礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

蘇正杰，單梓育

（遼寧科技學(xué)院 曙光大數(shù)據(jù)學(xué)院，遼寧 本溪 11700）

在礦井開采的過程中，為了保證開采工作安全進行，需要實時對礦井進行通風(fēng)。由于礦井下的特殊構(gòu)造，井下耗能成本較高，因此在保障礦井良好的通風(fēng)效果的同時，盡可能的減少礦井通風(fēng)的能耗。在現(xiàn)存的通信網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井特殊的工作環(huán)境中具有很多的優(yōu)勢，安裝方便，能避免礦井下線路連接混亂，耗能低，移位靈活，最重要的就是能夠?qū)⒌V井內(nèi)的濕度、溫度、風(fēng)量及風(fēng)速等參數(shù)進行詳細(xì)的測量，并通過無線傳感傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備當(dāng)中，提升了測試準(zhǔn)確度，為及時實現(xiàn)礦井通風(fēng)并減少不必要的能耗提供技術(shù)支持[1]?，F(xiàn)有的礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸速度慢，因此設(shè)計一種礦井通風(fēng)耗能監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。

1 礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.1 引入三維傳輸技術(shù)

在礦井下的特殊環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，因此將礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的引入三維傳輸技術(shù)。設(shè)計的傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)成包括傳感器終端和分布在礦井內(nèi)的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，內(nèi)個節(jié)點在經(jīng)過部署之后在設(shè)置的區(qū)域內(nèi)移動監(jiān)控。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都有自己獨特的作用，因此各個節(jié)點的功能單一卻高效[2]。整個能耗監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以固定的一段時間為周期進行工作監(jiān)測，在工作周期內(nèi)，各節(jié)點對礦井下的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，經(jīng)過處理后利用三維傳輸至傳感器終端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的管理節(jié)點在三維傳輸中位置可以移動，因此有效的增加傳輸路徑，為加快無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度打下基礎(chǔ)。

1.2 設(shè)計路由協(xié)議

在能耗監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)升級后，傳輸路徑有所增加，但是為了增加傳輸速度，就需要在眾多路徑中選擇距離最短的路徑。盡管礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的區(qū)域固定且有限，但在實際工作中也需要較準(zhǔn)確地掌握各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在礦井內(nèi)的位置信息。對礦井環(huán)境下的礦井溫度、濕度、風(fēng)量、風(fēng)速等情況進行監(jiān)測[3]，需要搭配其檢測的位置信息同時上傳。因此需要對基于位置信息路由協(xié)議進行設(shè)計。路由協(xié)議有不同的類型，其類型與具體特征詳見表1：

表1 路由協(xié)議的類型

根據(jù)上表中路由協(xié)議的類型以及特征，結(jié)合礦井的實際需要，選擇了位置信息路由協(xié)議的GPSR協(xié)議。該協(xié)議是一種典型的基于位置的路由協(xié)議，應(yīng)用該協(xié)議時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能夠確切地提供所在的位置信息，同時對收集到的這些位置信息進行了統(tǒng)一管理[4]。在啟用GPSR協(xié)議的模式中，沿直線傳輸位置信息數(shù)據(jù)或收到數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，可以向絕對距離最靠近的節(jié)點或相鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了傳輸路徑最短距離優(yōu)先。

1.3 優(yōu)化協(xié)調(diào)器

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用路由協(xié)議，使得礦井內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息的傳輸路徑最短。為了保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，需要對協(xié)調(diào)器進行優(yōu)化。礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控通過無線傳感器相連，進而將相關(guān)的參數(shù)進行實時的傳輸與處理。傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)信息以特定的編碼方式將數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)的傳輸過程需要通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式實現(xiàn)[5]。

協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)通信的作用相當(dāng)于一個加密器，主要完成數(shù)據(jù)保護等工作。通信開始后，協(xié)調(diào)器能夠創(chuàng)建接受特定編碼信息的套接字，利用套接字將IP地址和端口結(jié)合，連接到服務(wù)器端。連接成功后，協(xié)調(diào)器開始通過套接字實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，若連接不成功，協(xié)調(diào)器會自動進行超時重連。數(shù)據(jù)收發(fā)完成后，協(xié)調(diào)器關(guān)閉套接字，完成信息傳輸。至此完成了礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

2 實驗

為了驗證設(shè)計的礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性，設(shè)計仿真實驗，與傳統(tǒng)的監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度進行對比，實驗結(jié)果如圖1所示：

圖1 傳輸速度對比結(jié)果

根據(jù)圖1的對比結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，驗證了設(shè)計的礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸速度慢，在本文設(shè)計的礦井通風(fēng)耗能監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，引入了三維傳輸技術(shù)，增加了信息數(shù)據(jù)的傳輸路徑，通過對路由協(xié)議進行選擇，實現(xiàn)了傳輸路徑最短距離優(yōu)先，對協(xié)調(diào)器進行優(yōu)化，保證傳輸信息的準(zhǔn)確性。為了驗證設(shè)計的礦井通風(fēng)能耗監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性，設(shè)計仿真實驗，實驗結(jié)果表明設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度高于傳統(tǒng)方法。