本书重点论述了无线传感器网络技术在钨矿中的应用。结合钨矿开采的特点，设计了一种钨矿监测系统，用来监测钨矿井下环境及作业人员，可以提高生产效率和开采安全性。主要通过研究数据融合算法和LEACH协议，延长网络寿命；仿真UWB信号井下传输，指导进行节点布局；通过上位机编程实现监测功能。该系统性能稳定，可靠性高，对于提升钨矿开采的安全性和效率有明显效果。 本书内容深入浅出、概念清晰明了、阅读流畅，理论和实际应用相结合，是一本比较全面、系统、深入介绍无线传感器网络的著作。

序 目前，经过实地考察当地一些钨矿，发现现在钨矿监测系统存在诸多缺陷与不足，已成为制约钨矿安全生产水平的瓶颈问题，传统钨矿监测系统的升级换代迫在眉睫。由于无线传感器网络（WSN）具有分布式的环境感知能力，基于无线通信技术、简单灵活的部署方式，使得WSN应用于钨矿监测系统将极大地提高钨矿开采的效率和安全。 WSN是一个动态网络，具有动态拓扑组织功能，能实现对钨矿监测区域的完全覆盖，保证整个网络的连通。钨矿井下环境复杂，电磁干扰严重，信息采集困难，井下作业危险性高，因此要求钨矿监测系统能耗少、网络寿命长、信息采集准确、传输可靠。本书阐述基于无线传感器网络技术的钨矿监测系统设计与研究，研究内容包括以下3个方面：①数据融合算法与改进型LEACH协议相结合研究；②超宽带（UWB）信号在钨矿矿井下的传输仿真研究；③钨矿监测系统设计研究。基于数据融合技术的数据处理，使其能耗少、节点的生命周期更长，以及Sink节点接收的总数据量更多。超宽带信号在矿井的传输仿真，可以有效地指导无线传感器网络节点布局，使矿井无线传感器网络节点分布密度高、具有灵活的动态拓扑组网方式、低功耗等优点，能很好地解决钨矿生产现场布线困难、监测节点损坏、传输距离和能量受限等问题，整个监测系统可以较好地实现钨矿监测功能。 本书分为六章，第1章是钨矿无线传感器网络技术应用绪论，概要地介绍其研究的背景及意义、现状及发展和本书各章结构安排等；第2章是数据融合技术在无线传感器网络的应用研究；第3章是LEACH路由协议的研究与改进，包括算法改进、仿真与分析；第4章是超宽带无线传感器网络在矿井中的仿真研究；第5章是钨矿监测系统方案设计；第6章是总结与展望。全书由樊宽刚、何学文统筹规划，樊宽刚做最后整理，本书部分研究内容来自郑乐平、孙汗、盛颖飞的硕士论文，其中郑乐平参与了第2章、第3章的编写工作，孙汗参与了第4章的编写工作，盛颖飞参与了第5章的编写工作，石油工业出版社科技图书出版分社的王瑞负责全书各章的布局规划安排、文字校对、图像编辑，此外，无线传感器网络高技术实验室人员曾萍同学和张艳同学也对本书的编写付出了辛勤劳动，同时也感谢其他人员的大力支持。 本书可以为钨矿井下监测系统的设计提供技术支持，作为设计参考，指导本科生进入相关领域，开拓视野，也可以作为研究生和工程技术人员的教材和参考书，使读者了解WSN技术的应用、数据融合算法与改进型LEACH协议相结合方法和UWB信号在矿井的应用。本书凝聚了作者的研究成果，若有疏漏请读者指正。同时，感谢直接或间接对本书作出贡献的所有人。

目录 第1章 钨矿无线传感器网络技术应用绪论 1 1.1 课题的研究背景及意义 1 1.1.1 课题背景 1 1.1.2 无线传感器网络技术的发展 5 1.1.3 学术价值及对社会、经济发展和科技进步的意义 8 1.2 国内外研究现状及发展动态分析 9 1.2.1 WSN国外研究现状 9 1.2.2 国内研究现状 13 1.2.3 基于无线传感器网络的安全监测预警系统的研究现状 19 1.2.4 发展动态分析 21 1.3 影响钨矿安全运行的危险因素及其灾害形式 23 1.4 预期结果和意义 24 1.5 研究内容 26 1.6 各章结构安排 27 第2章 数据融合技术在无线传感器网络中的应用研究 28 2.1 无线传感器网络数据融合技术基本理论 28 2.1.1 数据融合概念和作用 28 2.1.2 数据融合分类 30 2.1.3 数据融合相关技术 31 2.1.4 数据融合在无线传感器网络中的应用 31 2.1.5 数据融合技术的负面影响 33 2.2 无线传感器网络路由协议 34 2.2.1 路由协议概述 34 2.2.2 WSN路由协议的特点 35 2.2.3 路由协议关键技术问题 36 2.2.4 路由协议的分类 36 2.2.5 典型路由协议分析 38 2.3 数据融合结构模型 40 2.4 低层次数据融合算法 42 2.4.1 数据预处理 42 2.4.2 顺序加权数据融合算法 44 2.4.3 算法仿真分析 45 2.4.4 实例仿真结果对比分析 47 2.5 高层次数据融合算法 48 2.5.1 BP神经网络的基本原理 49 2.5.2 BP神经网络关键问题分析 51 2.5.3 BP神经网络数据融合模型 56 2.5.4 仿真结果分析 57 2.6 数据融合算法对网络能耗的影响 60 2.7 本章小结 61 第3章 LEACH路由协议的研究与改进 62 3.1 LEACH协议网络、能耗模型 63 3.1.1 LEACH协议概述 63 3.1.2 LEACH协议网络模型 64 3.1.3 LEACH协议能耗模型 64 3.2 LEACH协议算法描述 65 3.3 LEACH协议的优点以及存在的不足 68 3.4 LEACH协议的改进 70 3.4.1 节点个数 70 3.4.2 节点能量的选择 72 3.4.3 簇头节点的选择 73 3.5 协议的仿真与分析 76 3.5.1 仿真环境与参数 76 3.5.2 网络性能评估 77 3.5.3 仿真结果与分析 79 3.6 本章小结 86 第4章 超宽带无线传感器网络在矿井中的仿真研究 87 4.1 超宽带技术简介 87 4.1.1 UWB定义 87 4.1.2 UWB无线传输系统 89 4.1.3 UWB信号调制技术 90 4.2 WSN的基本概念 94 4.3 UWB无线传感器网络技术 96 4.3.1 UWB无线传感器网络的系统基本结构 96 4.3.2 UWB无线传感器网络的优点 97 4.4 UWB无线传感器网络支撑的关键技术 98 4.4.1 UWB无线传感器网络的MAC协议 98 4.4.2 UWB无线传感器网络的路由技术 100 4.5 矿井超宽带无线传感器网络的系统方案设计 101 4.6 矿井超宽带无线传感器网络脉冲波形的研究 103 4.6.1 矿井UWB通信系统方案的确立 103 4.6.2 UWB系统脉冲信号波形的研究 104 4.6.3 传输距离与脉冲信号数据传输速率及发射功率的关系 109 4.6.4 适合矿井UWB通信系统单脉冲波形 113 4.7 矿井超宽带无线传感器网络的路径损耗模型 114 4.7.1 钨矿矿井环境描述 115 4.7.2 矿井下电磁波的传播方式 116 4.7.3 矿井巷道中电磁波传输的固有损耗 117 4.7.4 矿井巷道中电磁波传输的附加损耗 121 4.7.5 矿井UWB的路径损耗模型 124 4.8 矿井超宽带无线传感器网络节点收发信机的研究 130 4.8.1 脉冲UWB发射机的设计 130 4.8.2 脉冲UWB接收机设计 135 4.8.3 电路仿真与结果分析 139 4.9 矿井UWB天线的设计 140 4.9.1 UWB天线设计要求 140 4.9.2 矿井UWB微带贴片天线结构设计 141 4.9.3 矿井UWB微带贴片天线性能分析 142 4.9.4 脉冲超宽带系统模型 145 4.10 本章小结 146 第5章 钨矿监测系统方案设计 148 5.1 监测系统总体架构设计 148 5.2 底层数据采集系统 151 5.2.1 浸润线监测 151 5.2.2 库水位监测 153 5.2.3 坝体位移监测 154 5.2.4 温湿度监测 155 5.2.5 监测点分布 156 5.2.6 矿区防雷设计 157 5.3 Zigbee传输网络拓扑结构 158 5.4 上位机管理系统设计 160 5.5 簇树型Zigbee组网路由算法的改进 161 5.5.1 Cluster-Tree路由算法研究 161 5.5.2 Cluster-Tree路由算法的改进与仿真分析 164 5.6 安全监测预警硬件系统设计 175 5.6.1 无线通信模块与信号调理电路设计 175 5.6.2 终端节点及协调器节点外围电路设计 182 5.7 软件系统设计思想 189 5.7.1 传感器节点软件设计 190 5.7.2 通信程序设计 196 5.7.3 上位机管理系统设计 199 5.7.4 系统整体测试 213 5.8 本章小结 217 第6章 总结与展望 219 6.1 总结 219 6.2 展望 222 参考文献 225