用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　摘　要： 提出了利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行礦井環(huán)境探測的方法，給出了適用于礦井環(huán)境探測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)框架、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　在礦井環(huán)境監(jiān)測中通常需要對(duì)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。現(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(duì)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(duì)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[1]。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(duì)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(duì)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(duì)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)?；矩?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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。