一种基于无线传感器网络的井下设备监测系统及方法

1.一种基于无线传感器网络的井下设备的监测系统的监测方法，所述的井下设备监测系统，包括井上监测管理层和井下数据采集传输层两个部分；井上监测管理层通过无线传输与井下数据采集传输层连接；
所述的井下数据采集传输层包括：无线传感器节点、设备管理节点和信息接收处理终端，汇总发送终端；无线传感器节点通过无线通讯与信息接收处理终端连接，信息接收处理终端通过无线通讯同时与设备管理节点或汇总发送终端连接；
所述的井上监测管理层包括：监测PC机、GPRS Modem、手机、远程用户；监测PC机通过串口总线与GPRS Modem连接，远程用户通过以太网与监测PC机连接，手机与GPRS Modem通过无线通讯连接；
所述的无线传感器节点集成有传感器，将采集的数据进行数据级融合后发送给设备管理节点，设备管理节点对数据经过特征级融合后发送给信息接收处理终端；信息接收处理终端通过无线通讯对汇总发送终端进行发送，再由汇总发送端发送给井上监测PC机，监测PC机通过故障诊断算法对监测数据进行决策级数据融合，并判断出设备运行状态，然后显示并保存数据，远程用户通过以太网直接向监测PC机发送数据请求命令；
其特征在于：基于上述井下设备监测系统的监测方法具体步骤如下：
步骤S1：监测PC机根据检测区域及设备特点，制定分簇策略并向信息接收处理终端发送分簇策略；
步骤S2：信息接收处理终端在全网内广播分簇策略；
步骤S3：无线传感器节点按策略分簇，选举产生设备管理节点；
步骤S4：设备管理节点将分簇信息发送给信息接收处理终端；
步骤S5：信息接收处理终端再将信息发送给汇总发送终端，并将网络分簇信息发回监测PC机；
步骤S6：监测PC机收到无线网络分簇信息后发送数据采集命令；
步骤S7：无线传感器节点采集煤矿井下设备振动、油压及环境温度、湿度和甲烷数据并对数据经行数据级融合，通过无线方式发送给设备管理节点，然后节点进入睡眠状态至下一个采样周期；
步骤S8：设备管理节点对各台设备的数据进行特征级融合并通过无线方式向信息接收处理终端3发送本簇内设备的数据；
步骤S9：信息接收处理终端对接收的数据进行决策，并在汇总发送终端完成数据融合，再发送到监测PC机；
步骤S10：监测PC机根据数据判断设备状态并在线实时显示设备状况；如果设备异常则报警并将故障消息通过GPRS Modem 发送到责任人的手机上；
步骤S11：通过发送固定短信格式查询相关数据；
步骤S12：远程用户通过访问指定网页可以查看设备实时状态、查询历史、打印报表。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的井下设备的监测系统的监测方法，其特征在于：所述的分簇策略包括规则排列设备分簇策略和非规则排列设备分簇策略；
所述的规则排列设备分簇策略具体步骤如下：
（1）监测PC机根据要监测设备数量及监测参数根据导出的能量最优簇数模型计算能耗最小的簇数；
（2）为了避免出现一台设备的节点分属2个簇的情况，需要调整个别设备所在的簇。在保证分簇平衡指数LBF最大的情况下将出现分属2个簇的情况的设备节点分配到同一簇；
（3）监测PC机将各簇所包含的设备号发送给信息接收处理终端，信息接收处理终端在全网内广播分簇信息，各无线传感器节点收到该广播后设置自己的簇号；
（4）各簇随机选取一个设备管理节点；被选为设备管理节点的节点广播自己的簇号和ID，其他簇设备管理节点收到该信息后根据簇号设置自己的上行和下行节点；
（5）发送采集数据；
（6）本轮数据传输完毕后，各簇中的无线传感器节点将自己剩余能量及当选设备管理节点次数信息发送给设备管理节点，设备管理节点选出下一轮设备管理节点并广播；
（7）各簇内无线传感器节点更新信息后休眠，各簇设备管理节点更新上下行节点；
所述的非规则排列设备分簇策略具体步骤如下：
（1）监测PC机根据要监测设备数量及监测参数计算能耗最小的簇数发送给信息接收处理终端；
（2）信息接收处理终端广播分簇信息，各节点根据自己剩余能量及当选设备管理节点次数计算当选设备管理节点概率并发送给信息接收处理终端，信息接收处理终端根据蚁群算法计算各节点当选设备管理节点概率并选出与簇数相对应的设备管理节点个数；
（3）信息接收处理终端广播设备管理节点选取信息，各节点按LEACH-C算法中成簇方式建立簇。

一种基于无线传感器网络的井下设备监测系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种矿井设备监测系统及方法，特别是一种基于无线传感器网络的井下设备监测系统及方法。\n背景技术\n[0002] 随着煤矿生产的现代化，矿用设备日趋高速化、高压化、大型化和系统化，其运行状况直接影响着整个矿区的生产和安全。对煤矿井下设备进行状态监测和故障诊断可及时了解机械设备的运行状况，发现存在的问题和可能发生的故障隐患，使生产部门及时调整决策，这对保障煤矿安全生产和提高设备利用率有着重要的意义，同时也带来了巨大的经济效益和社会效益。\n[0003] 设备维修分为事后维修、定时维修和实时监测维修，而大多数设备的故障都是由微小故障发展而来，实时监测设备运行状态能及时发现和处理微小故障，避免其发展为具有破坏性的大故障。目前，煤矿井下设备监测系统大都采用布线的方式，由于测量的参数较多且关键部位传感器的安装不便，使得布线相当繁琐。信号线、控制线、电源线混杂在一起时，容易受到传输距离、电磁干扰等因素的影响而变得不稳定，尤其在测量点数较多或者通信距离较远时，系统的不稳定因素会更加严重。\n[0004] 无线传感器网络能够解决通信带宽、移动传输数据、人员定位、工作面实时监测、监测与工程同步等关键问题，虽然其中尚需完善低功耗、无线传输距离等部分功能，但是它的先进性恰能够满足当今煤炭行业安全生产的关键需求。但是煤矿井下设备种类繁多，拓扑结构复杂，没有成熟可靠的路由协议可以直接应用，以上也限制了无线传感器网络在井下设备监测领域的应用。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是要提供一种基于无线传感器网络的井下设备监测系统及方法，解决传统井下设备监测系统扩展性差、精度低的问题，实现对井下各种设备的监测，提高系统的可靠性和精度，提高煤矿的信息化程度和安全性。\n[0006] 本发明的目的是以如下技术方案实现的：一种基于无线传感器网络的井下设备监测系统，包括井上监测管理层和井下数据采集传输层两个部分；井上监测管理层通过无线传输与井下数据采集传输层连接；\n[0007] 所述的井下数据采集传输层包括：无线传感器节点、设备管理节点和信息接收处理终端，汇总发送终端；无线传感器节点通过无线通讯与信息接收处理终端连接，信息接收处理终端通过无线通讯同时与设备管理节点或汇总发送终端连接；\n[0008] 所述的井上监测管理层包括：监测PC机、GPRS Modem、手机、远程用户；监测PC机通过信号线与GPRS Modem连接，远程用户通过以太网与监测PC机连接，手机与GPRS Modem通过无线通讯连接，监测PC机通过串口总线与GPRS Modem连接；\n[0009] 所述的无线传感器节点集成有传感器，将采集的数据进行数据级融合后发送给设备管理节点，设备管理节点对数据经过特征级融合后发送给信息接收处理终端；信息接收处理终端通过无线通讯与汇总发送终端进行发送，数据再通过串口总线发送给井上监测PC机，监测PC机通过故障诊断算法对监测数据进行决策级数据融合，并判断出设备运行状态，然后显示并保存数据，远程用户通过以太网直接向监测PC机发送数据请求命令。\n[0010] 所述的无线通讯采用433MHz射频通讯；GPRS Modem通过RS232与监测PC机相连。\n[0011] 一种基于传感器网络的井下设备监测方法，具体步骤如下：\n[0012] 步骤S1：监测PC机根据检测区域及设备特点制定分簇策略并向信息接收处理终端发送分簇策略；\n[0013] 步骤S2：信息接收处理终端在全网内广播分簇策略；\n[0014] 步骤S3：无线传感器节点按策略分簇，选举产生设备管理节点；\n[0015] 步骤S4：设备管理节点将分簇信息发送给信息接收处理终端；\n[0016] 步骤S5：信息接收处理终端将网络分簇信息发回监测PC机；\n[0017] 步骤S6：监测PC机收到无线网络分簇信息后发送数据采集命令；\n[0018] 步骤S7：无线传感器节点采集设备的振动、油压及环境温度、湿度和甲烷数据并对数据经行数据级融合，通过无线方式发送给设备管理节点，然后无线传感器节点进入睡眠状态至下一个采样周期；\n[0019] 步骤S8：设备管理节点对各台设备的数据进行特征级融合并通过无线方式向信息接收处理终端发送本簇内设备的数据；\n[0020] 步骤S9：信息接收处理终端对接收的数据进行决策，并在汇总发送终端完成数据融合，再发送到监测PC机；\n[0021] 步骤S10：监测PC机根据数据判读设备状态并在线实时显示设备状况；如果设备异常则报警并将故障消息通过GPRS Modem发送到的手机上；所述的手机相关责任人的手机；\n[0022] 步骤S11：通过发送固定短信格式查询相关数据；\n[0023] 步骤S12：远程用户通过访问指定网页可以查看设备实时状态、查询历史、打印报表。\n[0024] 所述的分簇策略包括规则设备分簇策略和非规则设备分簇策略；\n[0025] 所述的规则设备分簇策略具体步骤如下：\n[0026] (1)监测PC机根据要监测设备数量及监测参数和能量最优簇数模型计算能耗最小的簇数；\n[0027] (2)为了避免出现一台设备的节点分属2个簇的情况，需要调整个别设备所在的簇；在保证分簇平衡指数LBF最大的情况下将出现分属2个簇的情况的设备节点分配到同一簇；\n[0028] (3)监测PC机将各簇所包含的设备号发送给信息接收处理终端，信息接收处理终端在全网内广播分簇信息，各无线传感器节点收到该广播后设置自己的簇号；\n[0029] (4)各簇随机选取一个设备管理节点；被选为设备管理节点的节点广播自己的簇号和ID，其他簇设备管理节点收到该信息后根据簇号设置自己的上行和下行节点；\n[0030] (5)发送采集数据；\n[0031] (6)本轮数据传输完毕后，各簇中的无线传感器节点将自己剩余能量及当选设备管理节点次数信息发送给设备管理节点，设备管理节点选出下一轮设备管理节点并广播；\n[0032] (7)各簇内无线传感器节点更新信息后休眠，各簇设备管理节点更新上下行节点。\n[0033] 所述的非规则设备分簇策略具体步骤如下：\n[0034] (1)监测PC机根据要监测设备数量及监测参数计算能耗最小的簇数发送给信息接收处理终端；\n[0035] (2)信息接收处理终端广播分簇信息，各节点根据自己剩余能量及当选设备管理节点次数计算当选设备管理节点概率并发送给信息接收处理终端，信息接收处理终端根据现有的蚁群算法计算各节点当选设备管理节点概率并选出与簇数相对应的设备管理节点个数；\n[0036] (3)信息接收处理终端广播设备管理节点选取信息，各节点按LEACH-C算法中成簇方式建立簇。\n[0037] 有益效果，由于采用了上述方案，本发明结合无线传感器网络的相关原理，采用无线加速度节点和温度节点实时监测设备各部位的振动及温度，将各传感器的数据送至上位机存储，通过第三方软件进行故障诊断。将井下设备故障诊断方法方法与数据融合方法结合在一起，从无线传感器节点、设备管理节点到信息接收处理终端逐级对数据进行融合并对设备故障进行诊断，提高了采集信息的精度和可信度，减少网络传输拥塞，降低传输延时，延长了网络生存周期。\n[0038] 广泛应用于井下各种设备的状态监测，同时该系统经过微小改进可以实现对井下工作人员的考勤、定位等功能；通过该系统可以极大提高煤矿生产的安全性和生产效率，尤其是发生设备故障时能通过短信第一时间通知相关负责人减少了中间通报环节，加快了抢修速度，减少了事故损失；具有功耗低、适应性强、可靠性高的特点。\n附图说明\n[0039] 图1是本发明的基于传感器网络的井下设备监测系统示意图。\n[0040] 图2是本发明的规则排列设备分簇流程图。\n[0041] 图3是本发明在规则排列设备拓扑下的数据流图。\n[0042] 图4是本发明的非规则排列设备分簇流程图。\n[0043] 图中，1、无线传感器节点；2、设备管理节点；3、信息接收处理终端；4、汇总发送终端；5、监测PC机；6、GPRS Modem；7、手机；8、远程用户；\n具体实施方式\n[0044] 一种基于传感器网络的井下设备监测系统，包括井上监测管理层和井下数据采集传输层两个部分；井上监测管理层通过无线传输与井下数据采集传输层连接；\n[0045] 所述的井下数据采集传输层包括：无线传感器节点1、设备管理节点2和信息接收处理终端3，汇总发送终端4；无线传感器节点1通过无线通讯与信息接收处理终端3连接，信息接收处理终端3通过无线通讯同时与设备管理节点2或汇总发送终端4连接；\n[0046] 所述的井上监测管理层包括：监测PC机5、GPRS Modem 6、手机7、远程用户8；监测PC机5通过信号线与GPRS Modem 6连接，远程用户8通过以太网与监测PC机5连接，手机7与GPRS Modem6通过无线通讯连接，监测PC机5通过串口总线与GPRS Modem 6连接；\n[0047] 所述的无线传感器节点1集成有传感器，将采集的数据进行数据级融合后发送给设备管理节点2，设备管理节点2对数据经过特征级融合后发送给信息接收处理终端3；信息接收处理终端3通过无线通讯与汇总发送终端4进行发送，数据再通过串口总线发送给井上监测PC机5，监测PC机5通过故障诊断算法对监测数据进行决策级数据融合，并判断出设备运行状态，然后显示并保存数据，远程用户8通过以太网直接向监测PC机5发送数据请求命令。\n[0048] 所述的无线通讯采用433MHz射频通讯；GPRS Modem6通过RS232与监测PC机5相连。\n如图1所示，整个系统分为井上和井下2部分。井下数据采集传输层可分为设备数据采集网络由无线传感器节点1，设备管理节点2、信息接收处理终端3和汇总发送终端4。井上监测管理层包括监测PC机5、GPRS Modem 6、手机7、远程用户8。汇总发送终端4与井上监测PC机5通过无线通讯连接，GPRS Modem 6通过RS232与监测PC机5相连。系统开始运行后监测PC机5根据检测区域及设备特点，制定分簇策略并向信息接收处理终端3发送分簇策略，信息接收处理终端3在全网内广播分簇策略，网内传感器节点1按策略分簇，选举产生设备管理节点2，传感器节点1采集设备相关数据并处理后通过无线方式发送给设备管理节点2，设备管理节点2融合各台设备的数据并通过无线方式向信息接收处理终端3发送本簇内设备的数据，再由信息接收处理终端3将接收的数据发送汇总发送终端4完成信息的融合和汇总，并将数据发送到监测PC机5，监测PC机5在线实时显示设备状况。如果设备异常则报警并将故障消息通过GPRS Modem 6发送到相关责任人的手机7上，同时远程用户8通过访问指定网页可以查看设备实时状态、查询历史、打印报表。\n[0049] 本发明将井下设备分为规则排列设备和非规则排列设备，无线传感器节点1设备管理节点2所用到的路由协议可以分为以下两种。规则排列设备如液压支架设备群、刮板输送机胶带运输机等，这类设备特点是排列距离长，通常上百米甚至上千米，所要监测的数据比较单一，可以每隔一段距离布置相同数量的节点，传感网的拓扑结构比较规则。监测PC机\n5根据具体环境数据和建立的链式规则拓扑能量模型计算出能量最优簇数及每簇的节点数发送给信息接收处理终端3，信息接收处理终端3在全网内广播分簇策略，各节点根据自己剩余能量数及已当选为设备管理节点2次数计算本轮当选概率，概率大者为本轮设备管理节点2，本轮数据发送完毕后，节点休眠直至下轮；非规则排列设备特点是监测区域较小，设备众多，各设备所要监测的参数不同，网络规模较小，各节点可以和信息接收处理终端3直接通讯。如在需要监测电机、主轴、减速器、液压站、润滑泵等关键部位的温度及振动。对于这类设备，采用类似LEACH-C的分簇方法，网络开始运行时各节点根据提出的基于蚁群的设备管理节点2选举算法设备管理节点2，选出的设备管理节点2广播自己的位置等信息，剩余节点根据现有无线传感器网络成簇算法形成若干簇，然后将采集的数据发送给设备管理节点2，本轮数据发送完毕后，节点休眠直至下轮。\n[0050] 如图2所示，对于液压支架来说虽然设备众多，但每台设备所要监测的量是相同的，每台设备可布置相同数量及类型的传感器；对于皮带机和刮板输送机这类设备每隔一定的距离布置若干传感器，每隔一定距离可以看作一台设备。规则设备分簇策略具体步骤如下：\n[0051] (1)监测PC机5根据要监测设备数量及监测参数根据能量最优簇数模型计算能耗最小的簇数；\n[0052] (2)为了避免出现一台设备的节点分属2个簇的情况，需要调整个别设备所在的簇。在保证分簇平衡指数LBF最大的情况下将出现分属2个簇的情况的设备节点分配到同一簇；\n[0053] (3)监测PC机5将各簇所包含的设备号发送给信息接收处理终端，信息接收处理终端在全网内广播分簇信息，各无线传感器节点收到该广播后设置自己的簇号；\n[0054] (4)各簇随机选取一个设备管理节点；被选为设备管理节点的节点广播自己的簇号和ID，其他簇设备管理节点收到该信息后根据簇号设置自己的上行和下行节点；\n[0055] (5)发送采集数据；\n[0056] (6)本轮数据传输完毕后，各簇中的无线传感器节点将自己剩余能量及当选设备管理节点次数信息发送给设备管理节点，设备管理节点选出下一轮设备管理节点并广播；\n[0057] (7)各簇内无线传感器节点更新信息后休眠，各簇设备管理节点更新上下行节点。\n[0058] 如图3所示，在该拓扑结构下整个网络为链状，其数据请求流向为监测PC机5发送请求命令给信息接收处理终端3，信息接收处理终端3将命令发送给距离其最近的设备管理节点2，该设备管理节点2将命令发送给下一级的设备管理节点2直到全网的设备管理节点2都收到命令；主要责任人和远程用户通过GPRS网络或以太网直接向监测PC机5发送数据请求命令。数据反馈流向为无线传感器节点1将采集的数据发送给各簇的设备管理节点2，设备管理节点2通过多跳的方式由其上一级设备管理节点2转发数据到信息接收处理终端3，最后经汇总发送终端将汇总后的信息发送给监测PC机5；主要责任人和远程用户需要的数据通过GPRS网络或以太网直接向监测PC机5发送。\n[0059] 如图4所示，监测PC机5根据要监测设备数量及监测参数计算能耗最小的簇数发送给信息接收处理终端3；非规则设备分簇策略具体步骤如下：\n[0060] (1)监测PC机根据要监测设备数量及监测参数计算能耗最小的簇数发送给信息接收处理终端；\n[0061] (2)信息接收处理终端广播分簇信息，各节点根据自己剩余能量及当选设备管理节点次数计算当选设备管理节点概率并发送给信息接收处理终端，信息接收处理终端根据蚁群算法计算各节点当选设备管理节点概率并选出与簇数相对应的设备管理节点个数；\n[0062] (3)信息接收处理终端广播设备管理节点选取信息，各节点按LEACH-C算法中成簇方式建立簇。\n[0063] 如图3所示，在该拓扑结构下所有簇的设备管理节点2均可直接与信息接收处理终端3通讯，其数据请求流向为监测PC机5发送请求命令给信息接收处理终端3，信息接收处理终端3将命令发送给各簇的设备管理节点2；主要责任人和远程用户通过GPRS网络直接向监测PC机5发送数据请求命令。数据反馈流向为无线传感器节点1将采集的数据发送给各簇的设备管理节点2，设备管理节点2直接将数据发送给信息接收处理终端3，最后由汇总发送终端4将汇总后的数据发送给监测PC机5；主要责任人手机7和远程用户8需要的数据通过GPRS网络或以太网直接由监测PC机5发送。