面向礦井安全監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

李豐杰 徐守志 徐 波

（三峽大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

目前，礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)主要以有線方式實現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測與信息傳輸任務(wù)，存在布線復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對固定，不能滿足掘進(jìn)工作面延伸的動態(tài)變化要求，通信線路容易損壞，維護(hù)成本高等一系列問題［1］.現(xiàn)有的有線監(jiān)測系統(tǒng)大部分均通過CAN總線的方式實現(xiàn)礦井下的安全監(jiān)測［2］.隨著傳感技術(shù)、MEMS技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速部署、自組織、多跳路由、動態(tài)拓?fù)涞忍攸c使其為井下安全監(jiān)測提供了有效的技術(shù)手段和途徑，尤其是多跳路由的信息傳輸方式可克服因巷道彎曲、傾斜等因素造成的無線信號嚴(yán)重?fù)p耗問題.現(xiàn)有一些監(jiān)測系統(tǒng)通過有線與無線相結(jié)合的方式來實現(xiàn)礦井下的安全監(jiān)測［3－4］，還有一些礦井監(jiān)測系統(tǒng)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，然后通過GPRS的方式將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心來實現(xiàn)安全監(jiān)測［5］.另外，對于巷道內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計考慮的方面也有諸多不同，有通過鏈?zhǔn)椒执氐姆绞綐?gòu)建的層次型無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)［6］，也有針對線型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗研究提出的節(jié)能型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署策略［7］，還有針對巷道內(nèi)的無縫覆蓋及節(jié)點的連通率研究提出的節(jié)點部署策略［8－10］.

在上述背景下，本文首先根據(jù)系統(tǒng)的需求對總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，然后針對節(jié)點失效方面結(jié)合礦井中幾種巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在已有的軟硬件平臺上進(jìn)行了相應(yīng)的模擬實驗.

1 系統(tǒng)需求及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求

為實現(xiàn)對礦井下環(huán)境參數(shù)的實時安全性監(jiān)測，設(shè)計滿足如下要求的監(jiān)測系統(tǒng)：①對礦井下瓦斯、CO2等影響井下安全的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動采集、實時傳輸和集中處理；②用戶能夠?qū)崟r查看參數(shù)值的變化情況及井下各傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)；③系統(tǒng)應(yīng)具有較高的性價比、可靠性、靈活性及擴(kuò)展能力，且在升級、布線、供電及安裝使用方面能夠方便地進(jìn)行維護(hù).

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是一種分簇結(jié)構(gòu)，各個簇根據(jù)礦井下支巷道結(jié)構(gòu)的不同會有一定的差異，每個分簇包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干監(jiān)測節(jié)點且自成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)，各監(jiān)測節(jié)點均具有路由功能，各分簇的協(xié)調(diào)器節(jié)點與控制中心采用WIFI無線網(wǎng)絡(luò)連接.

圖1 礦井監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.3 各組成部分的功能定義

監(jiān)測節(jié)點一方面通過各種傳感器感知礦井下的環(huán)境參數(shù)并對其進(jìn)行周期采樣、分析和發(fā)送，另一方面對下一級的監(jiān)測節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).為了降低監(jiān)測節(jié)點的功耗，對于標(biāo)量數(shù)據(jù)可進(jìn)行多次采樣，然后將采樣的結(jié)果進(jìn)行打包后再發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點.

協(xié)調(diào)器節(jié)點對分簇子網(wǎng)的通信進(jìn)行相關(guān)管理（包括監(jiān)控分簇內(nèi)各監(jiān)測節(jié)點的運行及接收存儲簇內(nèi)監(jiān)測節(jié)點傳送的采樣數(shù)據(jù)包），并對其進(jìn)行匯總、分析及格式轉(zhuǎn)換等處理后發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)，另外還能夠?qū)刂浦行陌l(fā)送過來的指令解析后實現(xiàn)相關(guān)運行參數(shù)的調(diào)整.

控制中心通過無線網(wǎng)絡(luò)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析，若環(huán)境參數(shù)超出安全范圍則進(jìn)行預(yù)警操作，并能提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)查看、節(jié)點工作參數(shù)設(shè)定等功能，使用戶可實時監(jiān)測井下的安全狀況并采取適當(dāng)措施.

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

礦井下巷道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要可分為3種類型：垂直巷道、傾斜巷道和水平巷道.巷道總體可看成是一種線型結(jié)構(gòu)，且巷道內(nèi)存在各種運輸設(shè)備，布置節(jié)點時選擇將傳感器節(jié)點布設(shè)在巷道的頂部且呈線型分布.

另外巷道內(nèi)部分區(qū)域環(huán)境條件惡劣，該區(qū)域的節(jié)點因環(huán)境因素導(dǎo)致失效的可能性較大.由于各監(jiān)測節(jié)點具有失效重連的功能（如圖2所示），所以在關(guān)鍵區(qū)域采用一種防止節(jié)點失效的部署方法，即在關(guān)鍵區(qū)域布置相應(yīng)的冗余轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點.如果某節(jié)點失效，失效節(jié)點的前后兩個節(jié)點的距離仍在節(jié)點的通信范圍之內(nèi)，能夠重新組網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)包，這樣就能夠保證不會因單個節(jié)點的失效而導(dǎo)致這種鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)的癱瘓.

圖2 監(jiān)測節(jié)點失效時網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)流程

根據(jù)巷道特征，礦井巷道結(jié)構(gòu)可以分為直線巷道、直角彎道、障礙物巷道和傾斜巷道4種類型.對每一種類型設(shè)計相應(yīng)的節(jié)點布置方法保證關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的健壯性，節(jié)點按照結(jié)構(gòu)特征布置如圖3所示.

圖3 4種巷道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測節(jié)點布置

在以上4種巷道結(jié)構(gòu)中，按照監(jiān)測節(jié)點的工作流程，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點失效后，失效節(jié)點的前后兩個節(jié)點仍然在通信范圍之內(nèi)，能夠繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù).其中障礙物巷道模型的節(jié)點2和節(jié)點3布置在巷道側(cè)壁，傾斜巷道模型的節(jié)點2和節(jié)點7布置在巷道側(cè)壁.

3 相關(guān)實驗及結(jié)果

3.1 模擬實驗

根據(jù)上述設(shè)計的節(jié)點覆蓋方法，分別對4種巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬實驗.實驗采用一個協(xié)調(diào)器節(jié)點及兩個監(jiān)測節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點可以充當(dāng)路由節(jié)點.模擬實驗中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為單點直連和增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種方式.單點直連方式下，監(jiān)測節(jié)點直接向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸距離接近傳輸極限.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式是根據(jù)相應(yīng)的巷道模型，適當(dāng)增加中間路由節(jié)點.

1）直線巷道模擬.單點直連結(jié)構(gòu)是將一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一個監(jiān)測節(jié)點在走廊中放置成一條直線，兩個節(jié)點間的間距為70m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在單點直連結(jié)構(gòu)的中間放置一個路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，節(jié)點間的距離為35m.

2）直角彎道模擬.單點直連結(jié)構(gòu)是將協(xié)調(diào)器節(jié)點與監(jiān)測節(jié)點放置在樓層拐角的兩側(cè)，兩節(jié)點距拐角均為4m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在單點直連結(jié)構(gòu)的拐角處放置一個路由節(jié)點.

3）障礙物巷道模擬.單點直連結(jié)構(gòu)是將協(xié)調(diào)器節(jié)點與監(jiān)測節(jié)點分別放置在實驗室鐵門的兩側(cè)，監(jiān)測節(jié)點距鐵門5m，協(xié)調(diào)器節(jié)點距鐵門為10m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在鐵門處（繞過鐵門）放置一個路由節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā).

4）傾斜巷道模擬.單點直連結(jié)構(gòu)是將協(xié)調(diào)器節(jié)點放置在樓層的樓梯處，監(jiān)測節(jié)點放置在下兩層的樓梯處，兩節(jié)點相距15m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在單點直連結(jié)構(gòu)的中間層放置一個路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包.

按照上述的4種結(jié)構(gòu)的布置方法分別進(jìn)行實驗?zāi)M，每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行5組實驗，每組實驗對單點直連與增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別發(fā)送800個數(shù)據(jù)包，測試4種巷道結(jié)構(gòu)下兩種通信方式的丟包率對比結(jié)果如圖4所示.

從上述的實驗結(jié)果可以看出，4種巷道結(jié)構(gòu)下，增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式下的丟包率均低于單點直連方式，且在直角彎道和障礙物巷道模擬時效果較明顯，故可以得出加入相應(yīng)的路由節(jié)點降低了網(wǎng)絡(luò)的丟包率，提高了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量.

圖4 丟包率對比圖

3.2 能耗仿真分析

針對上述模擬實驗中的單點直連和增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式，使用NS2分別對兩種部署結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，設(shè)置通信半徑r為70m，能量模型為shadowing，每個節(jié)點的初始能量為1.25J，發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗能量為0.082 5W，接收數(shù)據(jù)包消耗能量為0.075 9 W.單點直連結(jié)構(gòu)的場景中線型布置4個節(jié)點，節(jié)點間距為70m，增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)的場景中線型布置7個節(jié)點，節(jié)點間距為35m，仿真從30s開始至30min結(jié)束，得到整個網(wǎng)絡(luò)的能耗比隨時間的變化關(guān)系如圖5所示.

圖5 能耗比對比圖

其中能耗比指網(wǎng)絡(luò)消耗的能量與總能量之比.從以上結(jié)果可以看出，兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能耗比隨時間的增長呈線性關(guān)系，隨時間的增長增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式的能耗比小于單點直連方式.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式雖增加了節(jié)點的數(shù)量，但是降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗比，在一定程度上延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

4 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為解決井下安全監(jiān)測問題提供了有效的技術(shù)手段和途徑.然而礦井巷道的復(fù)雜環(huán)境給整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署及數(shù)據(jù)的有效傳輸產(chǎn)生了很大的影響，而且可能因關(guān)鍵區(qū)域的某個節(jié)點失效而造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓.本文針對節(jié)點失效問題結(jié)合4種巷道結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)策略，同時利用現(xiàn)有軟硬件平臺對4種巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的模擬實驗，對單點直連與增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了丟包率測試及能耗仿真分析，結(jié)果表明采用增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略的節(jié)點部署降低了網(wǎng)絡(luò)的丟包率及能耗比，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的同時延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

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