CN118945611A - 基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法，属于煤矿安全监测与无线通信技术领域。本发明包括构建基于LoRa无线通信技术的无线传感器网络，该网络由多个传感器节点和一个主分站、一个从分站组成；传感器节点采用同步和异步混合休眠模式，利用机会路由算法动态选择转发节点，通过中继方式将数据传输到分站；从分站保障了主分站出现问题时，系统仍能正常运行。无线LoRa数据传输模块和传感器控制单元的优化设计，以及智能重连机制的应用，提高了网络的稳定性和可靠性。本发明实现了在恶劣环境下稳定可靠的远距离无线通信，同时保证传感器的低功耗运行，并优化了中继级联技术，提高了数据传输效率。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全监测与无线通信技术领域，涉及一种基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法。
背景技术
煤矿巷道环境恶劣，对无线通信技术提出了严峻挑战：
煤矿巷道中存在大量煤尘和岩尘，这些粉尘不仅对人体健康构成威胁，还会对无线通信信号造成干扰，影响信号传输的稳定性和可靠性。
巷道内存在各种电气设备和电缆，在工作过程中会产生电磁场，这些电磁场会干扰传感器的无线传输和信号处理，进而影响测量的精度和稳定性。
煤矿巷道通常较长，传感器需要沿巷道级联安装，相互之间的距离较远，这对无线通信技术提出了长距离传输的需求。
传统的无线通信技术在煤矿巷道环境下存在以下局限性：
虽然ZigBee技术在近距离数据收集中表现出色，但其传输距离有限，无法满足煤矿巷道长距离通信的需求。
虽然UWB技术能够实现高速数据传输，但其功耗较高，不适用于需要长时间电池供电持续工作的煤矿巷道环境。
LoRa技术作为一种新兴的无线通信技术，具有以下优势，使其在煤矿巷道环境下显示出巨大的潜力：
LoRa技术采用扩频技术，能够在低功耗模式下实现长距离通信，满足煤矿巷道环境对传感器节点低功耗运行的需求。
LoRa技术具有较远的传输距离，能够满足煤矿巷道长距离通信的需求。
LoRa技术采用独特的调制方式，能够在低信噪比环境下实现可靠的通信，具有较强的抗干扰能力。
煤矿巷道顶底板监测是煤矿安全生产的重要环节，需要实时监测顶底板状态，预防冒顶、片帮等安全事故的发生。传统的有线监测系统存在施工复杂、维护成本高、易受环境干扰等问题，而基于LoRa技术的无线传感器网络能够有效解决这些问题，实现高效、可靠的煤矿巷道顶底板状态监测。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法，该方法包括以下步骤：
构建基于LoRa无线通信技术的无线传感器网络，该网络由多个传感器节点和一个主分站、一个从分站组成，其中：
(1)传感器节点沿巷道安装，互相之间距离远，所有传感器数据上传到分站；
(2)传感器节点采用同步和异步混合休眠模式，当分站需要数据的时候，由主分站发出同步指令，所有传感器节点获得授时同步，在同步时间时，接收到主分站的命令，并且发送采集数据给分站；
(3)利用机会路由算法，根据节点的剩余能量、信号质量等因素动态选择转发节点，利用多个潜在的下一跳节点来提高数据包成功传输的概率；
(4)传感器节点分别把数据经过中继发送给主分站或从分站；
(5)从分站保障了主分站出现问题时，从分站发送集采命令，采集所有传感器节点的数据，系统正常运行，同时，网络在同步模式时，从分站接收部分传感器节点的数据，提高网络系统吞吐量；
无线LoRa数据传输模块上电进入异步休眠状态，等待来自网络或者传感器控制单元的数据发送，若接收到分站同步命令，则无线LoRa数据传输模块进入同步休眠模式，功耗降至最低，达到微安级别；
当有数据采集需求时，主分站发送集采命令唤醒无线模块，进而无线模块发送电平信号唤醒传感器控制单元，进行数据传输；
若主分站发生异常，则无线模块进入异步休眠模式，等待从分站发送集采命令或者传感器控制单元发送数据，进行从分站和传感器控制单元之间的双向通信；
传感器控制单元上电初始化后，通常处于休眠状态，当有按键触发、光控触发或外设电平触发中断时醒来；
传感器控制单元通过时钟中断，每隔一段时间醒来采集数据，存储于EEPROM中，等待发送给分站；
传感器控制单元接收到无线模块发送的集采命令后，立即唤醒并将存储的数据进行发送，通过无线模块发送给分站；
分站接收到数据后，进行汇总和处理，最终将数据传输到地面监测中心；
优化LoRa通信参数和网络路由算法，实现复杂电磁环境下的传感器数据稳定传输，并提高数据传输效率；
智能重连机制，确保传感器节点在断电或通信故障后能自动重新连接到网络，进一步增强网络的稳定性。
进一步，所述同步和异步混合休眠模式包括：
传感器节点在无同步指令时进入异步休眠模式，功耗降至最低；
传感器节点在接收到同步指令后，进入同步休眠模式，在同步时间保持低功耗状态，在同步时间之外进入深度休眠状态。
进一步，所述机会路由算法包括：
根据节点的剩余能量、信号质量和传输距离的因素动态选择转发节点；
建立多个潜在下一跳节点的列表，并根据当前网络状态进行动态调整；
在数据传输过程中，优先选择剩余能量和信号质量达到一定值的节点进行转发。
进一步，所述智能重连机制包括：
传感器节点在断电或通信故障后，自动进入重连模式；
传感器节点扫描网络中可用的分站，并尝试与其建立连接；
传感器节点在连接成功后，重新加入网络并进行数据传输。
本发明的有益效果在于：
(1)通过采用同步和异步混合休眠模式，以及优化LoRa通信参数，有效降低了传感器节点的功耗，延长了电池使用寿命，降低了维护成本，提高了系统的经济性和实用性。
(2)通过优化LoRa通信参数和网络路由算法，提高了数据传输的稳定性和效率，确保了数据能够准确、及时地传输到分站，提高了煤矿安全监测的智能化和可靠性。
(3)通过设置主分站和从分站，以及采用机会路由算法和智能重连机制，提高了网络的灵活性和可靠性，确保了网络在多种故障场景下能够正常运行，提高了系统的鲁棒性。
(4)通过从分站的设置，在主分站出现问题时，从分站可以接替主分站工作，确保数据持续传输；同时，在同步模式时，从分站也可以接收部分传感器节点的数据，提高了网络系统的吞吐量。
(5)本发明能够适应煤矿巷道环境中的煤尘、岩尘、复杂电磁环境等恶劣条件，确保网络的稳定运行。
(6)本发明可广泛应用于煤矿巷道内的无线锚杆(索)传感器、无线围岩传感器等数据传输网络，具有广泛的应用前景。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为网络工作流程图；
图2为无线LoRa数据传输模块工作流程图；
图3为传感器控制单元工作流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明旨在设计一种煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法。构建基于LoRa无线通信技术的无线传感器网络，该网络由多个传感器节点和一个主分站、一个从分站组成。
(1)无线传感器网络工作流程
煤矿顶底板无线传感器沿巷道安装，互相之间距离远，所有传感器数据上传到分站。传感器节点由电池供电。传感器节点采用同步和异步混合休眠模式，当分站需要数据的时候，由主分站发出同步指令，所有传感器节点获得授时同步，在同步时间时，接收到主分站的命令，并且发送采集数据给分站。利用机会路由算法，根据节点的剩余能量、信号质量等因素动态选择转发节点，利用多个潜在的下一跳节点来提高数据包成功传输的概率。传感器节点分别把数据经过中继发送给主分站或从分站。从分站保障了主分站出现问题时，从分站可以发送集采命令，采集所有传感器节点的数据，系统正常运行，同时，网络在同步模式时，从分站也可以接收部分传感器节点的数据，提高网络系统吞吐量。无线传感器网络低功耗控制方法确保了系统在面对故障时能够做出适当的响应，保持网络的可靠性和低功耗运行。如图1所示为网络工作流程图。
(2)无线LoRa数据传输模块
无线LoRa数据传输模块和传感器控制单元构成传感器节点，由电池供电。无线LoRa数据传输模块上电进入异步休眠状态，等待来自网络或者传感器控制单元的数据发送。若接收到分站同步命令，则无线LoRa数据传输模块进入同步休眠模式，功耗降至最低，达到微安级别。当有数据采集需求时，主分站发送集采命令唤醒无线模块，进而无线模块发送电平信号唤醒传感器控制单元，进行数据传输。若主分站发生异常，则无线模块进入异步休眠模式，等待从分站发送集采命令或者传感器控制单元发送数据，进行从分站和传感器控制单元之间的双向通信。如图2所示为无线LoRa数据传输模块工作流程图。
(3)传感器控制单元
传感器控制单元上电初始化后，通常处于休眠状态，当有按键触发、光控触发或外设电平触发中断时醒来。传感器控制单元通过时钟中断，每隔一段时间醒来采集数据，存储于EEPROM中，等待发送给分站。传感器控制单元接收到无线模块发送的集采命令后，立即唤醒并将存储的数据进行发送，通过无线模块发送给分站。分站接收到数据后，进行汇总和处理，最终将数据传输到地面监测中心。如图3所示为传感器控制单元工作流程图。
通过优化LoRa通信参数和网络路由算法，煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法可以实现在复杂电磁环境下的传感器数据稳定传输，并提高数据传输效率。本发明还提供智能重连机制，确保传感器节点在断电或通信故障后能自动重新连接到网络，进一步增强网络的稳定性。
实施例1
传感器节点：采用低功耗传感器模块，例如MEMS传感器，用于采集顶底板压力、位移、应变等参数。
LoRa模块：采用低功耗LoRa模块，例如SX1278，工作在433MHz频段，支持SF7-SF12多种扩频因子，满足不同距离传输需求。
电源模块：采用高容量锂电池，例如18650电池，并通过低功耗电源管理芯片进行管理，延长电池使用寿命。
处理器模块：采用低功耗微控制器，例如STM32L系列，用于数据处理和控制。
软件设计：传感器节点软件实现数据采集、LoRa通信、休眠模式切换等功能。LoRa模块配置为同步和异步混合休眠模式，根据主分站指令进行数据传输。机会路由算法根据节点剩余能量、信号质量等因素动态选择转发节点。
实施例2
传感器节点：采用分布式传感器网络，将多个传感器节点组成簇，每个簇由一个簇头节点负责数据收集和转发。
LoRa模块：采用LoRaWAN协议，将传感器节点数据传输到网关，并通过网关传输到分站。
电源模块：采用太阳能电池板和蓄电池结合的电源方案，实现全天候供电。
处理器模块：采用低功耗微控制器，例如ESP32，集成Wi-Fi和蓝牙功能，方便远程管理和调试。
软件设计：传感器节点软件实现数据采集、LoRaWAN通信、簇内路由等功能。网关软件实现数据转发、协议转换等功能。
实施例3
传感器节点：采用无线锚杆(索)传感器，将传感器节点集成到锚杆(索)中，实现顶底板位移、压力等参数的实时监测。
LoRa模块：采用LoRa模块，工作在433MHz频段，支持SF7-SF12多种扩频因子，满足不同距离传输需求。
电源模块：采用小型锂电池，并通过低功耗电源管理芯片进行管理，延长电池使用寿命。
处理器模块：采用低功耗微控制器，例如STM32L系列，用于数据处理和控制。
软件设计：传感器节点软件实现数据采集、LoRa通信、休眠模式切换等功能。LoRa模块配置为同步和异步混合休眠模式，根据主分站指令进行数据传输。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
构建基于LoRa无线通信技术的无线传感器网络，该网络由多个传感器节点和一个主分站、一个从分站组成，其中：
(1)传感器节点沿巷道安装，互相之间距离远，所有传感器数据上传到分站；
(2)传感器节点采用同步和异步混合休眠模式，当分站需要数据的时候，由主分站发出同步指令，所有传感器节点获得授时同步，在同步时间时，接收到主分站的命令，并且发送采集数据给分站；
(3)利用机会路由算法，根据节点的剩余能量、信号质量等因素动态选择转发节点，利用多个潜在的下一跳节点来提高数据包成功传输的概率；
(4)传感器节点分别把数据经过中继发送给主分站或从分站；
(5)从分站保障了主分站出现问题时，从分站发送集采命令，采集所有传感器节点的数据，系统正常运行，同时，网络在同步模式时，从分站接收部分传感器节点的数据，提高网络系统吞吐量；
无线LoRa数据传输模块上电进入异步休眠状态，等待来自网络或者传感器控制单元的数据发送，若接收到分站同步命令，则无线LoRa数据传输模块进入同步休眠模式，功耗降至最低，达到微安级别；
当有数据采集需求时，主分站发送集采命令唤醒无线模块，进而无线模块发送电平信号唤醒传感器控制单元，进行数据传输；
若主分站发生异常，则无线模块进入异步休眠模式，等待从分站发送集采命令或者传感器控制单元发送数据，进行从分站和传感器控制单元之间的双向通信；
传感器控制单元上电初始化后，通常处于休眠状态，当有按键触发、光控触发或外设电平触发中断时醒来；
传感器控制单元通过时钟中断，每隔一段时间醒来采集数据，存储于EEPROM中，等待发送给分站；
传感器控制单元接收到无线模块发送的集采命令后，立即唤醒并将存储的数据进行发送，通过无线模块发送给分站；
分站接收到数据后，进行汇总和处理，最终将数据传输到地面监测中心；
优化LoRa通信参数和网络路由算法，实现复杂电磁环境下的传感器数据稳定传输，并提高数据传输效率；
智能重连机制，确保传感器节点在断电或通信故障后能自动重新连接到网络，进一步增强网络的稳定性。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法，其特征在于：所述同步和异步混合休眠模式包括：
传感器节点在无同步指令时进入异步休眠模式，功耗降至最低；
传感器节点在接收到同步指令后，进入同步休眠模式，在同步时间保持低功耗状态，在同步时间之外进入深度休眠状态。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法，其特征在于：所述机会路由算法包括：
根据节点的剩余能量、信号质量和传输距离的因素动态选择转发节点；
建立多个潜在下一跳节点的列表，并根据当前网络状态进行动态调整；
在数据传输过程中，优先选择剩余能量和信号质量达到一定值的节点进行转发。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的煤矿顶底板无线传感器网络低功耗控制方法，其特征在于：所述智能重连机制包括：
传感器节点在断电或通信故障后，自动进入重连模式；
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|---|---|---|---|---|
| CN119231890A (zh) * | 2024-11-28 | 2024-12-31 | 深圳市朗帅科技有限公司 | 一种功率芯片的低功耗控制方法及系统 |
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| CN119231890A (zh) * | 2024-11-28 | 2024-12-31 | 深圳市朗帅科技有限公司 | 一种功率芯片的低功耗控制方法及系统 |
| CN119231890B (zh) * | 2024-11-28 | 2025-02-25 | 深圳市朗帅科技有限公司 | 一种功率芯片的低功耗控制方法及系统 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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