本文针对煤矿井下重大灾变应急救援传感器节点存在的抗灾性差,且灾变后信息难以获取等问题,以构建适应煤矿灾变应急救援的无线传感器节点为目标,紧密结合煤矿井下的灾变特征,对煤矿应急救援无线传感器节点关键技术展开研究。本论文完成的主要工作如下:(1)建立了煤矿应急救援无线传感器节点的灾变通信模型。首先根据煤矿灾变后的地理环境特征,提出了煤岩覆盖下的电磁波通信模型,并对433MHz和2.4GHz频段下的电磁波在煤层中的传输特性展开分析。分析结果表明电磁波在该灾变模型下的吸收常数在低频段变化趋势比较明显,在高频段趋于常数,且吸收常数与煤层电导率成正比,与围岩电导率成反比。理论计算得出,电磁波在煤层中传输距离远大于正常巷道中节点部署的间距和通信覆盖范围,因此电磁波能够保证煤岩覆盖下节点之间的正常可靠通信。(2)设计了煤矿应急救援无线传感器节点功能性硬件并对其节点功能展开测试。首先提出了无线传感器节点的功能性硬件架构,主要包括数据采集模块、数据处理和控制模块、两个通信模块和供电模块,并对各模块进行元件选型和电路设计,提出相应的电路抗干扰措施,根据所设计的电路绘制节点PCB板,完成节点电路板实物制作;紧接着对节点展开硬件功能测试,利用LABVIEW设计节点硬件测试上位机软件,并进一步设计了射频切换控制算法,解决了节点间射频切换同步性问题;最后开展硬件功能测试。测试结果验证了射频切换控制算法和节点测试上位机软件的可行性,也进一步说明所设计的节点满足功能要求。(3)设计了煤矿应急救援无线传感器节点抗灾保护装置,并且在灾变的三种工况下对保护装置进行可靠性理论分析。主要包括自由落体分析、巷道塌方分析以及瓦斯爆炸分析。分析结果表明本文设计的节点抗灾保护装置能够保证节点在灾后的安全性,并进一步加工制作了保护装置的硬件实物,为今后进一步开展实验研究奠定基础。(4)提出了煤矿应急救援无线传感器节点组网策略,首先根据煤矿井下巷道地理特征,在建立矿井巷道中传感器节点感知覆盖模型基础上,提出一种三维线型分区覆盖拓扑控制策略。并根据所设计的拓扑控制策略展开路由算法研究,提出一种基于分簇及数据融合机制的负载能耗均衡路由算法。其中所提出的拓扑控制策略可根据巷道特征参数、节点模型参数和节点部署数量,计算节点部署的空间位置和网络覆盖度。所提出基于分簇及数据融合机制的负载能耗均衡路由算法相比传统算法的网络寿命提高46.8%,能耗更低,变化趋势更为平缓。