如何使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控？

本文提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。

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武梨格

2021-5-31 18:07:43

在矿井环境监测中通常需要对矿井风速、矿尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路，传递监测信息。生产过程中矿井结构在不停变化，加之有些坑道空间狭小，对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信链路发生故障，整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题，本文提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。使用无线传感器网络进行环境监控有三个显著的优势：
（1）传感器节点体积小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对监控环境的人为影响很小；
（2）传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以检测到局部环境详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有采集数据全面，精度高的特点；
（3）无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控。
传感器节点还具有无线通信的能力，可以在节点间进行协同监控。节点的计算能力和无线通信能力使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应。即使矿井结构遭到破坏，仍能自动恢复组网，传递信息，为矿难救助等提供重要信息。无线传感器网络自身的这些特点特别适用于矿井环境监测。
1 无线传感器网络的框架结构
传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量的传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式组成网络。各个传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点进行逐跳传输，经过多跳后路由到汇聚节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测信息。各个节点协作完成监测任务。
应用于矿井环境监测的无线传感器网络，其系统结构、拓扑结构、节点结构、软硬件工作环境、网络协议和定位机制都必须满足矿井环境监测要求。在矿井环境监测过程中，随机分布的传感器节点定期地将监测到的数据（如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、井内温度和湿度等）发送到井外的汇聚节点。汇聚节点通过光纤、互联网或卫星将数据传输到管理节点即人工控制台和自动控制台。人工控制台对数据进行分析处理，实时准确监测井下环境指标，及时发布预警消息。
1.1 网络系统结构
一种适用于矿井环境监测的传感器网络系统结构如图1所示。这是一个层次型网络结构，最底层为部署在矿井工作面上的传感器节点，向上依次为传输网络和基站。根据矿井规模，基站信息还可以通过Internet连接到矿井环境监测中心。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度通常比较大，并且部署在若干个不相邻的监测区域内（如若干个矿井工作面），从而形成多个传感器网络。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。基站负责搜集传输网络送来的所有数据，发送到Internet，并将传感数据的日志保存到本地数据库中。对于大规模矿井环境集中监测系统，传感器节点搜集到的数据通过Internet传送到中心数据库存储。中心数据库提供远程数据服务，科研人员可以通过接入Internet的终端使用远程数据服务，对数据进行进一步的分析处理。

1.2 拓扑结构
矿井环境监测最基本的要求是及时有效地传递信息，发布预警消息，保证井下安全。为此，无线传感器网络采用网状拓扑结构。完全的网状拓扑控制要消耗传感器节点较多能量，为了在满足网络连通的前提下，尽可能地节约能量，在矿井的每个工作面部署的大量节点中选取少数节点作为骨干网节点，打开其通信模块，关闭非骨干节点的通信模块，由骨干节点建立一个网状全连通网络来负责数据的路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大范围内节约了能量。网络拓扑结构如图2所示。

骨干节点需要调节非骨干节点的工作，负责数据的融合和转发，能量消耗相对较大。通常由网络自身周期性地监测各传感器的能量状态，并自动更换骨干节点来均衡网络中各节点能量消耗。选取所有节点中能量大于某一设定值的少数几个节点作为骨干节点，其余节点选取离自己距离最近的骨干节点作为自己的控制节点。如果矿井工作面距离较远，或工作面数目多，可以在每个工作面专门部署一个能量较强的节点作为该工作面骨干节点的骨干节点，完成工作面之间的信息传输。
2 节点的软硬件结构
2.1 硬件结构
节点硬件结构如图3所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点，处理采集到的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，采用微型电池。

通过扩展板的方式加载一个专用的传感器板，板上载有瓦斯浓度、湿度、风速、一氧化碳和二氧化碳等多种传感器，可在多种传感器间进行选择和切换，满足不同的监测任务。
主控制器是Atmel公司的一个8位低功耗微控制器ATMEGA128L，相对于其他通用的8位微控制器来说，它具有更加丰富的资源和极低的能耗。它具有片内128KB的程序存储器（Flash），4KB的数据存储器（SRAM，可外扩到64KB）和4KB的E2PROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，UART﹑SPI﹑I2C总线接口。JTAG口为开发和调试提供了方便的接口，除了正常操作模式外，它还具有6种不同等级的低能耗操作模式，适用于无线传感器网络对节能的需求。无线收发器CC1000是为低电压无线通信的应用场合设计的单片UHF（Ultra-High Frequency）收发器，通过外围接口线路相连，完成节点硬件部分的构造和功能。
2.2 软件结构
TinyOS是面向传感器网络的操作系统，它采用高效的基于事件的执行方式，使用组件模型以实现高效率的模块化、构造组件型应用软件。上层组件对下层组件发命令，下层组件向上层组件发信号通知事件的发生，最底层的组件直接跟硬件打交道。支持多跳通信的传感器应用程序的组件结构如图4所示。针对硬件电路和应用需要，增加了外围硬件的驱动，主要是对传感器的控制与数据的采样。

3 网络协议
3.1 多径路由机制和SPEED路由协议
在矿井环境监测中，需要定期实时准确地传输探测数据，而传感器节点由于有限的能量和工作环境恶劣存在失效问题，路由协议要保证即使部分节点失效，整个系统也能正常工作。可靠的路由协议主要从以下两个方面考虑：
（1）利用节点的冗余性提供多条路径以保证通信的可靠性；
（2）建立对传输可靠性的估计机制，从而保证每跳传输的可靠性。
多路径的路由机制是保证通信可靠性的一种有效机制。其基本思想是：首先建立从数据源节点到汇聚节点的主路径，然后再建立多条备用路径；数据通过主路径进行传输，同时利用备用路径低速传输数据来维护路径的有效性；当主路径失效时，从备用路径中选择次优路径作为新的主路径。
为达到实时性的要求，可采用SPEED路由协议，该协议可以在一定程度上实现端到端的传输速率保证、网络拥塞控制以及负载平衡。SPEED协议首先交换节点的传输延迟，以得到网络负载情况；然后节点利用局部地理信息和传输速率信息做出路由选择，同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阈值之上。
根据实际情况，在多路径的路由机制和SPEED路由协议之间做出权衡。在日常的定期监测数据反馈中，注重数据的准确可靠性，采用多路径路由机制即可满足要求。当突发情况产生，需要实时精确了解井下情况时，则需要采用SPEED路由协议。根据实际情况可通过路由协议自主切换模块在不同的路由协议之间自由切换。
3.2 基于分簇的TDMA机制MAC协议
由于该传感器网络采用骨干节点、非骨干节点的拓扑结构，即分簇的拓扑结构，其底层的MAC层协议也是基于这种分簇的结构设计。由于在矿井这个特定的环境中，节点不会轻易移位，即一旦拓扑结构稳定，节点位置稳定，新节点加入的概率很小，因此可采用基于TDMA机制的MAC协议。
在基于分簇的TDMA机制MAC协议中，节点的状态分为感应、转发、感应并转发和非活动四种状态。节点在感应状态时，采集数据并向其相邻节点发送；在转发状态时，接收其他节点发送的数据并发送给下一个节点；在感应并转发状态的节点，需要完成上述两项功能；节点没有数据需要接收和发送时，自动进入非活动状态。
非骨干节点在各自的时间槽内发送监测到的数据给骨干节点，经过一段时间的数据传输，骨干节点收齐它所管辖范围内的非骨干节点发送的数据后，运行数据融合算法来处理数据，并将结果直接发送给上一层骨干节点或汇聚节点。
在实际应用中，传感器节点的失效会使拓扑结构发生动态变化。为使时槽分配能够适应这种动态变化，将一个时间帧分为周期性的四个阶段：数据传输阶段、刷新阶段、刷新引起的重组阶段和事件触发的重组阶段。MAC协议在刷新和重组阶段重新分配时槽以适应簇内节点拓扑结构的变化以及节点状态的变化。
4 定位机制
当井下发生瓦斯泄漏事件时，必须尽快找到瓦斯泄漏点进行抢修。此时探测到瓦斯浓度最高的节点必然是距离瓦斯泄漏点最近的节点，该节点要发送位置信息给管理节点。
为得到节点的详细位置信息，在每个工作面安装三个或三个以上的信标节点。信标节点周期性地发射无线射频信号和超声波信号。无线射频信号中含有信标节点的位置信息，而超声波只是单纯的纯脉冲信号。由于射频信号的传输速率远大于超声波的传输速率，节点在接收到射频信号时，同时打开超声波信号接收机，根据两种信号到达时间的间隔和各自的传播速度，计算出节点到信标节点的距离。每个节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离后，利用三边法计算节点的坐标。最后进行修正，得到精确的节点坐标。
无线传感器网络功耗低，可以自行组网，具有良好的可靠行和可维护性。它的出现为矿井环境监测提供了一种部署简单、可靠性高的全新手段。

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刘珊珊

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