礦用無線傳感器自組網(wǎng)研究

石杰

摘 要：文章介紹了一種礦用無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)，利用分散布置在煤礦綜采工作面、運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道內(nèi)的無線傳感器互相協(xié)作，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)。整個網(wǎng)絡(luò)由1臺交流供電的采集分站作為數(shù)據(jù)集中設(shè)備，負(fù)責(zé)對所有傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集管理，并通過以太網(wǎng)或者其他方式傳輸?shù)降孛妗?/p>

關(guān)鍵詞：煤礦；無線傳輸；mesh；分布式；對等網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TD679 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0010-04

Abstract： This paper introduces a kind of mine-used wireless sensor netting technology. The distributed network is formed by the cooperation of the wireless sensors distributed in the fully-mechanized coal mining face， the transportation tunnel and the return air tunnel. The whole network is composed of an alternating current（AC） power supply data collection sub-station， which is responsible for collecting and managing the data of all sensors， and transmitting the data to the ground by Ethernet or other means.

Keywords： coal mine； wireless transmission； mesh； distributed； peer-to-peer network

引言

萬物互聯(lián)是當(dāng)前時代發(fā)展的趨勢，從家用產(chǎn)品到工業(yè)產(chǎn)品無不朝著這個方向在進(jìn)步。工業(yè)控制系統(tǒng)向著自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，信息傳輸?shù)耐ǖ酪哺拥亩鄻踊瑹o線傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞綉?yīng)用更加廣泛。礦用設(shè)備大到重型鉆機(jī)、大型皮帶，小到傳感器、標(biāo)識卡都可加入到井下無線網(wǎng)絡(luò)中，通過集中轉(zhuǎn)換設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)還能進(jìn)行大數(shù)據(jù)管理。本文主要介紹的是專為煤礦環(huán)境設(shè)計的一種超低功耗無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)，整個網(wǎng)絡(luò)除了1臺采集分站需要電源供電外，其他所有設(shè)備均采用電池供電，在滿足煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的條件下所有節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)工作半年以上時間。

1 使用環(huán)境

礦山環(huán)境是一種比較特殊的情況，所有傳感器沿著巷道呈一字排開，傳感器間隔從10m到100m不等，礦上壓力監(jiān)測、瓦斯安全監(jiān)控、氣體監(jiān)測、火災(zāi)監(jiān)控等各種傳感器數(shù)量較為客觀，完全能夠滿足無線組網(wǎng)的硬件條件。相對于普通工業(yè)應(yīng)用或者民用環(huán)境，這種測點(diǎn)布局更加接近理想化，可以采用更加簡單的路由算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理；不同的是煤礦應(yīng)用環(huán)境下，設(shè)備取電是一大難題，受制于煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，傳感器的低功耗要求非常嚴(yán)苛。為了解決上述問題，本文介紹了一種特殊的無線傳感器組網(wǎng)方案。

2 硬件設(shè)計

整個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由兩種設(shè)備構(gòu)成：傳感器和采集分站。采集分站除了多出了有線上傳功能外，其他硬件與傳感器無異。硬件部分主要有低功耗MCU、無線收發(fā)電路、超低功耗遙控電路、穩(wěn)壓電路、時鐘模塊、顯示電路構(gòu)成，其原理框圖如圖2。

2.1 精確定時設(shè)計

整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要保持高精度的時鐘同步，確保每個節(jié)點(diǎn)能夠獲得更多的休眠時間，以降低無線網(wǎng)絡(luò)的功耗開銷。此處選用PCF8563作為系統(tǒng)的時鐘芯片，該芯片除了擁有極高的定時精度外還有低達(dá)0.25uA的休眠功耗和1.8V的供電電壓，非常適用于電池供電的無線設(shè)備。

PCF8563[1]自帶有秒、分、時、日、周、月、年報警，最高可以自定義秒級中斷。此外，該芯片還自帶8位倒計時定時器，最高可精確到4096Hz（約0.2ms）的時間片。通過報警中斷與定時器計時配合，PCF8563能夠?qū)o線節(jié)點(diǎn)的同步喚醒偏差降低到毫秒級。

2.2 MCU及射頻電路

低功耗系統(tǒng)的MCU必須選取帶休眠功能的型號，TI的MSP430系列，ST的STM32L系列都是比較出色的低功耗MCU；也可以根據(jù)需要選取一些廠家封裝好的SOC，經(jīng)過深度優(yōu)化的MCU加射頻前端的SOC方案，在實際開發(fā)時更有優(yōu)勢，如TI的CC2530、CC2538、CC430等。射頻電路可以根據(jù)需求選取，礦用環(huán)境選擇Sub1GHz頻段，傳輸距離更遠(yuǎn)，但傳輸速率較低；選擇2.4GHz，傳輸速率相對較高，但是信號繞射能力較弱，相同功率下傳輸距離要遜于Sub1GHz頻段。本文以CC2530為例，介紹基于2.4GHz頻段的無線組網(wǎng)傳輸。

2.3 其他電路

整個硬件電路最重要的就是低功耗設(shè)計，在非必要的情況下，盡可能減少外圍電路。在必須要增加電路的情況下，盡量選擇帶低功耗功能的器件，實在避免不了可以增加開關(guān)電路，在不需要的時候通過軟件斷開這部分電路的電源。

電池供電的情況下，輸入端用一顆低功耗的LDO芯片穩(wěn)壓即可，有些芯片可能對反向電壓的承受能力較弱，可以在輸入端反向并聯(lián)一個極低漏電流的二極管。

3 組網(wǎng)方案

無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)可以分為三個層次，從底層往上分別為：通信與組網(wǎng)、管理與基礎(chǔ)服務(wù)、應(yīng)用系統(tǒng)[2]。

3.1 通信與組網(wǎng)

這一部分是組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，也是最關(guān)鍵的部分，主要負(fù)責(zé)隨機(jī)布置的傳感器節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)無線通訊以及自組網(wǎng)絡(luò)，同時也向管理與服務(wù)層提供服務(wù)支持。

（1）物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制層 （MAC）

CC2530是典型的ZigBee芯片，其物理層（PHY）、介質(zhì)接入控制層（MAC）是完全按照IEEE802.15.4工作小組制定的協(xié)議設(shè)計的，整個PHY層和部分MAC層功能已經(jīng)集成在硬件內(nèi)，只需通過嵌入式軟件進(jìn)行配置使用。

物理層定義了16個信道（2405MHz-2483.5MHz），信道編號為11-26，采用O-QPSK調(diào)制方式，傳輸速率250kbps，信道與頻率的關(guān)系如下[3]：

F=2405+5（k-11）MHz

介質(zhì)接入控制層主要處理物理層的無線接入，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。CC2530硬件自帶幀過濾和幀校驗，可以減少CPU的軟件干預(yù)，縮短幀處理時間，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

CC2530的無線數(shù)據(jù)幀格式如圖4。

首先是檢測幀引導(dǎo)序列和SFD，校驗通過后接收幀長（LEN）。然后進(jìn)行三級幀過濾，幀過濾項可以通過軟件配置，主要提供：幀長度、幀版本號、地址模式、FCF、源地址和目的地址匹配等幾個方面的條件過濾，詳細(xì)內(nèi)容可以參考CC2530的官方數(shù)據(jù)手冊。

接收模式下，幀過濾通過后，無線模塊按照幀長接收數(shù)據(jù)包并由硬件進(jìn)行幀校驗。校驗結(jié)果并非以FCS序列本身值輸出，而是給了1位FCS的正確性。因此接收期間FCS序列本身不寫入RX FIFO，只在接收包的最后一個字節(jié)給出校驗結(jié)果（如圖5），在程序設(shè)計時只需讀出對應(yīng)位的值以判斷幀校驗。

（2）路由

礦用無線傳感器從節(jié)點(diǎn)規(guī)模上相比民用或者普通工業(yè)用產(chǎn)品要小得多，每個采集分站負(fù)責(zé)的局部節(jié)點(diǎn)數(shù)量不超過100個節(jié)點(diǎn)，且基本呈一字排開，需要每個節(jié)點(diǎn)都能成為路由[4]；除采集分站（相當(dāng)于協(xié)調(diào)器）可以有線供電外，其余節(jié)點(diǎn)必須電池供電。因此通用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并不適用，故我們需要重新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)層。

由采集分站建立網(wǎng)絡(luò)，首先進(jìn)行信道掃描，采用一個其他網(wǎng)絡(luò)沒有使用的空閑信道，同時確定節(jié)點(diǎn)配置參數(shù)，如最大的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量、最大層數(shù)、路由表生存期等。

傳感器入網(wǎng)采用簡易洪泛法[5]，考慮煤礦特殊環(huán)境和傳感器成本，每個節(jié)點(diǎn)并不帶GPS或其它類型的定位模塊，整個鏈路和節(jié)點(diǎn)位置通過接收臨節(jié)點(diǎn)的能量強(qiáng)度，通過算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位，從而形成整個鏈路的定位模型。每個節(jié)點(diǎn)接收周圍節(jié)點(diǎn)的無線信號，并記錄下各節(jié)點(diǎn)到該點(diǎn)的信號強(qiáng)度。通過計算對比，估算出各節(jié)點(diǎn)到該點(diǎn)的大概距離遠(yuǎn)近（可以只需要知道遠(yuǎn)近順序，該值無法確定方向）。根據(jù)單鏈路的特性，從首節(jié)點(diǎn)開始逐個確定下一節(jié)點(diǎn)的編號，每個節(jié)點(diǎn)從自身收到的節(jié)點(diǎn)信息中先去除前級已經(jīng)確定的節(jié)點(diǎn)，再從剩下的節(jié)點(diǎn)中篩選出能量最強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)作為后級節(jié)點(diǎn)，直至無剩余節(jié)點(diǎn)，則完成鏈路排序。（期間若有電壓過低的節(jié)點(diǎn)可以直接跳過，并將欠壓信號上傳，通知用戶更換電池）

首節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點(diǎn)逐個加入，按照后級節(jié)點(diǎn)的RSSI強(qiáng)度值進(jìn)行排序，確定最終路徑，簡化流程示意如圖6。

鏈路完成后，整個鏈路所有節(jié)點(diǎn)共享路徑信息，同時保存臨節(jié)點(diǎn)的能量強(qiáng)度和電量狀況，在數(shù)據(jù)傳輸時根據(jù)以上條件自足選擇最優(yōu)前、后級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。整個網(wǎng)絡(luò)的路由狀況是不固定的，每次傳輸數(shù)據(jù)后，各節(jié)點(diǎn)需根據(jù)接收數(shù)據(jù)包中的信息以及信號質(zhì)量，更新本節(jié)點(diǎn)內(nèi)保存的臨節(jié)點(diǎn)鏈路質(zhì)量信息（包含RSSI、電量等）。

新節(jié)點(diǎn)的加入有兩種方式：

a.新節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)生入網(wǎng)請求命令，在線節(jié)點(diǎn)收到后將本節(jié)點(diǎn)的臨節(jié)點(diǎn)信息下發(fā)各該點(diǎn)，新節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)容以及返回包的能量強(qiáng)度，計算本節(jié)點(diǎn)位于鏈路中的位置并插入，將新鏈路上次給在線節(jié)點(diǎn)，在線節(jié)點(diǎn)收到后廣播整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新。此方案存在算法缺陷，單個節(jié)點(diǎn)返回信息可能不足以準(zhǔn)確排序，會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)鏈路出現(xiàn)“回環(huán)”現(xiàn)象，因此在入網(wǎng)時可以通過兩個或更多在線節(jié)點(diǎn)返回信息再計算路徑。

b.新節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)送重新組網(wǎng)命令，在線節(jié)點(diǎn)收到后廣播整個網(wǎng)絡(luò)重新組網(wǎng)，所有節(jié)點(diǎn)開啟洪泛模式，再次生成新的鏈路。此方案可靠性較高，但是網(wǎng)絡(luò)開銷大，在節(jié)點(diǎn)較少的時候可以使用，節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時慎用。

（3）QoS控制

QoS（Quality of Service）指一個網(wǎng)絡(luò)能夠利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，為指定的網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)能力， 是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制，是用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的一種技術(shù)[2]。如果網(wǎng)絡(luò)在時間上無特別要求，一般來說不需要QoS，比如Web、電子郵件等。但是對于一些有時間限制的應(yīng)用則非常重要，比如環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)、路側(cè)停車系統(tǒng)等，這些要求實時數(shù)據(jù)上傳和下載，在網(wǎng)絡(luò)擁堵的時候，必須保證數(shù)據(jù)傳輸不受延遲或者丟棄。

礦用無線傳感器對QoS還是有一定的要求，首節(jié)點(diǎn)為電源供電的采集分站，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，同時也負(fù)責(zé)匯聚數(shù)據(jù)的上傳功能；其余節(jié)點(diǎn)為低功耗節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳遞功能。在入網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、對時等數(shù)據(jù)交換時，必然會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，解決這一問題必須進(jìn)行QoS控制。CC2530硬件集成了一項避讓功能（CSMA-CA），可以加入一定的算法進(jìn)行避讓控制：

無線節(jié)點(diǎn)在發(fā)射之前先短時開啟接收，偵聽信道中能量強(qiáng)度，當(dāng)能量強(qiáng)度超過閾值時給出避讓信號，暫停發(fā)射，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入隨機(jī)短時間的休眠狀態(tài)再次進(jìn)入偵聽模式，若仍有無線信號，再次避讓，直至信道空閑在打開發(fā)射。需要注意的是，避讓時間需要以指數(shù)增加，避免在信道中有大數(shù)據(jù)包發(fā)送時，該節(jié)點(diǎn)頻繁喚醒浪費(fèi)功耗。此外在網(wǎng)絡(luò)傳輸層也需對整個鏈路的數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)籌管理，避開不必要的數(shù)據(jù)碰撞，具體介紹見3.2管理與服務(wù)。

3.2 管理與服務(wù)

管理與服務(wù)是建立在通信與組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，向系統(tǒng)服務(wù)提供支持的。主要是負(fù)責(zé)整個組網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的時間同步及系統(tǒng)管理。

（1）時間同步

首先要做的精確定時，所有傳感器節(jié)點(diǎn)自帶RTC，能夠提供高精度的標(biāo)準(zhǔn)時間。參見2.2節(jié)。

其次整個系統(tǒng)需要由完善的對時機(jī)制，采集分站提供整個系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間，所有節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時獲取系統(tǒng)時間后修正本地時間，在系統(tǒng)休眠狀態(tài)下，各節(jié)點(diǎn)以自身的RTC進(jìn)行計時。每次系統(tǒng)喚醒后，數(shù)據(jù)交換過程中必須帶時間信息，每個節(jié)點(diǎn)比對本地時間，若出現(xiàn)偏差及時修正，保證整個鏈路所有節(jié)點(diǎn)時間同步（偏差控制在毫級秒內(nèi)）。

（2）系統(tǒng)管理

節(jié)點(diǎn)管理：對于多次無法同步喚醒的節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)需要從鏈路中將其刪除，盡量避免浪費(fèi)系統(tǒng)功耗；當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓過低時，需要主動上傳欠壓狀態(tài)，通過系統(tǒng)軟件提示客戶提前更換電池，同時該節(jié)點(diǎn)將失去作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的資格（不存在備份路徑的情況下，需繼續(xù)作為跳傳節(jié)點(diǎn)），所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的跳傳盡可能避開該節(jié)點(diǎn)。

休眠管理：同步喚醒工作時，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)及后續(xù)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)上傳功能后，節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次喚醒，因此整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是異步休眠的。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能，前兩層提供了一條可靠的無線傳輸平臺，用戶可以在系統(tǒng)層建立各種數(shù)據(jù)獲取、報警下發(fā)、定位捕獲等功能，也可以通過采集分站接入上層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)上傳和井下設(shè)備遠(yuǎn)程管理。

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