煤矿安全生产对环境监测、无线语音通信和无线视频监视有迫切的需求。无线多媒体传感器网络(WMSNs)是在传统无线传感器网络基础上引入了音频、图像和视频等多媒体应用的新型传感器网络。WMSNs具有方便快捷的无线接入、灵活多变的拓扑结构和丰富的多媒体感知能力。为此,提出在煤矿井下构建WMSNs,以进一步提高煤矿井下环境监测、无线语音通信和无线视频监视的能力,保障煤矿井下的安全生产。本文围绕煤矿井下WMSNs中的MAC层、路由层和应用层等关键问题展开了深入研究,研究内容涵盖了区分服务的QoS-MAC协议、区分服务的路由协议、单摄像机视频定位算法以及多摄像机视频协作定位算法等几个方面。本论文的主要工作和创新点如下:1、归纳了煤矿井下传感数据业务、语音业务和视频业务的发送频次、带宽、时延和方向等特点以及对网络服务质量保障的要求,提出了一种煤矿井下WMSNs区分服务的QoS-MAC协议。通过为传感数据业务、语音业务和视频业务设计不同的竞争窗口,实现了 3种多媒体业务的区分服务,可保障3种多媒体业务不同的服务质量需求。建立了 3种多媒体业务退避级数和退避时间计数器的Markov链模型,分析了区分服务的QoS-MAC协议的饱和吞吐量和MAC层接入时延方面的性能。仿真结果表明,在低负载状态下和高负载状态下,所提出的煤矿井下区分服务的QoS-MAC协议可以通过减小视频业务的吞吐量来增加传感数据业务和语音业务的吞吐量,通过增大视频业务的时延来减小传感数据业务和语音业务的时延。2、针对煤矿井下传感数据业务、语音业务和视频业务对传输时延、传输丢包率和传输能耗不同的服务质量需求,提出了一种煤矿井下WMSNs区分服务的路由协议。通过采用线性加权法在传输时延、传输丢包率和传输能耗归一化子服务质量评价函数上设置不同的权重,分别构建3种多媒体业务的总服务质量评价函数。依次按照传感数据业务最先、语音业务次之和视频业务最后的顺序,通过采用标记法分别利用改进差分进化算法优化3种多媒体业务总服务质量评价函数,来获得3种多媒体业务的传输路径。仿真结果表明,采用所提出的煤矿井下无线多媒体传感器网络区分服务的路由协议,获得了 3条节点不相交路径,实现了煤矿井下3种多媒体业务的区分服务,保障了 3种多媒体业务对传输时延、传输丢包率和传输能耗不同的服务质量需求。3、针对煤矿井下光照强度低和井下巷道狭长的特点,提出了一种面向煤矿井下带状结构巷道场景的WMSNs单摄像机视频定位算法。摄像机沿着带状结构巷道纵向部署,各自独立监测井下巷道的不同区域。在光照强度低的井下巷道,摄像机通过形态学图像处理的方法来检测井下作业人员头部,并计算井下作业人员头部在巷道地面上的映射点,建立映射点与摄像机在巷道地面垂直投影所构成的直线。基于三角形相似原理,根据映射点与摄像机在巷道地面垂直投影的距离,摄像机距离巷道地面的高度以及井下作业人员的身高,计算井下作业人员距离摄像机在巷道地面垂直投影的距离。最后根据井下作业人员所在直线以及井下作业人员距离摄像机在巷道地面垂直投影的距离,计算井下作业人员的位置信息,从而实现在光照强度低的带状结构巷道中对井下作业人员进行定位。在实际巷道的测试结果表明,单摄像机视频定位算法对井下作业人员定位的平均误差为0.37 m。4、针对煤矿井下光照强度低和井下巷道狭长且具有较多分岔结构的特点,提出了一种面向煤矿井下巷道岔道口场景的WMSNs矿灯多节点视频协作定位算法。在巷道岔道口沿巷道纵向方向面相巷道分岔区域交叉布置多个摄像机节点,所布置的摄像机以无线的方式自组织形成簇。将矿灯作为井下作业人员的特征识别物,多个摄像机同时检测到矿灯并计算矿灯在各自摄像机成像平面上的映射点。所有检测到矿灯的摄像机通过摄像机自身的位置与矿灯在摄像机成像平面上的映射点,建立摄像机与矿灯映射点所构成的直线表达式,簇头节点融合各个摄像机与映射点所构成的直线,采用最小二乘法求取所有摄像机与映射点所构成的直线的最优交叉点获得矿灯的三维位置坐标,实现对井下作业人员的定位。通过摄像机对运动状态下的矿灯进行连续定位,可估计并预测井下作业人员的运动轨迹,实现对井下作业人员的跟踪。在走廊和地下巷道场景的实验结果表明,提出的矿灯视频协作定位算法在井下巷道实际情况下具有良好的有效性,鲁棒性和定位精度。