技术领域
[0001] 本发明涉及矿井或隧道中或其自身的安全技术领域，具体而言，涉及一种智慧型煤许起爆器低功耗数据通讯方法。
相关背景技术
[0002] 煤许起爆器是一种用于矿井或隧道爆破作业的装置，它能够精确控制爆炸的时间和顺序，以实现更有效的岩石破碎和减少振动对周围环境的影响。这种起爆器通常需要与监控系统进行数据通讯，以便上传爆破参数、接收指令和下载爆破日志等。由于矿井和隧道环境的特殊性，这些设备往往需要在没有外部电源的情况下长时间工作，因此低功耗的数据通讯方法对于保证设备的可靠性和安全性至关重要。
[0003] 煤矿许用电子雷管起爆器，简称“煤许起爆器”，是一种专门用于煤矿井下爆破作业的先进设备。它利用电子控制技术，能够精确地控制爆炸时机和顺序，显著提高了爆破的安全性和效率。与传统的瞬发或延时电雷管相比，电子雷管具有数码控制、可编程特点，可以根据实际需求设置不同的引爆时间和爆炸序列，有效减少爆破振动和飞石，保护周边结构安全。
[0004] 中国发明专利申请号：CN201210015859.0所提出的一种煤矿许用的智能起爆器和智能起爆方法。其中的煤矿许用的智能起爆器包括微处理器、定位模块、通信模块、煤尘瓦斯探测器和起爆模块。采用本发明的煤矿许用的智能起爆器和起爆方法，能够对散装炸药、包装炸药、起爆器材和资质信息进行监控，只有在符合爆破条件时，由远程监控中心发出起爆许可信息，才允许起爆。能够有效防止不合理、不合法爆破的发生，对维护社会的安全稳定起到了积极的作用，实现对爆炸物品的全生命周期的监管。
[0005] 但是现有的起爆器低功耗数据通讯方法在使用的过程中存在一些不足之处仍需要进行改进，首先现有技术往往不加密，这极易使数据在传输过程中遭到截获或篡改。缺乏强有力的加密措施，使得敏感信息如爆破参数和控制指令等容易泄露，增加了安全隐患。此外，数据的完整性常常未能得到充分保证，易受干扰和错误影响。
[0006] 传统的通讯方法可能未能有效应对网络拥堵和信号干扰，导致数据传输效率低下，以及在关键时刻出现通信中断或数据丢包的情况。这些问题影响了系统的实时响应能力和操作效率，增加了作业中断和失败的风险。
[0007] 在现有技术中，许多设备缺乏有效的能耗管理机制，导致在非工作状态下仍然消耗大量电能。这不仅缩短了设备的使用寿命，也增加了维护成本，尤其是在无法频繁更换电源的远程或难以触及的矿区更是如此。因此我们提出一种智慧型煤许起爆器低功耗数据通讯方法。
具体实施方式
[0025] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0026] 因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合，应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0027] 实施例1：请参阅图1‑图3，一种智慧型煤许起爆器低功耗数据通讯方法，包括以下步骤：S1、数据加密：将需要传输的数据通过加密算法进行加密处理，加密算法包括对称加密，所述对称加密算法为： ；其中E（x）表示加密函数，S（x）为置换函数，K表示密钥；S2、数据打包：将加密后的数据进行打包处理，每个数据包包含一个数据头和一个数据尾，数据头包含数据包的长度、序列号、目标地址基本信息，后接收端正确解析数据；数据尾包含数据包的校验信息，校验信息包括CRC校验码，用于接收端验证数据包的完整性；S3、数据发送：将打包后的数据通过无线网络wifi发送出去；S4、数据接收与确认：接收端接收到数据后，先根据数据尾的校验信息验证数据包的完整性，通过CRC校验，然后进行解密处理，还原出原始数据；接收端还会发送一个简短的确认信号给发送端，表示数据已成功接收；S5、数据反馈：接收端将接收到的数据进行处理后，生成反馈信息，通过相同的方式发送回发送端，发送端根据反馈信息进行相应的处理，并调整数据采集频率或修正数据错误；S6、节能策略：通过动态功耗管理，在数据传输不频繁时，智慧型煤许起爆器进入休眠状态，只在预定的时间间隔内唤醒以接收或发送数据，设备在不传输数据时进入休眠状态，减少待机功耗至0.01mW；S7、网络自适应：通过网络自适应机制，根据当前网络状况动态调整数据传输速率和功率，在网络拥堵时降低数据包的发送频率。S11、加密算法：使用256位密钥长度的AES算法对数据进行初步加密，然后使用2048位的RSA算法对AES密钥进行加密；S12、处理速度：优化算法的处理速度，使加密和解密操作的平均处理时间不超过1ms，适应快速数据传输需求。S21、数据头：包含数据包的长度（16位）、序列号（32位）、目标地址（64位）；
S22、数据尾：包含24位的CRC校验码，用于接收端验证数据包的完整性。S31、传输协议：使用UDP协议传输数据包，以减少网络延迟；S32、发送功率：根据距离和环境因素，自动调节WiFi发送功率在10mW至100mW之间。S41、完整性验证：使用CRC校验码验证数据包的完整性；S42、解密处理：用RSA私钥解密得到AES密钥，再用AES密钥解密数据；S43、确认信号：接收端发送一个包含接收状态的简短确认信号给发送端，该信号加密后发送，确认信号的长度不超过
32字节。S51、反馈信息：包括数据处理结果和错误信息；S52、传输方式：与数据发送使用相同的加密和传输方式。S61、动态功耗管理过程中设备在休眠状态的能耗公式计算：
；其中，Psleep是休眠状态下的功率消耗，v是电压，Lsleep是休眠状态下的电流；
S62、唤醒机制：设定预设每30分钟间隔自动唤醒，检查并接收数据。S7、网络自适应，根据网ln(1+SNR)
络状况动态调整数据传输速率，表示为：R=B ；其中，R是数据传输速率，B是信道带宽，SNR是信号噪声比。S71、速率调整：根据网络拥堵状况，动态调整数据包的发送频率，频率为1Hz‑10Hz。S72、功率控制：网络信号质量良好时，降低发送功率至最低有效水平。
[0028] 实施例2：一种智慧型煤许起爆器低功耗数据通讯方法，包括以下步骤：S1、数据加密：将需要传输的数据进行加密处理，采用自主研发的独有加密算法，该算法包括对称加密，加密算法：对称加密算法为： ；其中E（x）表示加密函数，S（x）为置换函数，K表示密钥；加密算法不仅保证了数据的安全性和完整性，而且优化了加密和解密的速度，从而适用于低功耗设备；S11、加密算法：使用256位密钥长度的AES算法对数据进行初步加密，然后使用2048位的RSA算法对AES密钥进行加密；S12、处理速度：优化算法的处理速度，使加密和解密操作的平均处理时间不超过1ms，适应快速数据传输需求。S2、数据打包：将加密后的数据进行打包处理，每个数据包包含一个数据头和一个数据尾，数据头包含数据包的长度、序列号、目标地址基本信息，以便于接收端正确解析数据；数据尾包含数据包的校验信息，如CRC校验码，用于接收端验证数据包的完整性；S21数据头：包含数据包的长度（16位）、序列号（32位）、目标地址（64位）。S22数据尾：包含24位的CRC校验码，用于接收端验证数据包的完整性。S3、数据发送：将打包后的数据通过无线网络wifi发送出去；S31、传输协议：使用UDP协议传输数据包，以减少网络延迟。S32、发送功率：根据距离和环境因素，自动调节WiFi发送功率在10mW至100mW之间。S4、数据接收与确认：接收端接收到数据后，先根据数据尾的校验信息验证数据包的完整性，如通过CRC校验，然后进行解密处理，还原出原始数据；接收端还会发送一个简短的确认信号给发送端，表示数据已成功接收；S41、完整性验证：使用CRC校验码验证数据包的完整性。S42、解密处理：用RSA私钥解密得到AES密钥，再用AES密钥解密数据。S43、确认信号：接收端发送一个包含接收状态的简短确认信号给发送端，该信号加密后发送，确认信号的长度不超过32字节。S5、数据反馈：接收端将接收到的数据进行处理后，生成反馈信息，通过相同的方式发送回发送端，发送端根据反馈信息进行相应的处理，如调整数据采集频率或修正数据错误；S51、反馈信息：包括数据处理结果和可能的错误信息。S52、传输方式：与数据发送使用相同的加密和传输方式。S6、节能策略：为了进一步降低功耗，本发明还采用了动态功耗管理策略，如在数据传输不频繁时，智慧型煤许起爆器进入休眠状态，只在预定的时间间隔内唤醒以接收或发送数据，从而大大减少能量消耗；S61、休眠模式：设备在不传输数据时进入休眠状态，减少待机功耗至0.01mW；设备在休眠状态的能耗公式计算： ；其中，Psleep是休眠状态下的功率消耗，v是电压，Lsleep是休眠状态下的电流。S62、唤醒机制：设定预设时间间隔（如每30分钟）自动唤醒，检查并接收数据。S7、网络自适应：本发明的方法还包括一个网络自适应机制，能够根据当前网络状况动态调整数据传输速率和功率，例如在网络拥堵时降低数据包的发送频率，以保证数据通讯的稳定性和可靠性。
[0029] 网络自适应，根据网络状况动态调整数据传输速率，表示为：R=Bln(1+SNR) ；其中，R是数据传输速率，B是信道带宽，SNR是信号噪声比。S71、速率调整：根据网络拥堵状况，动态调整数据包的发送频率，频率为1Hz‑10Hz。S72、功率控制：当网络信号质量良好时，降低发送功率至最低有效水平，减少能耗。
[0030] 本发明通过采用256位AES和2048位RSA的混合加密策略，显著增强了数据在传输过程中的安全性。AES提供了快速的数据加密能力，而RSA则确保了密钥交换的安全性。这种方法有效防止了数据在传输过程中被截获和篡改，保障了数据的完整性和机密性，特别适用于煤矿等高安全需求的环境。
[0031] 通过实施UDP协议和自适应网络策略，本发明优化了数据传输的效率和可靠性。UDP协议减少了数据传输的延迟，提高了传输速度，而动态调整传输频率和功率则根据网络状况优化了数据包的发送，降低了因网络拥堵导致的数据丢包和错误率，从而提高了整个通信系统的响应速度和可靠性。
[0032] 本发明的节能策略，通过在数据传输不频繁时使设备进入休眠状态，极大地降低了设备的待机功耗。具体到0.01mW的休眠功耗和预定时间唤醒机制，使得设备能够在保持功能完整的同时，显著延长电池寿命和设备运行时间，特别适用于需要长时间独立运行的煤矿爆破设备。
[0033] 网络自适应机制使得本发明能够根据当前的网络环境动态调整数据传输策略，这不仅提高了系统的稳定性和可靠性，还增加了系统的适应性和灵活性。随着矿区网络环境的变动，系统可以自动调节，确保最优的运行状态，从而适应各种复杂多变的实际应用场景。
[0034] 由于本发明的智慧型煤许起爆器低功耗数据通讯方法高度自动化和智能化，它减少了对人工干预的需求，降低了操作复杂性和维护成本。自动化的数据处理、反馈信息生成和动态功耗管理简化了日常操作，使得非专业人员也能轻松管理和监控爆破设备的运行状态。
[0035] 通过建立有效的数据反馈机制，本发明能够及时处理接收端的数据并回传反馈信息，使得发送端可以根据实际情况调整数据采集频率或修正数据错误。这种双向通信机制增强了系统的互动性和容错能力，提高了整体的工作效率和准确性。
[0036] 实验例：
[0037] 实验目标：验证数据加密与安全性；测试数据传输的效率和可靠性；评估设备的能耗管理；检验网络自适应能力。
[0038] 实验设置；
[0039] 1.设备配置：智慧型煤许起爆器配备低功耗数据通讯系统；使用带有WiFi模块的控制器，支持UDP协议；设备装有电量监测模块，用于记录能耗数据。
[0040] 2.环境设置：
[0041] 模拟煤矿环境，包括不同距离和障碍物设置；网络环境可调整以模拟不同的网络质量（如信号强度和拥堵情况）。
[0042] 3.数据采集与分析工具：
[0043] 数据记录器：记录所有传输的数据包及时间戳。
[0044] 能耗监测软件：实时记录设备的能耗数据。
[0045] 网络分析工具：监控网络状况，包括信号强度和带宽。
[0046] 实验步骤：
[0047] 1.初始配置：
[0048] 设定起爆器设备，配置AES和RSA加密密钥；预设CRC校验码生成和验证算法；配置UDP传输协议，设置初始WiFi发送功率为50mW。
[0049] 2.数据加密与传输测试：
[0050] 从起爆器发送1000个数据包到接收端，每个包含加密的有效数据和CRC校验码；记录数据传输的时间、成功率和错误率。
[0051] 3.能耗测试：
[0052] 在连续运行8小时内，每30分钟记录一次能耗数据；记录休眠状态和唤醒状态下的能耗数据。
[0053] 4.网络自适应测试：
[0054] 模拟网络拥堵，逐步降低网络质量；观察并记录数据传输频率的调整和功率控制的变化。
[0055] 实验数据1：
[0056] 数据加密与传输测试结果：序号 数据包发送总数 成功传输数据包 传输成功率 加密解密平均处理时间 CRC校验成功率
1 1000 998 99.8% 0.8 ms 99.95%
2 1000 997 99.7% 0.85 ms 99.96%
3 1000 999 99.9% 0.75 ms 99.94%
[0057] 能耗测试结果：时间段 休眠状态功耗 (mW) 唤醒状态功耗 (mW) 测试阶段
第1小时 0.012 50 初始测量
第4小时 0.011 49 稳定运行
第8小时 0.013 51 结束前测量
平均 0.012 50
[0058] 实验数据2：
[0059] 1.数据加密与传输测试结果：
[0060] 2.能耗测试结果：
[0061] 3.网络自适应测试结果：
[0062] 通过这些实验，我们能够验证智慧型煤许起爆器低功耗数据通讯方法的多个关键性能指标。实验数据显示，本发明在数据安全性、传输效率、能耗管理和网络自适应等方面均表现优异，满足了设计初的期望和要求，适用于实际的矿业应用环境中。
[0063] 以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。
