一種礦用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪丹丹

（安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，安徽 合肥230000）

井下環(huán)境安全監(jiān)測(cè)是指對(duì)井下作業(yè)環(huán)境中的瓦斯、溫度、濕度、礦塵、一氧化碳和氧氣等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)〔1〕。通常的做法是在礦井內(nèi)架設(shè)有線通信線路，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線線纜接到地面控制中心，這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的弊端是如果發(fā)生瓦斯爆炸，有線電纜被破壞，地面控制中心就無(wú)法知道井下情況，不利于人員營(yíng)救。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日益成熟，為解決有線線路的上述問(wèn)題，本文提出一種使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法。在礦井發(fā)生滲水、瓦斯爆炸等事故時(shí)，利用傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通訊能力及時(shí)向地面控制中心傳送井下環(huán)境參數(shù)。彌補(bǔ)了有線設(shè)備一旦線路損壞就不能傳輸信息的缺陷，具有布網(wǎng)簡(jiǎn)單、采集數(shù)據(jù)全面、精度高等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)較為適合礦井的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 總體概述

根據(jù)現(xiàn)有井下通信系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，本文提出一種井下瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括地面監(jiān)控中心、有線電纜、無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)四部分，見圖1。

圖1 井下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)通常分布于井下各工作面，通過(guò)井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送環(huán)境參數(shù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后再由有線電纜發(fā)送到地面監(jiān)控中心〔2〕。因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)較為關(guān)鍵，本文著重介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。由于各傳感器節(jié)點(diǎn)在使用中由電池供電，因此在使用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行礦井環(huán)境安全監(jiān)測(cè)時(shí)還必須考慮系統(tǒng)的節(jié)能性，這也是傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)時(shí)，均存在一些現(xiàn)實(shí)約束：電源能量有限、通信能力有限和計(jì)算存儲(chǔ)能力有限〔3〕。在井下應(yīng)用時(shí)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布在各處，很難實(shí)時(shí)進(jìn)行人工維護(hù)，即使井下發(fā)生事故也必須能正常工作，因此實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)首先要解決功耗問(wèn)題；其次，由于井下環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線信號(hào)在巷道內(nèi)傳播時(shí)會(huì)受到障礙物影響，通信距離變短，選擇通信芯片時(shí)必須考慮發(fā)射與接收距離；另外，必須選擇穩(wěn)定性強(qiáng)的通信協(xié)議，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞、傳輸時(shí)延。為解決上述問(wèn)題，本文從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

首先，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件由傳感器模塊、主控模塊、通信模塊和電源模塊組成〔4〕，各模塊的芯片均以功耗低為首選條件。由于nRF9E5具有體積小、工作電壓低、功耗低、發(fā)送距離遠(yuǎn)和通信可靠等特點(diǎn)，因此選擇它完成主控模塊和通信模塊的功能。瓦斯傳感器芯片選用KGS－20，這款芯片是常用的井下傳感器芯片，功耗很低。

其次，軟件方面，結(jié)合nRF9E5的特點(diǎn)，本文在通信信道的分配與使用上，選用了多信道接入MAC協(xié)議，這是一種新的基于隨機(jī)訪問(wèn)模式的協(xié)議〔5〕。在控制信道中，它為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配了一個(gè)數(shù)據(jù)信道，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居都使用不同的數(shù)據(jù)信道，這就避免了傳輸過(guò)程中的信道沖突；在通信中動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，有效地節(jié)省了能量。

由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，也是網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)，各傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后，需要在網(wǎng)絡(luò)中尋找一個(gè)最佳路徑將信息傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。因此，為解決節(jié)點(diǎn)的中繼路由功能，本文選用基于數(shù)據(jù)匯聚的路由協(xié)議〔6〕實(shí)現(xiàn)該功能。基于數(shù)據(jù)匯聚的路由協(xié)議的基本思想是首先在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和各傳感器節(jié)點(diǎn)間建立一個(gè)最短路徑，節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與自己的接近，就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，接著沿著自己的最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)匯聚后的數(shù)據(jù)。使用該路由協(xié)議，可以保證信息沿最短路徑到達(dá)網(wǎng)關(guān)，既節(jié)省了時(shí)間、也減小了網(wǎng)絡(luò)傳輸量，不會(huì)產(chǎn)生冗余信息。

2 井下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)工作特點(diǎn)把節(jié)點(diǎn)分為：電源模塊、主控模塊、通信模塊和傳感器模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.1 主控模塊和通信模塊

nRF9E5是Nordic公司的一款集成了與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的微處理器、片上ADC、nRF905射頻模塊的智能芯片，擁有4kB RAM和512BROM，以及片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口；有5個(gè)中斷源，3個(gè)與8052相同的定時(shí)器；對(duì)外提供一個(gè)數(shù)據(jù)輸出接口以及SPI接口；工作電壓為1.9～3.6V，掉電模式時(shí)工作電流僅有2.5uA，最大工作電流也僅有12.5mA；可工作在433／868／915MHz三個(gè)ISM頻道，在這3個(gè)頻段內(nèi)擁有在128個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)間隔100kHz，適用于跳頻協(xié)議；擁有載波檢測(cè)功能和4級(jí)輸出功率調(diào)節(jié)功能，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出功率調(diào)整發(fā)送距離，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到100kbps，通信距離可達(dá)467m〔7〕。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊是多種傳感器的組合，一般包括瓦斯傳感器、溫濕度傳感器和粉塵傳感器等，本文僅以KGS－20型瓦斯傳感器為例。KGS－20的工作參數(shù)為響應(yīng)時(shí)間≤20 s，恢復(fù)時(shí)間≤30s，當(dāng)甲烷濃度≥1%即報(bào)警，工作溫度范圍－15℃～＋50℃，濕度≤97%RH，靜態(tài)功耗為150 mW，報(bào)警狀態(tài)功耗為300mW，供電電壓為－DC3～5V；工作原理是瓦斯?jié)舛纫鹈舾须娮鑂S的變化，導(dǎo)致負(fù)載電阻RL上的電壓發(fā)生變化，瓦斯?jié)舛戎蹬c電壓值之間成一定比例關(guān)系〔8〕，nRF9E5通過(guò)讀取該電壓獲得瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

圖3 KGS－20驅(qū)動(dòng)電路

KGS－20的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，由于驅(qū)動(dòng)電壓的取值范圍為0.9±0.05V，因此可采用I／O口進(jìn)行分壓驅(qū)動(dòng)，傳感器輸出端接nRF9E5的ADC接口。

3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)上文的硬件模塊介紹，可知傳感器節(jié)點(diǎn)的電源消耗主要集中在瓦斯檢測(cè)和發(fā)送接收過(guò)程，考慮到實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中并不需要密集性監(jiān)測(cè)，通訊模塊也不需要一直處在發(fā)送和接收狀態(tài)，為降低功耗，節(jié)點(diǎn)對(duì)瓦斯進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，并且根據(jù)MAC協(xié)議和路由協(xié)議，傳感器節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)狀態(tài)：工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)。工作狀態(tài)功耗高，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和收發(fā)；休眠狀態(tài)時(shí)只有nRF9E5的射頻模塊定時(shí)監(jiān)聽信道，功耗極低。

3.1 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)與分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在井下各個(gè)位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的檢測(cè)范圍，每隔一分鐘就會(huì)對(duì)該區(qū)域的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛刃∮诰渲?，傳感器?jié)點(diǎn)會(huì)把數(shù)據(jù)通過(guò)鄰近的節(jié)點(diǎn)逐級(jí)上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；若瓦斯?jié)舛却笥诰渲?，傳感器?jié)點(diǎn)會(huì)有3個(gè)動(dòng)作：

（1）立即向該區(qū)域的警報(bào)裝置發(fā)出報(bào)警指示，聲光報(bào)警；

（2）按照通信協(xié)議把數(shù)據(jù)逐級(jí)上傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；

（3）進(jìn)行密集型檢測(cè)，每隔30s采集一次瓦斯?jié)舛龋褦?shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳送給地面。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

傳感器節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到數(shù)據(jù)后就面臨如何把數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)的問(wèn)題。根據(jù)多信道MAC協(xié)議以及基于數(shù)據(jù)匯聚的路由協(xié)議，組網(wǎng)時(shí)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要為各傳感器節(jié)點(diǎn)完成以下工作：①為各節(jié)點(diǎn)分配信道，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)與自己兩跳鄰居信道不一樣；②建立最短路徑，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)節(jié)點(diǎn)級(jí)別。

具體解決過(guò)程如下：

（1）數(shù)據(jù)通信前的準(zhǔn)備。由于一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下會(huì)包含很多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，如果同一時(shí)間有多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，還會(huì)浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)電源能量；同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)是定期檢測(cè)和發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在空閑時(shí)盡可能的使節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，只有需要采集數(shù)據(jù)以及收發(fā)信息時(shí)節(jié)點(diǎn)才正常工作。由于nRF9E5有128個(gè)信道，分配信道時(shí)根據(jù)多信道接入MAC協(xié)議，使用其中一個(gè)作為廣播信道，用于網(wǎng)關(guān)在組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)重組時(shí)發(fā)送廣播信號(hào)；由于無(wú)線信號(hào)發(fā)射距離有限，在節(jié)點(diǎn)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，即時(shí)使用相同頻帶也不會(huì)發(fā)生干擾，分配時(shí)只要保證任意節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居信道都不一樣即可，因此剩下的127個(gè)信道可分配給127個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)甚至更多個(gè)。傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先偵聽目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信道，若空閑就發(fā)送喚醒信號(hào)，喚醒節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)間距離，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，以降低功耗，接收節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好以后會(huì)返回一個(gè)開始接受信號(hào)，通信隨即開始；傳感器節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)會(huì)每隔一段時(shí)間監(jiān)聽自己的數(shù)據(jù)信道，如果有喚醒信號(hào)，就喚醒本節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)休眠。

（2）數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布在井下各個(gè)區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)定時(shí)采集環(huán)境參數(shù)并上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還要轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，即數(shù)據(jù)是逐級(jí)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)選用基于數(shù)據(jù)匯聚的路由協(xié)議最合適。該協(xié)議把一個(gè)網(wǎng)關(guān)控制下的N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)位置再劃分為多個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有自己的網(wǎng)絡(luò)代號(hào)。組網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在廣播信道上發(fā)送廣播信息E，該信息包含一個(gè)傳感區(qū)域代號(hào)和節(jié)點(diǎn)級(jí)別。節(jié)點(diǎn)在接收到廣播信息E后，把發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，然后判斷自己是否處于該傳感區(qū)域中，如果不在，則將該消息中的節(jié)點(diǎn)級(jí)別增加1，并把這個(gè)消息轉(zhuǎn)發(fā)給周期的其它節(jié)點(diǎn)。不在該傳感器區(qū)域的節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)廣播信息E，會(huì)把這些節(jié)點(diǎn)中級(jí)別最低的那個(gè)作為自己的父節(jié)點(diǎn)并記錄下來(lái)；第一個(gè)在該區(qū)域的節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息E，就會(huì)在E中增加一個(gè)屬性值1，表示該節(jié)點(diǎn)在這個(gè)傳感器區(qū)域，此時(shí)廣播信息就變?yōu)榱薋，這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)作為這個(gè)區(qū)域的根節(jié)點(diǎn)；F在該區(qū)域被很多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，最后每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)有一個(gè)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的最短路徑。由于nRF9E5的計(jì)算能力有限，本文采用隨機(jī)匯聚，即各傳感器節(jié)點(diǎn)在采集到數(shù)據(jù)后，先沿著各自最短路徑向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中如果有節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)接近，就進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，這樣可以減少傳輸量，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵，同時(shí)節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展為井下瓦斯監(jiān)測(cè)提供了很好的解決方法，方便了礦井的安全監(jiān)控、隱患排查和礦難事故的救援等。在井下巷道改變時(shí)，不需要鋪設(shè)有線線路，只需要把廢棄巷道中的傳感器節(jié)點(diǎn)布置于新巷道中或在新巷道中添加新的節(jié)點(diǎn)，具有很大的靈活性，降低了成本，便于日常維護(hù)。本文利用nRF9E5芯片的多信道功能，通過(guò)合理分配信道，建立最短路徑，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞，獲得了最小的時(shí)延，使地面監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)觀察井下瓦斯?jié)舛?，提高了監(jiān)控設(shè)備安全可靠性，為井下人員提供了較為有效的安全保障。

參考資料：

〔1〕錢春麗，張興敢.用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔J〕.電子技術(shù)應(yīng)用，2006（9）：21－23.

〔2〕汪丹丹，等.礦用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)〔M〕.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

〔3〕孫利民，李建中，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔M〕.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

〔4〕馬祖長(zhǎng)，孫怡寧，梅 濤.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述〔J〕.通信學(xué)報(bào)，2004，4（25－4）：114－124.

〔5〕汪丹丹，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議研究〔J〕.自動(dòng)化儀表，2007，9（28－9）：25－28.

〔6〕彭 剛，曹元大，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于數(shù)據(jù)匯聚的路由〔J〕.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005（12）：12－14.

〔7〕訊 通 科 技.nRF9E5 中 文 手 冊(cè).http：／／read.pudn.com／downloads169／ebook／777639.

〔8〕國(guó)泰恒安.可燃?xì)鈧鞲衅?KGS－20說(shuō)明書.http：／／wenku.baidu.com／view／e557484e2e3f5727a5e96266.html.