|
在礦井環(huán)境監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進(jìn)行檢測�，F有的監控檢測系統需要在礦井內設通信線(xiàn)路，傳遞監測信息。生產(chǎn)過(guò)程中礦井結構在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對通信線(xiàn)路的延伸和維護提出了很高的要求。一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個(gè)監測系統就可能癱瘓。為解決上述問(wèn)題，本文提出使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行礦井環(huán)境的監測監控。使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行環(huán)境監控有三個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)勢： (1)傳感器節點(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 )對監控環(huán)境的人為影響很��； (2)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量大，分布密度高，每個(gè)節點(diǎn)可以檢測到局部環(huán)境詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡(luò )具有采集數據全面，精度高的特點(diǎn)； (3)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復雜的監控。 傳感器節點(diǎn)還具有無(wú)線(xiàn)通信的能力，可以在節點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同監控。節點(diǎn)的計算能力和無(wú)線(xiàn)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。即使礦井結構遭到破壞，仍能自動(dòng)恢復組網(wǎng)，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身的這些特點(diǎn)特別適用于礦井環(huán)境監測。 1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的框架結構 傳感器網(wǎng)絡(luò )系統通常包括傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)和管理節點(diǎn)。大量的傳感器節點(diǎn)隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過(guò)自組織方式組成網(wǎng)絡(luò )。各個(gè)傳感器節點(diǎn)監測的數據沿著(zhù)其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行逐跳傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節點(diǎn)。用戶(hù)通過(guò)管理節點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監測任務(wù)以及收集監測信息。各個(gè)節點(diǎn)協(xié)作完成監測任務(wù)。 應用于礦井環(huán)境監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，其系統結構、拓撲結構、節點(diǎn)結構、軟硬件工作環(huán)境、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和定位機制都必須滿(mǎn)足礦井環(huán)境監測要求。在礦井環(huán)境監測過(guò)程中，隨機分布的傳感器節點(diǎn)定期地將監測到的數據(如瓦斯濃度、一氧化碳濃度、風(fēng)速、井內溫度和濕度等)發(fā)送到井外的匯聚節點(diǎn)。匯聚節點(diǎn)通過(guò)光纖、互聯(lián)網(wǎng)或衛星將數據傳輸到管理節點(diǎn)即人工控制臺和自動(dòng)控制臺。人工控制臺對數據進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)準確監測井下環(huán)境指標，及時(shí)發(fā)布預警消息。 1.1 網(wǎng)絡(luò )系統結構 一種適用于礦井環(huán)境監測的傳感器網(wǎng)絡(luò )系統結構如圖1所示。這是一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò )結構，最底層為部署在礦井工作面上的傳感器節點(diǎn)，向上依次為傳輸網(wǎng)絡(luò )和基站。根據礦井規模，基站信息還可以通過(guò)Internet連接到礦井環(huán)境監測中心。為獲得準確的數據，傳感器節點(diǎn)的部署密度通常比較大，并且部署在若干個(gè)不相鄰的監測區域內(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 )是負責協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò )�；矩撠熕鸭瘋鬏斁W(wǎng)絡(luò )送來(lái)的所有數據，發(fā)送到Internet，并將傳感數據的日志保存到本地數據庫中。對于大規模礦井環(huán)境集中監測系統，傳感器節點(diǎn)搜集到的數據通過(guò)Internet傳送到中心數據庫存儲。中心數據庫提供遠程數據服務(wù)，科研人員可以通過(guò)接入Internet的終端使用遠程數據服務(wù)，對數據進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。 1.2 拓撲結構 礦井環(huán)境監測最基本的要求是及時(shí)有效地傳遞信息，發(fā)布預警消息，保證井下安全。為此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用網(wǎng)狀拓撲結構。完全的網(wǎng)狀拓撲控制要消耗傳感器節點(diǎn)較多能量，為了在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )連通的前提下，盡可能地節約能量，在礦井的每個(gè)工作面部署的大量節點(diǎn)中選取少數節點(diǎn)作為骨干網(wǎng)節點(diǎn)，打開(kāi)其通信模塊，關(guān)閉非骨干節點(diǎn)的通信模塊，由骨干節點(diǎn)建立一個(gè)網(wǎng)狀全連通網(wǎng)絡(luò )來(lái)負責數據的路由轉發(fā)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內的數據通信，也在很大范圍內節約了能量。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖2所示。 骨干節點(diǎn)需要調節非骨干節點(diǎn)的工作，負責數據的融合和轉發(fā)，能量消耗相對較大。通常由網(wǎng)絡(luò )自身周期性地監測各傳感器的能量狀態(tài)，并自動(dòng)更換骨干節點(diǎn)來(lái)均衡網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)能量消耗。選取所有節點(diǎn)中能量大于某一設定值的少數幾個(gè)節點(diǎn)作為骨干節點(diǎn)，其余節點(diǎn)選取離自己距離最近的骨干節點(diǎn)作為自己的控制節點(diǎn)。如果礦井工作面距離較遠，或工作面數目多，可以在每個(gè)工作面專(zhuān)門(mén)部署一個(gè)能量較強的節點(diǎn)作為該工作面骨干節點(diǎn)的骨干節點(diǎn)，完成工作面之間的信息傳輸。 2 節點(diǎn)的軟硬件結構 2.1 硬件結構 節點(diǎn)硬件結構如圖3所示，傳感器節點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和能量供應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個(gè)傳感器節點(diǎn)，處理采集到的數據以及其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據；無(wú)線(xiàn)通信模塊負責與其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制信息和收發(fā)采集數據；能量供應模塊為傳感器節點(diǎn)提供運行所需的能量，采用微型電池。 通過(guò)擴展板的方式加載一個(gè)專(zhuān)用的傳感器板，板上載有瓦斯濃度、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(mǎn)足不同的監測任務(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(lái)說(shuō)，它具有更加豐富的資源和極低的能耗。它具有片內128KB的程序存儲器(Flash)，4KB的數據存儲器(SRAM，可外擴到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)/計數器，UART﹑SPI﹑I2C總線(xiàn)接口。JTAG口為開(kāi)發(fā)和調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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對節能的需求。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器CC1000是為低電壓無(wú)線(xiàn)通信的應用場(chǎng)合設計的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發(fā)器，通過(guò)外圍接口線(xiàn)路相連，完成節點(diǎn)硬件部分的構造和功能。 2.2 軟件結構 TinyOS是面向傳感器網(wǎng)絡(luò )的操作系統，它采用高效的基于事件的執行方式，使用組件模型以實(shí)現高效率的模塊化、構造組件型應用軟件。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用程序的組件結構如圖4所示。針對硬件電路和應用需要，增加了外圍硬件的驅動(dòng)，主要是對傳感器的控制與數據的采樣。 3 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議 3.1 多徑路由機制和SPEED路由協(xié)議 在礦井環(huán)境監測中，需要定期實(shí)時(shí)準確地傳輸探測數據，而傳感器節點(diǎn)由于有限的能量和工作環(huán)境惡劣存在失效問(wèn)題，路由協(xié)議要保證即使部分節點(diǎn)失效，整個(gè)系統也能正常工作�？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機制，從而保證每跳傳輸的可靠性。 多路徑的路由機制是保證通信可靠性的一種有效機制。其基本思想是：首先建立從數據源節點(diǎn)到匯聚節點(diǎn)的主路徑，然后再建立多條備用路徑；數據通過(guò)主路徑進(jìn)行傳輸，同時(shí)利用備用路徑低速傳輸數據來(lái)維護路徑的有效性；當主路徑失效時(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)現端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò )擁塞控制以及負載平衡。SPEED協(xié)議首先交換節點(diǎn)的傳輸延遲，以得到網(wǎng)絡(luò )負載情況；然后節點(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(guò)鄰居反饋機制保證網(wǎng)絡(luò )傳輸速率在一個(gè)全局定義的傳輸速率閾值之上。 根據實(shí)際情況，在多路徑的路由機制和SPEED路由協(xié)議之間做出權衡。在日常的定期監測數據反饋中，注重數據的準確可靠性，采用多路徑路由機制即可滿(mǎn)足要求。當突發(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。根據實(shí)際情況可通過(guò)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機制MAC協(xié)議 由于該傳感器網(wǎng)絡(luò )采用骨干節點(diǎn)、非骨干節點(diǎn)的拓撲結構，即分簇的拓撲結構，其底層的MAC層協(xié)議也是基于這種分簇的結構設計。由于在礦井這個(gè)特定的環(huán)境中，節點(diǎn)不會(huì )輕易移位，即一旦拓撲結構穩定，節點(diǎn)位置穩定，新節點(diǎn)加入的概率很小，因此可采用基于TDMA機制的MAC協(xié)議。 在基于分簇的TDMA機制MAC協(xié)議中，節點(diǎn)的狀態(tài)分為感應、轉發(fā)、感應并轉發(fā)和非活動(dòng)四種狀態(tài)。節點(diǎn)在感應狀態(tài)時(shí)，采集數據并向其相鄰節點(diǎn)發(fā)送；在轉發(fā)狀態(tài)時(shí)，接收其他節點(diǎn)發(fā)送的數據并發(fā)送給下一個(gè)節點(diǎn)；在感應并轉發(fā)狀態(tài)的節點(diǎn)，需要完成上述兩項功能；節點(diǎn)沒(méi)有數據需要接收和發(fā)送時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入非活動(dòng)狀態(tài)。 非骨干節點(diǎn)在各自的時(shí)間槽內發(fā)送監測到的數據給骨干節點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數據傳輸，骨干節點(diǎn)收齊它所管轄范圍內的非骨干節點(diǎn)發(fā)送的數據后，運行數據融合算法來(lái)處理數據，并將結果直接發(fā)送給上一層骨干節點(diǎn)或匯聚節點(diǎn)。 在實(shí)際應用中，傳感器節點(diǎn)的失效會(huì )使拓撲結構發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。為使時(shí)槽分配能夠適應這種動(dòng)態(tài)變化，將一個(gè)時(shí)間幀分為周期性的四個(gè)階段:數據傳輸階段、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)槽以適應簇內節點(diǎn)拓撲結構的變化以及節點(diǎn)狀態(tài)的變化。 4 定位機制 當井下發(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)探測到瓦斯濃度最高的節點(diǎn)必然是距離瓦斯泄漏點(diǎn)最近的節點(diǎn)，該節點(diǎn)要發(fā)送位置信息給管理節點(diǎn)。 為得到節點(diǎn)的詳細位置信息，在每個(gè)工作面安裝三個(gè)或三個(gè)以上的信標節點(diǎn)。信標節點(diǎn)周期性地發(fā)射無(wú)線(xiàn)射頻信號和超聲波信號。無(wú)線(xiàn)射頻信號中含有信標節點(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大于超聲波的傳輸速率，節點(diǎn)在接收到射頻信號時(shí)，同時(shí)打開(kāi)超聲波信號接收機，根據兩種信號到達時(shí)間的間隔和各自的傳播速度，計算出節點(diǎn)到信標節點(diǎn)的距離。每個(gè)節點(diǎn)在計算出到達三個(gè)或三個(gè)以上信標節點(diǎn)的距離后，利用三邊法計算節點(diǎn)的坐標。最后進(jìn)行修正，得到精確的節點(diǎn)坐標。 無(wú)線(xiàn)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性。它的出現為礦井環(huán)境監測提供了一種部署簡(jiǎn)單、可靠性高的全新手段。 |
