煤矿井下物联网感知层能量有效时间同步研究

摘要

物联网为煤矿井下的安全监控和灾害预警提供了新的思路和方法。煤矿井下物联网利用物联网的理论与技术，通过多种泛在的传感器对煤矿井下人员、设备、环境等进行感知，实现各种灾害事故的监测和预警。煤矿井下物联网感知的诸多应用，包括节点定位、数据融合、协作传输、时分多址技术等等，都需要参与节点拥有—致的时间，时间同步为煤矿井下物联网感知层的—个支撑技术。煤矿井下工作环境的特殊性，如空间狭小、节点分布多、无线通信环境差等特点，使得现有面向地面无线传感器网络的时间同步方法无法直接应用。
　　针对煤矿安全生产的需求和煤矿井下无线环境的特殊性，本文研究煤矿井下物联网感知层的时间同步，着重提高时间同步方法的能量有效性和对网络拓扑变化的鲁棒性。论文的主要研究成果总结如下:
　　1)考虑到矿井巷道的狭长特性，研究—种层次型时间同步算法，将反馈机制应用到时间同步中来，基于负反馈原理根据网络同步精度误差调整同步周期和占空比。
　　建立感知层网络的树状层次型拓扑，为网络选择多个父节点和成对同步节点，父节点与成对同步子节点间双向交换多次时间同步信息，其它侦听子节点侦听同步信息，降低网络中传输的同步信息量;将群内的时间同步方式设置为周期性同步方式，即同步周期到则父节点发起一次群内节点的时间同步，而将群间节点或远程节点与网关节点间的时间同步方式设置为按需同步方式，仅在特定事件发生时方才发起一次时间同步，进一步降低了网络中传输的同步信息包量;采用联合极大似然估计法估计节点间的时钟偏移，利用下标偏移量法减少待估计参数的数量，简化时钟偏移估计算法的计算复杂度;网关节点周期性评估网络同步误差，基于负反馈思想，根据网络实际同步误差和要求值之间的差值，采用比例控制规律调整网络同步周期和占空比，在同步精度满足的情况下，尽可能增大同步周期、减小占空比。
　　2)将控制理论的一致性算法应用到煤矿井下物联网感知层时间同步中，提出一种二阶一致陛时间同步算法，并从网络邻接权重的优化设计角度来提高—致性时间同步方法的能量有效性。
　　将节点的时钟特性建模成二阶状态方程，节点按同步周期周期性将自身状态广播给邻居节点，并根据与邻居节点状态不—致来构造同步控制输入;基于矩阵变换和劳斯-赫尔维茨稳定理论分析了二阶一致性算法收敛的条件和影响算法收敛速度的因素;研究了影响一致性同步能耗的因素，得出同步能耗的优化问题可以转化为一致性算法收敛因子和网络稀疏度的加权优化问题，且可由网络邻接权重矩阵优化设计得到，给出了网络邻接权重的分布式设计算法。
　　3)从网络通信率角度出发，进—步考虑了二阶—致性时间同步算法的能量有效性，提出—种事件触发二阶—致性时间同步算法。
　　将节点的通信事件设置为事件触发方式，为每个节点设计—个分布式事件触发函数，仅当触发函数大于零时，节点方触发一次广播通信事件;通过矩阵变换和劳斯-赫尔维茨稳定理论分析了事件触发二阶一致性时间同步算法的收敛性，并给出了触发阈值的分布式设计方法;分析了影响网络通信率的因素，并与时间触发下的时间同步算法进行相对收敛性的对比，得出在网络通信率相同的情况下，基于事件触发的时间同步算法相对收敛性优于基于时间触发算法的收敛性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 关于煤矿物联网

1． 2．2 关于无线传感器网络时间同步

1．2．3 关于煤矿物联网时间同步

1．3 论文研究内容

1．4 本章小结

2 煤矿物联网感知层时间同步及能量有效性概述

2．1 煤矿物联网及感知层拓扑

2．1．1 煤矿物联网

2．1．2 感知层网络拓扑

2．2 煤矿井下物联网感知层时间同步

2．2．1 感知节点时钟模型

2．2．2 同步信息传输

2．2．3 同步信息传输延时

2．2．4 时间同步算法

2．3 时间同步方法的能量有效性

2．4 本章小结

3 基于反馈机制的层次型时间同步算法

3．1 引言

3．2 时间同步方案和层次型网络拓扑

3．2．1 时间同步方案

3．2．2 层次型网络拓扑

3．3 群内节点持续时间同步

3．3．1 时间同步犊型

3．3．3 时钟偏移的JLME估计

3．4 群问节点按需时间同步

3．5 感知节点的能量控制

3．5．1 基于占空比的时间同步模型

3．5．2 同步周期和占空比的闭环调整

3．6 数值仿真

3．6．1 时钟偏移估计算法的有效眭

3．6．2 同步周期和占空比的控制效果

3．6．3 同步开销的比较

3．6．4 节点生存周期

3．7 本章小结

4 二阶一致性时间同步及邻接权重分布式优化

4．1 引言

4．2 数学符号和图论基础

4．3 二阶一致性时间同步及收敛性分析

4．3．1 二阶一致性时间同步

4．3．2 同步控制输入

4．3．3 收敛性及收敛因子分析

4．4 一致性同步能耗及优化方法

4．4．1 Ta-最小化问题

4．4．2 网络稀疏化问题

4．5 网络邻接权重分布式设计

4．6 数值仿真

4．6．1 二阶一致性时间同步算法的有效陛

4．6．2 影响算法收敛因子的因素

4．6．3 EEAWD算法的有效性

4．7 本章小结

5 事件触发二阶一致性时间同步

5．1 引言

5．2 同步控制输入和事件触发函数

5．2．1 同步控制输入

5．2．2 事件触发函数

5．3 收敛性分析和触发阈值设计

5．4 网络平均通信率分析

5．5 数值仿真

5．5．1 算法有效性验证

5．5．2 影响算法同步精度和通信率的因素

5．5．3 与时间触发机制的比较

5．6 本章小结

6 实验验证

6．1 实验硬件平台介绍

6．1．1 节点设置

6．1．2 同步信息包格式

6．2 时间同步算法的实验结果

6．2．1 收敛速度

6．2．2 同步误差

6．2．3 同步能耗

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 未来展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果