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在礦井環(huán)境監(jiān)測中通常需要對礦井風(fēng)速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、硫化氫和二氧化碳等參數(shù)進(jìn)行檢測�，F(xiàn)有的監(jiān)控檢測系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)設(shè)通信線路，傳遞監(jiān)測信息。生產(chǎn)過程中礦井結(jié)構(gòu)在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對通信線路的延伸和維護(hù)提出了很高的要求。一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)就可能癱瘓。為解決上述問題，本文提出使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行礦井環(huán)境的監(jiān)測監(jiān)控。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控有三個(gè)顯著的優(yōu)勢： (1)傳感器節(jié)點(diǎn)體積小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控環(huán)境的人為影響很��； (2)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以檢測到局部環(huán)境詳細(xì)信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有采集數(shù)據(jù)全面，精度高的特點(diǎn)； (3)無線傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有一定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的監(jiān)控。 傳感器節(jié)點(diǎn)還具有無線通信的能力，可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控。節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和無線通信能力使得傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠重新編程和重新部署，對環(huán)境變化、傳感器網(wǎng)絡(luò)自身變化以及網(wǎng)絡(luò)控制指令做出及時(shí)反應(yīng)。即使礦井結(jié)構(gòu)遭到破壞，仍能自動(dòng)恢復(fù)組網(wǎng)，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的這些特點(diǎn)特別適用于礦井環(huán)境監(jiān)測。 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐跳傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測信息。各個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成監(jiān)測任務(wù)。 應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、軟硬件工作環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和定位機(jī)制都必須滿足礦井環(huán)境監(jiān)測要求。在礦井環(huán)境監(jiān)測過程中，隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)定期地將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)(如瓦斯?jié)舛�、一氧化碳濃度、風(fēng)速、井內(nèi)溫度和濕度等)發(fā)送到井外的匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過光纖、互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)即人工控制臺(tái)和自動(dòng)控制臺(tái)。人工控制臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測井下環(huán)境指標(biāo)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警消息。 1.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一種適用于礦井環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層為部署在礦井工作面上的傳感器節(jié)點(diǎn)，向上依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)和基站。根據(jù)礦井規(guī)模，基站信息還可以通過Internet連接到礦井環(huán)境監(jiān)測中心。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度通常比較大，并且部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)(如若干個(gè)礦井工作面)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)。基站負(fù)責(zé)搜集傳輸網(wǎng)絡(luò)送來的所有數(shù)據(jù)，發(fā)送到Internet，并將傳感數(shù)據(jù)的日志保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。對于大規(guī)模礦井環(huán)境集中監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)搜集到的數(shù)據(jù)通過Internet傳送到中心數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。中心數(shù)據(jù)庫提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)，科研人員可以通過接入Internet的終端使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。 1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 礦井環(huán)境監(jiān)測最基本的要求是及時(shí)有效地傳遞信息，發(fā)布預(yù)警消息，保證井下安全。為此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。完全的網(wǎng)狀拓?fù)淇刂埔膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)較多能量，為了在滿足網(wǎng)絡(luò)連通的前提下，盡可能地節(jié)約能量，在礦井的每個(gè)工作面部署的大量節(jié)點(diǎn)中選取少數(shù)節(jié)點(diǎn)作為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，打開其通信模塊，關(guān)閉非骨干節(jié)點(diǎn)的通信模塊，由骨干節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)網(wǎng)狀全連通網(wǎng)絡(luò)來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，也在很大范圍內(nèi)節(jié)約了能量。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。 骨干節(jié)點(diǎn)需要調(diào)節(jié)非骨干節(jié)點(diǎn)的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗相對較大。通常由網(wǎng)絡(luò)自身周期性地監(jiān)測各傳感器的能量狀態(tài)，并自動(dòng)更換骨干節(jié)點(diǎn)來均衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量消耗。選取所有節(jié)點(diǎn)中能量大于某一設(shè)定值的少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)作為骨干節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)選取離自己距離最近的骨干節(jié)點(diǎn)作為自己的控制節(jié)點(diǎn)。如果礦井工作面距離較遠(yuǎn)，或工作面數(shù)目多，可以在每個(gè)工作面專門部署一個(gè)能量較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)作為該工作面骨干節(jié)點(diǎn)的骨干節(jié)點(diǎn)，完成工作面之間的信息傳輸。 2 節(jié)點(diǎn)的軟硬件結(jié)構(gòu) 2.1 硬件結(jié)構(gòu) 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，處理采集到的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，采用微型電池。 通過擴(kuò)展板的方式加載一個(gè)專用的傳感器板，板上載有瓦斯?jié)舛�、濕度、風(fēng)速、一氧化碳和二氧化碳等多種傳感器，可在多種傳感器間進(jìn)行選擇和切換，滿足不同的監(jiān)測任務(wù)。 主控制器是Atmel公司的一個(gè)8位低功耗微控制器ATMEGA128L，相對于其他通用的8位微控制器來說，它具有更加豐富的資源和極低的能耗。它具有片內(nèi)128KB的程序存儲(chǔ)器(Flash)，4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM，可外擴(kuò)到64KB）和4KB的E2PROM。此外，它還有8個(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器，UART﹑SPI﹑I2C總線接口。JTAG口為開發(fā)和調(diào)試提供了方便的接口，除了正常操作模式外，它還具有6種不同等級的低能耗操作模式，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對節(jié)能的需求。無線收發(fā)器CC1000是為低電壓無線通信的應(yīng)用場合設(shè)計(jì)的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發(fā)器，通過外圍接口線路相連，完成節(jié)點(diǎn)硬件部分的構(gòu)造和功能。 2.2 軟件結(jié)構(gòu) TinyOS是面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，它采用高效的基于事件的執(zhí)行方式，使用組件模型以實(shí)現(xiàn)高效率的模塊化、構(gòu)造組件型應(yīng)用軟件。上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號通知事件的發(fā)生，最底層的組件直接跟硬件打交道。支持多跳通信的傳感器應(yīng)用程序的組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。針對硬件電路和應(yīng)用需要，增加了外圍硬件的驅(qū)動(dòng)，主要是對傳感器的控制與數(shù)據(jù)的采樣。 3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 3.1 多徑路由機(jī)制和SPEED路由協(xié)議 在礦井環(huán)境監(jiān)測中，需要定期實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸探測數(shù)據(jù)，而傳感器節(jié)點(diǎn)由于有限的能量和工作環(huán)境惡劣存在失效問題，路由協(xié)議要保證即使部分節(jié)點(diǎn)失效，整個(gè)系統(tǒng)也能正常工作�？煽康穆酚蓞f(xié)議主要從以下兩個(gè)方面考慮： (1)利用節(jié)點(diǎn)的冗余性提供多條路徑以保證通信的可靠性； (2)建立對傳輸可靠性的估計(jì)機(jī)制，從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃浴?br /> 多路徑的路由機(jī)制是保證通信可靠性的一種有效機(jī)制。其基本思想是：首先建立從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的主路徑，然后再建立多條備用路徑；數(shù)據(jù)通過主路徑進(jìn)行傳輸，同時(shí)利用備用路徑低速傳輸數(shù)據(jù)來維護(hù)路徑的有效性；當(dāng)主路徑失效時(shí)，從備用路徑中選擇次優(yōu)路徑作為新的主路徑。 為達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，可采用SPEED路由協(xié)議，該協(xié)議可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡。SPEED協(xié)議首先交換節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲，以得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況；然后節(jié)點(diǎn)利用局部地理信息和傳輸速率信息做出路由選擇，同時(shí)通過鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個(gè)全局定義的傳輸速率閾值之上。 根據(jù)實(shí)際情況，在多路徑的路由機(jī)制和SPEED路由協(xié)議之間做出權(quán)衡。在日常的定期監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋中，注重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性，采用多路徑路由機(jī)制即可滿足要求。當(dāng)突發(fā)情況產(chǎn)生，需要實(shí)時(shí)精確了解井下情況時(shí)，則需要采用SPEED路由協(xié)議。根據(jù)實(shí)際情況可通過路由協(xié)議自主切換模塊在不同的路由協(xié)議之間自由切換。 3.2 基于分簇的TDMA機(jī)制MAC協(xié)議 由于該傳感器網(wǎng)絡(luò)采用骨干節(jié)點(diǎn)、非骨干節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其底層的MAC層協(xié)議也是基于這種分簇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于在礦井這個(gè)特定的環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)不會(huì)輕易移位，即一旦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)位置穩(wěn)定，新節(jié)點(diǎn)加入的概率很小，因此可采用基于TDMA機(jī)制的MAC協(xié)議。 在基于分簇的TDMA機(jī)制MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分為感應(yīng)、轉(zhuǎn)發(fā)、感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)和非活動(dòng)四種狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)在感應(yīng)狀態(tài)時(shí)，采集數(shù)據(jù)并向其相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送；在轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；在感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，需要完成上述兩項(xiàng)功能；節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)需要接收和發(fā)送時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入非活動(dòng)狀態(tài)。 非骨干節(jié)點(diǎn)在各自的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送監(jiān)測到的數(shù)據(jù)給骨干節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸，骨干節(jié)點(diǎn)收齊它所管轄范圍內(nèi)的非骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，運(yùn)行數(shù)據(jù)融合算法來處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果直接發(fā)送給上一層骨干節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)。 在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的失效會(huì)使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。為使時(shí)槽分配能夠適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化，將一個(gè)時(shí)間幀分為周期性的四個(gè)階段:數(shù)據(jù)傳輸階段、刷新階段、刷新引起的重組階段和事件觸發(fā)的重組階段。MAC協(xié)議在刷新和重組階段重新分配時(shí)槽以適應(yīng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化。 4 定位機(jī)制 當(dāng)井下發(fā)生瓦斯泄漏事件時(shí)，必須盡快找到瓦斯泄漏點(diǎn)進(jìn)行搶修。此時(shí)探測到瓦斯?jié)舛茸罡叩墓?jié)點(diǎn)必然是距離瓦斯泄漏點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)要發(fā)送位置信息給管理節(jié)點(diǎn)。 為得到節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)位置信息，在每個(gè)工作面安裝三個(gè)或三個(gè)以上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號。無線射頻信號中含有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，而超聲波只是單純的純脈沖信號。由于射頻信號的傳輸速率遠(yuǎn)大于超聲波的傳輸速率，節(jié)點(diǎn)在接收到射頻信號時(shí)，同時(shí)打開超聲波信號接收機(jī)，根據(jù)兩種信號到達(dá)時(shí)間的間隔和各自的傳播速度，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后，利用三邊法計(jì)算節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。最后進(jìn)行修正，得到精確的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗低，可以自行組網(wǎng)，具有良好的可靠行和可維護(hù)性。它的出現(xiàn)為礦井環(huán)境監(jiān)測提供了一種部署簡單、可靠性高的全新手段。 |
