用于礦井環(huán)境監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　摘　要： 提出了利用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )框架、拓撲結構和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

　　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[1]。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。