无线传感器网络在矿震监测系统中的应用new

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1、http://www.paper.edu.cn无线传感器网络在矿震监测系统中的应用张永政，韩仿仿，韩培培，任鹏中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）E-mail：gorgy@sina.com摘要：无线传感器网络是由大量分布式传感器节点组成的无线自组织网络。作为一种新兴的技术，在许多领域有着广泛的应用。本文根据无线传感器网络所具有的优点，提出了将无线传感器网络应用到矿震监测系统，对系统网络结构和节点硬件进行了设计，并对矿震监测系统中的关键技术——时间同步、震源定位和无线网络协议问题进行了讨论，给出了相应的解决方案。关键词：无线传感器网络矿震监测时间同步震源定位无线网络协

2、议中图分类号：1．引言矿震与人类工程活动和人居环境密切接触，造成的人员伤亡、经济损失、工程损伤和社[1]会影响较大，教训深刻，已成为我国工程活动引发的一大灾害。与地壳运动、地球自转和天体运动等共同作用引起的天然地震不同，矿震是人类工程活动直接诱发的一种地质灾害，其发生都有一个由量变到质变的过程，具有发生频繁、震源浅、规模、强度、级别相对较小等特点，相对于天然地震来说是一种微震。本文采用基于无线传感器网络的矿震监测系统，通过对矿震产生的微震信号的发生时间、频率、幅值等一系列震源参数的实时采集与数据分析处理，找出微震信号在矿震发生前的活动规律与特征，从而实现对矿震的预测和预防。2．系统网络

3、结构无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,简称WSN）系统的组成及应用场景和传统网络有较大的不同，它是由部署在监测区域内大量的传感器节点组成的面向任务的无线自组织网络，多个终端节点和汇聚节点组成的节点簇群共同决定了监测区域的范围。终端节点负责采集数据，数据经节点间多跳后路由至汇聚节点，最后经网关、Internet等把数据传输给终端用户。本文设计的基于无线传感器网络的矿震监测系统通过在采空区、大巷、采掘工作面等位置布置一定数目的传感器节点采集微震信号，采用远程分布式方式进行状态控制与数据传输，通过网关实现无线传感器网络和高速工业以太网互联，最后通过Internet

4、把数据送至地面监控中心进行统计分析和处理，并对监测结果进行综合评估，进而实现对矿震准确及时的预测和预防。系统的网络结构如图1所示。-1-http://www.paper.edu.cn图1基于无线传感器网络的矿震监测系统网络结构图3．系统的优点基于无线传感器网络的矿震监测系统具有以下优点：1)鲁棒性：无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，在空间探索[2]和灾难拯救等特殊的领域，传感器网络也有其得天独厚的技术优势；2)设备体积小：现代集成电路技术的发展使得无线传感设备能够做的很小，而功能却越来越强大。微小的体积不但使得在特殊环境下的应用成为可能，也降低了安装和维护的要求

5、与成本；3)覆盖面大：大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区；同时大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性；4)可移植性好：可移植性包括两方面：一方面当网络完成监测任务后可以回收应用到其它场合；另一方面在实际应用中，随着采掘工作面的动态推进，可以直接移动原有的传感器网络，节点能以动态自组织方式重新组网，节约组网时间和成本；5)运行和维护成本低：任何一个新加入的节点只要在网络覆盖范围内，即可自动加入网络工作，无需进行任何配置，而个别节点的损坏也不会影响网络整体运行，加之传感器节点的廉价以及组网方式的便捷，网络的运行和维护成本可以得到有效控制。4.关键技术讨论4.1时间同步在

6、矿震监测系统中，通常最关心的就是矿震波到达的绝对时间及其测量的精度，以便进行震相分析和确定震源的位置。无线传感器网络通过监测区域内的大量节点采集信号，对于多个节点来说，同步问题显得尤为突出，如何保证各节点传送信号的时间误差不超过一定范围是一个难题。传统的GPS授时系统虽然能够提够准确的时间同步，但是价格昂贵、能耗高且仅适用于无遮挡的室外环境等缺点限制了其在井下复杂环境中的应用。目前，井下工业以太网技术发展已经非常成熟，现有的矿井100M/1000M工业以太网可对无线传感器网络进行准确授时。同时，采用TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）协议

7、逐层同步网-2-http://www.paper.edu.cn络内的所有节点，可使所有节点在某一时刻达到时间同步。目前在Micaz平台上已实现了[3]TPSN机制，对于一对时钟为4MHz的Micaz节点，TPSN的时间同步平均误差为16.9μs，同步精度能够满足矿震监测系统的授时精度的要求。4.2震源定位传感器节点能量有限、可靠性差、节点网络规模大且随机布放、无线模块的通信距离有限等诸多因素对定位算法和定位技术提出了很高的要求。目前，震源定位算