用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　通過(guò)擴(kuò)展板的方式加載一個(gè)專(zhuān)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(mǎn)足不同的監(jiān)測(cè)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(duì)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(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(kāi)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(jí)的低能耗操作模式，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)能的需求。無(wú)線收發(fā)器CC1000是為低電壓無(wú)線通信的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發(fā)器，通過(guò)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(duì)下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號(hào)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(duì)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(duì)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(cè)中，需要定期實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸探測(cè)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(wèn)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(duì)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?/P>

　　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(guò)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(lái)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[3]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(guò)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。