面向礦井安全監測的無線傳感器網絡設計

李豐杰 徐守志 徐 波

（三峽大學 計算機與信息學院，湖北 宜昌 443002）

目前，礦井安全監測系統主要以有線方式實現參數監測與信息傳輸任務，存在布線復雜，網絡結構相對固定，不能滿足掘進工作面延伸的動態變化要求，通信線路容易損壞，維護成本高等一系列問題［1］.現有的有線監測系統大部分均通過CAN總線的方式實現礦井下的安全監測［2］.隨著傳感技術、MEMS技術、無線通信技術、分布式信息處理技術的發展，無線傳感器網絡快速部署、自組織、多跳路由、動態拓撲等特點使其為井下安全監測提供了有效的技術手段和途徑，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重損耗問題.現有一些監測系統通過有線與無線相結合的方式來實現礦井下的安全監測［3－4］，還有一些礦井監測系統利用無線傳感器網絡收集數據，然后通過GPRS的方式將數據傳輸至遠程控制中心來實現安全監測［5］.另外，對于巷道內的網絡設計考慮的方面也有諸多不同，有通過鏈式分簇的方式構建的層次型無線傳感器監測網絡［6］，也有針對線型無線傳感器網絡能耗研究提出的節能型網絡節點部署策略［7］，還有針對巷道內的無縫覆蓋及節點的連通率研究提出的節點部署策略［8－10］.

在上述背景下，本文首先根據系統的需求對總體系統結構進行了設計，然后針對節點失效方面結合礦井中幾種巷道結構進行相應的網絡結構設計，并在已有的軟硬件平臺上進行了相應的模擬實驗.

1 系統需求及總體結構設計

1.1 系統需求

為實現對礦井下環境參數的實時安全性監測，設計滿足如下要求的監測系統：①對礦井下瓦斯、CO2等影響井下安全的環境參數進行自動采集、實時傳輸和集中處理；②用戶能夠實時查看參數值的變化情況及井下各傳感器節點的運行狀態；③系統應具有較高的性價比、可靠性、靈活性及擴展能力，且在升級、布線、供電及安裝使用方面能夠方便地進行維護.

1.2 系統總體結構

圖1所示為礦井安全監測系統的總體結構，礦井下無線傳感器網絡采用的是一種分簇結構，各個簇根據礦井下支巷道結構的不同會有一定的差異，每個分簇包含一個協調器節點和若干監測節點且自成一個獨立的網絡，各監測節點均具有路由功能，各分簇的協調器節點與控制中心采用WIFI無線網絡連接.

圖1 礦井監測系統總體結構

1.3 各組成部分的功能定義

監測節點一方面通過各種傳感器感知礦井下的環境參數并對其進行周期采樣、分析和發送，另一方面對下一級的監測節點發送過來的數據包進行轉發.為了降低監測節點的功耗，對于標量數據可進行多次采樣，然后將采樣的結果進行打包后再發送到協調器節點.

協調器節點對分簇子網的通信進行相關管理（包括監控分簇內各監測節點的運行及接收存儲簇內監測節點傳送的采樣數據包），并對其進行匯總、分析及格式轉換等處理后發送到無線網絡，另外還能夠對控制中心發送過來的指令解析后實現相關運行參數的調整.

控制中心通過無線網絡接收協調器節點傳送過來的數據并對其進行分析，若環境參數超出安全范圍則進行預警操作，并能提供網絡狀態監控、拓撲結構查看、節點工作參數設定等功能，使用戶可實時監測井下的安全狀況并采取適當措施.

2 無線傳感網絡設計

礦井下巷道結構較復雜，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構，且巷道內存在各種運輸設備，布置節點時選擇將傳感器節點布設在巷道的頂部且呈線型分布.

另外巷道內部分區域環境條件惡劣，該區域的節點因環境因素導致失效的可能性較大.由于各監測節點具有失效重連的功能（如圖2所示），所以在關鍵區域采用一種防止節點失效的部署方法，即在關鍵區域布置相應的冗余轉發節點.如果某節點失效，失效節點的前后兩個節點的距離仍在節點的通信范圍之內，能夠重新組網傳送數據包，這樣就能夠保證不會因單個節點的失效而導致這種鏈式網絡的癱瘓.

圖2 監測節點失效時網絡恢復流程

根據巷道特征，礦井巷道結構可以分為直線巷道、直角彎道、障礙物巷道和傾斜巷道4種類型.對每一種類型設計相應的節點布置方法保證關鍵區域網絡的健壯性，節點按照結構特征布置如圖3所示.

圖3 4種巷道結構的監測節點布置

在以上4種巷道結構中，按照監測節點的工作流程，當網絡中的任一節點失效后，失效節點的前后兩個節點仍然在通信范圍之內，能夠繼續傳輸數據.其中障礙物巷道模型的節點2和節點3布置在巷道側壁，傾斜巷道模型的節點2和節點7布置在巷道側壁.

3 相關實驗及結果

3.1 模擬實驗

根據上述設計的節點覆蓋方法，分別對4種巷道結構進行模擬實驗.實驗采用一個協調器節點及兩個監測節點，監測節點可以充當路由節點.模擬實驗中網絡結構分為單點直連和增強轉發兩種方式.單點直連方式下，監測節點直接向協調器節點發送數據，傳輸距離接近傳輸極限.增強轉發方式是根據相應的巷道模型，適當增加中間路由節點.

1）直線巷道模擬.單點直連結構是將一個協調器節點和一個監測節點在走廊中放置成一條直線，兩個節點間的間距為70m.增強轉發結構是在單點直連結構的中間放置一個路由節點轉發數據包，節點間的距離為35m.

2）直角彎道模擬.單點直連結構是將協調器節點與監測節點放置在樓層拐角的兩側，兩節點距拐角均為4m.增強轉發結構是在單點直連結構的拐角處放置一個路由節點.

3）障礙物巷道模擬.單點直連結構是將協調器節點與監測節點分別放置在實驗室鐵門的兩側，監測節點距鐵門5m，協調器節點距鐵門為10m.增強轉發結構是在鐵門處（繞過鐵門）放置一個路由節點進行數據包的轉發.

4）傾斜巷道模擬.單點直連結構是將協調器節點放置在樓層的樓梯處，監測節點放置在下兩層的樓梯處，兩節點相距15m.增強轉發結構是在單點直連結構的中間層放置一個路由節點轉發數據包.

按照上述的4種結構的布置方法分別進行實驗模擬，每種結構進行5組實驗，每組實驗對單點直連與增強轉發兩種網絡結構分別發送800個數據包，測試4種巷道結構下兩種通信方式的丟包率對比結果如圖4所示.

從上述的實驗結果可以看出，4種巷道結構下，增強轉發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的路由節點降低了網絡的丟包率，提高了網絡的通信質量.

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轉發兩種網絡結構方式，使用NS2分別對兩種部署結構進行仿真，設置通信半徑r為70m，能量模型為shadowing，每個節點的初始能量為1.25J，發送數據包消耗能量為0.082 5W，接收數據包消耗能量為0.075 9 W.單點直連結構的場景中線型布置4個節點，節點間距為70m，增強轉發結構的場景中線型布置7個節點，節點間距為35m，仿真從30s開始至30min結束，得到整個網絡的能耗比隨時間的變化關系如圖5所示.

圖5 能耗比對比圖

其中能耗比指網絡消耗的能量與總能量之比.從以上結果可以看出，兩種網絡結構的能耗比隨時間的增長呈線性關系，隨時間的增長增強轉發方式的能耗比小于單點直連方式.增強轉發方式雖增加了節點的數量，但是降低了網絡的能耗比，在一定程度上延長了網絡的生命周期.

4 結 語

無線傳感器網絡技術為解決井下安全監測問題提供了有效的技術手段和途徑.然而礦井巷道的復雜環境給整個網絡節點的部署及數據的有效傳輸產生了很大的影響，而且可能因關鍵區域的某個節點失效而造成整個網絡的癱瘓.本文針對節點失效問題結合4種巷道結構提出了相應的網絡傳輸的轉發策略，同時利用現有軟硬件平臺對4種巷道結構進行了相應的模擬實驗，對單點直連與增強轉發兩種網絡結構進行了丟包率測試及能耗仿真分析，結果表明采用增強網絡轉發策略的節點部署降低了網絡的丟包率及能耗比，提高網絡傳輸性能的同時延長了網絡的生命周期.

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