煤礦WSN動態組網與傳輸關鍵技術研究

摘要：可靠、實時有效的信息傳輸是礦井復雜動態環境下作業安全監測、遠程控制和應急救援的基礎，是數字化礦山和地下無人開采技術的關鍵。本文研究礦山復雜環境條件下，高效、動態、靈活的組網與實時可靠的信息傳輸試驗平臺。自適應WIFI和WSN動態組網，實現有效覆蓋和連通性保持控制及事故后快速自組網重構；有效地解決基于WIFI和WSN的礦山無線異構網絡多跳數據、視頻傳輸及分布式控制等關鍵技術問題；構建基于WIFI和WSN的礦井無線通信與救援支撐試驗平臺。

關鍵詞：WIFI WSN 異構網絡 動態覆蓋

引言

礦山工業是國民經濟支柱產業，對經濟發展具有重要作用。隨著國家對礦山安全重視程度不斷加強，礦山企業陸續建立起各種安全監測，對保障礦山安全和生產起了重要作用。

近幾年礦井建設的工業以太網綜合自動化系統，利用環網增強通信的冗余性，建立了實時、可靠的傳輸骨干承載網。由于礦山井下作業環境復雜，有線通信網絡無法達到一些區域，有限的監測點無法全方位監測采掘工作面等安全關鍵區域的災害信息，現有的有線通信網在礦山井下范圍內存在“盲區”，無法實現對工作面等關鍵區域的通信覆蓋。

在礦山復雜環境條件下，高效、動態、靈活的組網與實時可靠的信息傳輸技術對無線傳感器網絡應用至關重要。作為無線傳感器網絡重要支撐技術，動態組網技術的研究是無線傳感器網絡的研發和產業化的理論基礎，為無線傳感器網絡數據通信和節點標識提供保證。隨著WIFI技術的發展，對基于WIFI和WSN的實時數據流轉發機制、實時滿足的帶寬預留機制、高可靠多跳組網技術與網絡冗余技術開展研究，可以有效地解決礦山無線網絡多跳數據、視頻傳輸的關鍵技術問題。

1、復雜環境下異構無線傳感器網絡體系結構

礦井無線傳感器網絡通常在惡劣、高危工作環境中，需要工作在地下，水，巖石以及各種混合介質的情況下，與一般的無線傳感器網絡工作條件存在巨大差異，需要對網絡體系結構以及組網協議進行高效設計。

針對巷道/工作面的長形隧道的空間特點，研究礦井立體空間的覆蓋控制、拓撲結構以及相關協議。在技術路線方面，擬采用圖論、隨機過程等數學工具和OPNET仿真軟件，通過理論分析、計算機仿真來建立模型，進行仿真研究。在保證系統連通性的前提下實現最小能量覆蓋控制，實現網絡協議的交叉層設計。

擬采用平面結構與層次結構相結合的，兼有兩者優點的新型網絡協議，主要研究如何在平面結構中引入“虛擬簇”的概念，減少拓撲生成過程中使用的控制報文，降低網絡通信開銷。

開發一種平面路由協議和層次路由協議相結合的新型協議。即在主干路由節點中使用平面路由協議，在sink節點中使用層次路由模型。這樣可以充分利用兩種協議的優點。主干路由節點基本呈線性撒布，節點位置固定，使用平面路由協議完全可以勝任，同時資源消耗也較小。Sink節點在礦井中一般呈平面或立體分布，撒布密度大，位置變化頻繁，適合使用層次路由模型，從而降低信息的傳輸時延，并簡化節點的狀態維護。

要求網絡與協議具有自適應能力， 提出靈活、動態的網絡和協議以適應物理層自適應調制、編碼和接入方案。實現礦井無線地下傳感器網絡的有效覆蓋和連通性保持控制及快速自組網重構。給出有效的障礙（Hazard）避免算法及變功率技術，以及在工作面、掘進面、采空區和順槽等區域保證覆蓋和連通性的有效方法。

2、無線傳感器網絡動態休眠與組網問題

在大規模的應用場景下，節點的休眠必須考慮到網絡的整體覆蓋率，保證重要區域的有效覆蓋；但傳統的休眠機制通常導致傳輸數據延時的增加，并不適用于及時檢測突發事件的發生，也無法對網絡中某個節點進行控制，因此研究動態休眠機制，節約網絡消耗的能量，同時保證網絡覆蓋率，保證對突發事件的及時響應是研究無線傳感器網絡休眠需要解決的問題。

為了實現無線傳感器網絡的動態休眠，我們采取的是主動喚醒與等待相結合的機制，傳感器網絡部署以后，將網絡分成大小不一的區域，設置區域首節點，并由其負責區域內節點的休眠調度，區域首節點之間由Sink節點負責協調休眠調度，這樣采用一種合理的休眠調度算法，保證網絡覆蓋同時達到休眠節約能量的目的。

3、基于WIFI和WSN的礦井無線通信與救援支撐平臺

傳感器網絡硬件平臺的設計主要是傳感器節點的設計，研究設計出具有微型化、擴展性和靈活性、穩定性和安全性及低成本特點的傳感器節點。研究無線傳感器網絡中間件技術，建立無線測控網絡系統，實現信息采集自動部署、自組織 傳輸和智能控制。

3.1信息感知節點硬件系統

在系統和國外相應產品的基礎上，選擇功耗低、尺寸小、性能優良的處理器、無線收發和存儲芯片，設計構建適用于礦井環境下的信息感知節點的硬件框架，并實現信息感知節點的硬件設計，信息感知節點基本配置示意如上圖所示。同時密切關注超寬帶和IEEE802.15.4等技術的發展，并尋求應用到網絡中的可能性。

3.2接入網關

接入網關sink應具有無線收發和接入煤礦通信網絡的能力。依據目前煤礦通信網絡采用環形冗余工業以太網的實際，如圖示，設計的sink使用的32位ARM9芯片作為系統控制核心，采用嵌入式Linux實時操作系統，支持10/100M以太網接口，而且增加了必要的數據采集和處理部分。

4、結語

通過wsn動態組網與傳輸關鍵技術研究為建立煤礦監控系統實現1、長期獲取煤礦巷道各種參數信息；2、對煤礦爆炸等事故做出預警提供了可能。針對煤礦支巷道的無線傳感器網絡多參數監測系統，具有可靠性高、覆蓋性好和擴展性強等優點，適合于礦井巷道局部監測井下瓦斯，粉塵等參數環境。

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