|
在礦井環境監測中通常需要對礦井風速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、硫化氫和二氧化碳等參數進行檢測。現有的監控檢測系統需要在礦井內設通信線路，傳遞監測信息。生產過程中礦井結構在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對通信線路的延伸和維護提出了很高的要求。一旦通信鏈路發生故障，整個監測系統就可能癱瘓。為解決上述問題，本文提出使用無線傳感器網絡來進行礦井環境的監測監控。使用無線傳感器網絡進行環境監控有三個顯著的優勢： (1)傳感器節點體積小且整個網絡只需要部署一次，因此部署傳感器網絡對監控環境的人為影響很小； (2)傳感器網絡節點數量大，分布密度高，每個節點可以檢測到局部環境詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網絡具有采集數據全面，精度高的特點； (3)無線傳感器節點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據物理環境的變化進行較為復雜的監控。 傳感器節點還具有無線通信的能力，可以在節點間進行協同監控。節點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網絡能夠重新編程和重新部署，對環境變化、傳感器網絡自身變化以及網絡控制指令做出及時反應。即使礦井結構遭到破壞，仍能自動恢復組網，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。無線傳感器網絡自身的這些特點特別適用于礦井環境監測。 1 無線傳感器網絡的框架結構 傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量的傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式組成網絡。各個傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點進行逐跳傳輸，經過多跳后路由到匯聚節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測信息。各個節點協作完成監測任務。 應用于礦井環境監測的無線傳感器網絡，其系統結構、拓撲結構、節點結構、軟硬件工作環境、網絡協議和定位機制都必須滿足礦井環境監測要求。在礦井環境監測過程中，隨機分布的傳感器節點定期地將監測到的數據(如瓦斯濃度、一氧化碳濃度、風速、井內溫度和濕度等)發送到井外的匯聚節點。匯聚節點通過光纖、互聯網或衛星將數據傳輸到管理節點即人工控制臺和自動控制臺。人工控制臺對數據進行分析處理，實時準確監測井下環境指標，及時發布預警消息。 1.1 網絡系統結構 一種適用于礦井環境監測的傳感器網絡系統結構如圖1所示。這是一個層次型網絡結構，最底層為部署在礦井工作面上的傳感器節點，向上依次為傳輸網絡和基站。根據礦井規模，基站信息還可以通過Internet連接到礦井環境監測中心。為獲得準確的數據，傳感器節點的部署密度通常比較大，并且部署在若干個不相鄰的監測區域內(如若干個礦井工作面)，從而形成多個傳感器網絡。傳輸網絡是負責協同各個傳感器網絡網關節點、綜合網關節點信息的局部網絡。基站負責搜集傳輸網絡送來的所有數據，發送到Internet，并將傳感數據的日志保存到本地數據庫中。對于大規模礦井環境集中監測系統，傳感器節點搜集到的數據通過Internet傳送到中心數據庫存儲。中心數據庫提供遠程數據服務，科研人員可以通過接入Internet的終端使用遠程數據服務，對數據進行進一步的分析處理。 1.2 拓撲結構 礦井環境監測最基本的要求是及時有效地傳遞信息，發布預警消息，保證井下安全。為此，無線傳感器網絡采用網狀拓撲結構。完全的網狀拓撲控制要消耗傳感器節點較多能量，為了在滿足網絡連通的前提下，盡可能地節約能量，在礦井的每個工作面部署的大量節點中選取少數節點作為骨干網節點，打開其通信模塊，關閉非骨干節點的通信模塊，由骨干節點建立一個網狀全連通網絡來負責數據的路由轉發。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。網絡拓撲結構如圖2所示。 骨干節點需要調節非骨干節點的工作，負責數據的融合和轉發，能量消耗相對較大。通常由網絡自身周期性地監測各傳感器的能量狀態，并自動更換骨干節點來均衡網絡中各節點能量消耗。選取所有節點中能量大于某一設定值的少數幾個節點作為骨干節點，其余節點選取離自己距離最近的骨干節點作為自己的控制節點。如果礦井工作面距離較遠，或工作面數目多，可以在每個工作面專門部署一個能量較強的節點作為該工作面骨干節點的骨干節點，完成工作面之間的信息傳輸。 2 節點的軟硬件結構 2.1 硬件結構 節點硬件結構如圖3所示，傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線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傳感器節點，處理采集到的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，采用微型電池。 通過擴展板的方式加載一個專用的傳感器板，板上載有瓦斯濃度、濕度、風速、一氧化碳和二氧化碳等多種傳感器，可在多種傳感器間進行選擇和切換，滿足不同的監測任務。 主控制器是Atmel公司的一個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10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數器，UART﹑SPI﹑I2C總線接口。JTAG口為開發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，適用于無線傳感器網絡對節能的需求。無線收發器CC1000是為低電壓無線通信的應用場合設計的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發器，通過外圍接口線路相連，完成節點硬件部分的構造和功能。 2.2 軟件結構 TinyOS是面向傳感器網絡的操作系統，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命令，下層組件向上層組件發信號通知事件的發生，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，主要是對傳感器的控制與數據的采樣。 3 網絡協議 3.1 多徑路由機制和SPEED路由協議 在礦井環境監測中，需要定期實時準確地傳輸探測數據，而傳感器節點由于有限的能量和工作環境惡劣存在失效問題，路由協議要保證即使部分節點失效，整個系統也能正常工作。可靠的路由協議主要從以下兩個方面考慮： (1)利用節點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到匯聚節點的主路徑，然后再建立多條備用路徑；數據通過主路徑進行傳輸，同時利用備用路徑低速傳輸數據來維護路徑的有效性；當主路徑失效時，從備用路徑中選擇次優路徑作為新的主路徑。 為達到實時性的要求，可采用SPEED路由協議，該協議可以在一定程度上實現端到端的傳輸速率保證、網絡擁塞控制以及負載平衡。SPEED協議首先交換節點的傳輸延遲，以得到網絡負載情況；然后節點利用局部地理信息和傳輸速率信息做出路由選擇，同時通過鄰居反饋機制保證網絡傳輸速率在一個全局定義的傳輸速率閾值之上。 根據實際情況，在多路徑的路由機制和SPEED路由協議之間做出權衡。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足要求。當突發情況產生，需要實時精確了解井下情況時，則需要采用SPEED路由協議。根據實際情況可通過路由協議自主切換模塊在不同的路由協議之間自由切換。 3.2 基于分簇的TDMA機制MAC協議 由于該傳感器網絡采用骨干節點、非骨干節點的拓撲結構，即分簇的拓撲結構，其底層的MAC層協議也是基于這種分簇的結構設計。由于在礦井這個特定的環境中，節點不會輕易移位，即一旦拓撲結構穩定，節點位置穩定，新節點加入的概率很小，因此可采用基于TDMA機制的MAC協議。 在基于分簇的TDMA機制MAC協議中，節點的狀態分為感應、轉發、感應并轉發和非活動四種狀態。節點在感應狀態時，采集數據并向其相鄰節點發送；在轉發狀態時，接收其他節點發送的數據并發送給下一個節點；在感應并轉發狀態的節點，需要完成上述兩項功能；節點沒有數據需要接收和發送時，自動進入非活動狀態。 非骨干節點在各自的時間槽內發送監測到的數據給骨干節點，經過一段時間的數據傳輸，骨干節點收齊它所管轄范圍內的非骨干節點發送的數據后，運行數據融合算法來處理數據，并將結果直接發送給上一層骨干節點或匯聚節點。 在實際應用中，傳感器節點的失效會使拓撲結構發生動態變化。為使時槽分配能夠適應這種動態變化，將一個時間幀分為周期性的四個階段:數據傳輸階段、刷新階段、刷新引起的重組階段和事件觸發的重組階段。MAC協議在刷新和重組階段重新分配時槽以適應簇內節點拓撲結構的變化以及節點狀態的變化。 4 定位機制 當井下發生瓦斯泄漏事件時，必須盡快找到瓦斯泄漏點進行搶修。此時探測到瓦斯濃度最高的節點必然是距離瓦斯泄漏點最近的節點，該節點要發送位置信息給管理節點。 為得到節點的詳細位置信息，在每個工作面安裝三個或三個以上的信標節點。信標節點周期性地發射無線射頻信號和超聲波信號。無線射頻信號中含有信標節點的位置信息，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，節點在接收到射頻信號時，同時打開超聲波信號接收機，根據兩種信號到達時間的間隔和各自的傳播速度，計算出節點到信標節點的距離。每個節點在計算出到達三個或三個以上信標節點的距離后，利用三邊法計算節點的坐標。最后進行修正，得到精確的節點坐標。 無線傳感器網絡功耗低，可以自行組網，具有良好的可靠行和可維護性。它的出現為礦井環境監測提供了一種部署簡單、可靠性高的全新手段。 |
