息后，根据自身位置到所属矩形子区域的顶点的最大距离确定发射功率，向其他瓦斯监测传感器节点交互自身节点信息；

(3)每个矩形子区域中选择一个剩余能量值最大的瓦斯监测传感器节点作为簇头节点，每个瓦斯监测传感器节点选择所属矩形子区域的簇头节点加入簇。