無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在新疆煤田火區(qū)監(jiān)測(cè)中的研究

蔡忠勇, 閆 述, 鐵滿堂

( 1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074；2.江蘇大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江212000；3.新疆煤田滅火工程局，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆是中國煤炭資源的最大后備基地。由于煤質(zhì)、自然條件和人為的因素，新疆煤田自燃的嚴(yán)重程度也為世所罕見。經(jīng)過多年的治理，據(jù)最新調(diào)查，火區(qū)的面積達(dá)到906萬m2，每年燃燒損失855萬t煤炭資源，燃燒排放的溫室氣體和大量的有毒有害氣體嚴(yán)重地污染了大氣環(huán)境。如此規(guī)模的煤火問題，引起了社會(huì)的普遍關(guān)注和高度重視。從2001年開始，中德開展了“中國煤田滅火戰(zhàn)略”技術(shù)合作項(xiàng)目，引進(jìn)了高精度火區(qū)勘探儀器設(shè)備和技術(shù)，開發(fā)了“新疆煤田火區(qū)信息管理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，這些都加快了新疆煤田火災(zāi)的治理進(jìn)度。依據(jù)“新疆煤田滅火規(guī)劃”，到2015年將治理完畢境內(nèi)所有煤田火區(qū)。屆時(shí)，新疆煤田火區(qū)將進(jìn)入治理后的大規(guī)模監(jiān)測(cè)階段?，F(xiàn)在，新疆煤田火區(qū)的滅火效果監(jiān)測(cè)，主要是在現(xiàn)場(chǎng)以人工的方式測(cè)量觀測(cè)孔內(nèi)的溫度和氣體，但新疆煤田火區(qū)分布點(diǎn)多面廣，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法效率低、實(shí)時(shí)性差。為此，需開展適合大面積、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段研究，具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為此提供了可能。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)，由布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠協(xié)調(diào)地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡、準(zhǔn)確的信息，最后傳送到需要這些信息的用戶。這項(xiàng)技術(shù)1990年代末發(fā)端于美國，而中國對(duì)這方面的研究，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，并作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一(當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目名稱：重點(diǎn)地區(qū)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和決策支持示范系統(tǒng))，硬件節(jié)點(diǎn)有寧波深聯(lián)(SL)科技、北京博控(BOCON)等公司的代理產(chǎn)品。

2 新疆煤火無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特質(zhì)，使其在大面積的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)新疆煤火的自動(dòng)實(shí)時(shí)和高效的監(jiān)測(cè)，將是新疆煤田滅火工程局和江蘇大學(xué)今后的重要研究工作。2008年10月，我們?cè)谒蓸漕^火區(qū)成功地進(jìn)行了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，自此新疆煤火無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)工作正式啟動(dòng)，這項(xiàng)工作分三個(gè)階段進(jìn)行：

第一階段，選定兩個(gè)已治理和正在治理中的火區(qū)，搭建小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將地下1.5 m深度的地層溫度每隔8h自動(dòng)發(fā)送到滅火工程局的監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上。根據(jù)地層溫度的變化確定煤層是否復(fù)燃，或者根據(jù)溫度梯度確定燃燒方向。這項(xiàng)工作正在進(jìn)行中。

第二階段，逐步把監(jiān)測(cè)范圍向地形復(fù)雜、交通不便的火區(qū)擴(kuò)展，建立大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

第三階段，建立遍及全疆的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)已治理、正在治理、未治理及未燃煤田進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。最終，將火情信息并入中德合作開發(fā)的“新疆煤田火區(qū)信息管理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”中去。

第一階段的研發(fā)工作由德國GTZ公司資助，主要解決如下幾個(gè)問題：

(1) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信。現(xiàn)有無線傳感器節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱通信距離一般約為100 m ，部分節(jié)點(diǎn)可達(dá)300～500 m，少數(shù)節(jié)點(diǎn)達(dá)到1 000 m左右。但是，要將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)至幾百公里甚至幾千公里的監(jiān)測(cè)中心，這個(gè)通信距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信，有通過衛(wèi)星、通過6LowPIM協(xié)議直接接入公網(wǎng)(Internet網(wǎng))等方式。來自衛(wèi)星的信號(hào)微弱，終端所用的天線要具有足夠的增益，甚至使用侍服平臺(tái)，保證天線準(zhǔn)確地跟蹤衛(wèi)星，這對(duì)于資源有限的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)難以做到。能夠提供較強(qiáng)信號(hào)的中低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，受“銥”系統(tǒng)等商業(yè)運(yùn)作失敗的影響，尚處在發(fā)展的培育期。目前，隨著光纖通信和地面蜂窩移動(dòng)通信的崛起，國際、國內(nèi)長途通信和陸地移動(dòng)通信業(yè)務(wù)已不再屬于衛(wèi)星通信的主要領(lǐng)地。由于Internet網(wǎng)覆蓋范圍還沒有達(dá)到廣大的面積和偏遠(yuǎn)的地區(qū)，無線網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)通信距離僅為1 000 m左右，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還得放置于距離Interne網(wǎng)站100 m的范圍內(nèi)，因此該方案也不能獲得真正的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力。全球移動(dòng)通信(Global System for Mobile Communication, GSM)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service, GPRS)，按流量計(jì)費(fèi)，為遠(yuǎn)程監(jiān)控這種間斷、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，提供了一種高效、低成本的遠(yuǎn)程通信手段。在中國，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋了95%以上的地區(qū)，東南沿海和中心城市達(dá)到了100%覆蓋。

(2) 無持續(xù)能量供應(yīng)的節(jié)點(diǎn)能耗問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)攜帶能量有限，新疆煤田火區(qū)所要建立的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)離基礎(chǔ)設(shè)施、無人值守，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有被畜群踐踏和人為損壞的危險(xiǎn)，要求節(jié)點(diǎn)是掩埋式、隱蔽式的。解決節(jié)點(diǎn)能量有限的問題，不能采取太陽能、風(fēng)能等出露地面的可持續(xù)能源供應(yīng)；還由于監(jiān)測(cè)面積廣大，管理人員不易到達(dá)，不宜采用一般的丟棄舊點(diǎn)、補(bǔ)充新點(diǎn)的方法。同樣的原因，還要求在網(wǎng)絡(luò)建立后的0.5～2年的生命周期中是免維護(hù)的。這樣，就對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)、能耗、節(jié)點(diǎn)的休眠、喚醒機(jī)制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠傳輸?shù)?，提出了非常?yán)格的要求。解決能量問題，是無線傳感器技術(shù)開發(fā)中重要的研究課題，傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、路由協(xié)議、MAC(Medium Access Control，介質(zhì)訪問控制)協(xié)議等，都涉及了能量控制問題。但在當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段，這些研究都不夠完善，大部分還是理論上的研究。因此，如何開發(fā)出適合新疆煤田火區(qū)具體應(yīng)用情況下的節(jié)點(diǎn)能耗控制協(xié)議，是我們的重要研究內(nèi)容。在為節(jié)點(diǎn)配備了高性能的蓄電池之后，通過對(duì)節(jié)點(diǎn)休眠、喚醒控制機(jī)制研究，達(dá)到至少在網(wǎng)絡(luò)建成0.5年內(nèi)節(jié)點(diǎn)電池毋須更換，在不考慮電池自然損耗的情況下，0.5～2年內(nèi)毋須更換。

(3) 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)同步問題研究。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這樣的分布式系統(tǒng)中，不同的節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。由于不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器存在偏差，以及溫度變化、電磁干擾等，即使在某個(gè)時(shí)刻所有節(jié)點(diǎn)都達(dá)到時(shí)間同步，但隨著時(shí)間的流逝，它們的時(shí)間也會(huì)逐漸出現(xiàn)偏差。時(shí)間同步對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作非常重要，特別是在采取了一般節(jié)點(diǎn)定時(shí)時(shí)鐘自動(dòng)喚醒機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)中，如果節(jié)點(diǎn)不能在約定的時(shí)間間隔中同時(shí)處于喚醒狀態(tài)，將無法執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信，也無法執(zhí)行通信時(shí)序，以至網(wǎng)絡(luò)崩潰。因此，時(shí)間同步機(jī)制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)框架的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。分布式時(shí)間同步，涉及物理時(shí)間和邏輯時(shí)間兩個(gè)概念。物理時(shí)間表示人類社會(huì)使用的絕對(duì)時(shí)間，邏輯時(shí)間表達(dá)事件發(fā)生的順序關(guān)系，是相對(duì)的。分布式系統(tǒng)需要一個(gè)表示整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間的全局時(shí)間，全局時(shí)間根據(jù)需要可以是物理時(shí)間或邏輯時(shí)間。時(shí)間同步機(jī)制在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)時(shí)間同步機(jī)制較少考慮計(jì)算和通信的開銷，沒有考慮節(jié)點(diǎn)的能耗?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法，還未能囊括所有的具體應(yīng)用條件，因此需根據(jù)要求選擇和設(shè)計(jì)適合火區(qū)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議，使節(jié)點(diǎn)間通信保持正常時(shí)順，每次節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)，都能消除前次的時(shí)間積累誤差，維持網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4) 節(jié)點(diǎn)的隱蔽與密封。在新疆火區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)中，如何使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于較為隱蔽的狀態(tài)，減少陽光、風(fēng)雨、電磁干擾、人為損壞、動(dòng)物踐踏等對(duì)物理節(jié)點(diǎn)的影響和損壞，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用中需要解決的問題之一。將節(jié)點(diǎn)埋在地下、天線伸出地表，是隔離氣候影響、防止動(dòng)物踐踏和人為損壞的有效方法。節(jié)點(diǎn)掩埋在地下，將會(huì)有雨水浸泡和濕氣侵入，為此設(shè)計(jì)了隱蔽式天線和密封式的節(jié)點(diǎn)，并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。

(5) 節(jié)點(diǎn)間通信性能的改進(jìn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離是在自由空間中定義的，由于隱蔽式節(jié)點(diǎn)掩埋在地下，天線出露地表僅10 cm，降低了天線的輻射功率，工作頻率為2.45GHz天線的最大通信距離降低到50 m 左右，極端情況下的通信距離，如雨天、地面極其潮濕環(huán)境下的通信距離還缺乏保證。天線的輻射性能要進(jìn)一步改善，節(jié)點(diǎn)的工作頻率還要進(jìn)一步選擇優(yōu)化，以便用較少的節(jié)點(diǎn)獲得較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，降低無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)成本。除網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中需要的冗余外，要使節(jié)點(diǎn)的部屬與火區(qū)監(jiān)測(cè)需要的采樣點(diǎn)相一致。

(6)數(shù)據(jù)管理與觀測(cè)數(shù)據(jù)分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度、濕度、節(jié)點(diǎn)位置、觀測(cè)時(shí)間等信息，將從現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)叫陆禾餃缁鸸こ叹直O(jiān)測(cè)中心永久保存，監(jiān)測(cè)中心根據(jù)溫度數(shù)據(jù)的閾值確定是否發(fā)出火情警報(bào)，并采取相應(yīng)措施。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理功能，有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢，節(jié)點(diǎn)地理位置、溫度趨勢(shì)圖等。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，今后可以和“新疆煤田火區(qū)地理信息動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)”相融合。觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，除了有賴于對(duì)煤火發(fā)火機(jī)制的了解以外，還須分辨1.5 m深度(現(xiàn)在的觀測(cè)孔深度)采集的溫度數(shù)據(jù)是否還受到地面氣溫的影響，或?qū)鉁赜绊懛蛛x出去；或重新設(shè)定溫度傳感器的埋深，以便得到更準(zhǔn)確的煤層溫度變化數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在新疆煤田火區(qū)監(jiān)測(cè)中的研究，已取得較大進(jìn)展，并將在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。在不久的未來，煤火監(jiān)測(cè)主要是觀測(cè)溫度和氣體兩個(gè)指標(biāo)，但目前在新疆煤火試驗(yàn)性的監(jiān)測(cè)中，觀測(cè)的是溫度信息，首先解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)休眠與喚醒、節(jié)點(diǎn)隱蔽等問題。今后待獲得體積、性能、價(jià)格等方面適合新疆煤火監(jiān)測(cè)的氣體傳感器后，將增加氣體觀測(cè)功能，使煤火監(jiān)測(cè)的信息更為全面。