煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中的WSN路由算法設計

徐國萍

（山西焦煤西山煤電集團公司科協(xié)，山西 太原 030053）

·試驗研究·

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中的WSN路由算法設計

徐國萍

（山西焦煤西山煤電集團公司科協(xié)，山西 太原 030053）

由低功耗節(jié)點組成的WSN，可以處理、存儲、感知和交換數(shù)據(jù)，它被用于實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集。在煤礦安全生產(chǎn)中，為了達到實時監(jiān)控的目的，一種有效的路由算法對于安全監(jiān)控至關重要。本文描述了WSN網(wǎng)絡的設計，提出了一種移動代理的路由算法，描述了本系統(tǒng)的架構(gòu)和組成節(jié)點的硬件、軟件設備。它能有效地監(jiān)控環(huán)境，同時使用多鏈路路由，保證了數(shù)據(jù)的準確性。實踐表明，該算法能夠準確地獲取大量的信息，具有較高的精度，并且能有效地控制危害源，消除瓦斯事故。

煤礦安全；WSN；路由算法；移動代理

中國是一個瓦斯事故高發(fā)的國家。自2000年到2008年有近199次瓦斯事故，造成的傷亡人數(shù)高達1 063人。近幾年，瓦斯和煤氣爆炸監(jiān)控只是基于監(jiān)控的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和煤層上的參數(shù)。這樣就導致了監(jiān)控的可操作性、實時性和精確性以滿足安全管理的需求。

WSN是最新的IT技術，它由很多價格低廉的傳感節(jié)點組成。這些節(jié)點可以監(jiān)測收集數(shù)據(jù)并有獨立的計算功能。近幾年內(nèi)，WSN越來越多的應用于環(huán)境監(jiān)測領域。較之傳統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，WSN具有很多優(yōu)勢：首先，WSN的節(jié)點可以部署在煤礦的礦層，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設備很難部署上去。通過分布式的路由協(xié)議，傳感器節(jié)點能夠自組織和自動的構(gòu)建交流鏈路。其次，傳感器節(jié)點能在任何時間段工作。由于它們有電源模式，可以睡眠，可以蘇醒。因此，WSN的網(wǎng)絡拓撲能動態(tài)的改變。最后，傳感器節(jié)點是微型化的，它們經(jīng)常被安置在一些人員不能到達的地方。

基于這些優(yōu)勢，使用WSN技術對煤礦進行監(jiān)測將是一個非常有效的手段。無線傳感網(wǎng)由許多發(fā)布在監(jiān)控區(qū)域的微傳感節(jié)點組成。這些可移動的傳感節(jié)點有很強的通信能力，并且能通過很簡便的方法去監(jiān)控煤氣和瓦斯。本文提出了一種監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)。它能實時地監(jiān)測礦井中的環(huán)境。

1 煤氣和瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

煤氣和瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)包含傳感節(jié)點，Sink節(jié)點和管理節(jié)點。監(jiān)控系統(tǒng)的框架見圖1。許多節(jié)點部署在工作區(qū)域，形成低級別的自組織網(wǎng)絡。它們收集氣體濃度參數(shù)且每個節(jié)點都能與相鄰節(jié)點交流。數(shù)據(jù)包通過多跳后到達Sink節(jié)點，Sink節(jié)點通過有線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸給管理節(jié)點，進而對數(shù)據(jù)進行實時的處理和分析以監(jiān)控數(shù)據(jù)的盲區(qū)。

基于WSN的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 基于WSN的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖

2 硬件設計

一個WSN節(jié)點就是一種微型的嵌入式設備。它不僅能將環(huán)境信息傳播給管理節(jié)點，還能把數(shù)據(jù)發(fā)送給手持設備。一般傳感節(jié)點由采集模塊，處理模塊，通信模塊，定位模塊組成。

其中，處理模塊采用了Arduino單片機，Arduino是一個基于開放原始碼的軟硬體平臺，構(gòu)建于開放原始碼simple I／O介面版，并且具有類似Java，C語言的Processing／Wiring開發(fā)環(huán)境。通過處理模塊的Arduino單片機，節(jié)點能獨立的分析數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行融合。同時處理模塊還負責管理節(jié)點的電源模式，當沒有信息傳播的時候?qū)⒐?jié)點設置成休眠模式以減少電能的消耗。

采集模塊，由多個傳感器構(gòu)成，它能收集當前環(huán)境中的溫度、濕度和氣體濃度信息。這些信息通過處理模塊處理后將有用的留下。

通信模塊，使用XBee硬件。XBee射頻模塊嵌入方案提供無線端點連接到設備。這些模塊使用IEEE 802．15．4網(wǎng)絡協(xié)議構(gòu)建點對多點或?qū)Φ染W(wǎng)絡。它們是專為高通量應用需要，提供低延遲、可預測的通信時間。

定位模塊，使用GPRS-Shield。它是一種利用GSM手機網(wǎng)絡進行定位的硬件模塊。GPRS-Shield能實現(xiàn)三種功能：短消息、服務音頻、GPRS服務。GPRS-Shield作為標準Arduino電路板接入的模塊，可以通過UART使用簡單的AT命令配置和控制?；赟IMCOM SIM900模塊的GPRS-Shield模塊就像一個手機。除了通訊功能，它還有12 GPIOs，2 PWMs和ADC。

3 路由設計

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要應用于特定環(huán)境，監(jiān)控各種傳感器數(shù)據(jù)和控制一些設備。數(shù)據(jù)最終通過CAN網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需求，路由信息必須包含如下特征：

基于查詢的路由協(xié)議，在煤礦中監(jiān)控環(huán)境或者檢測安全，需要不斷地查詢傳感器的數(shù)據(jù)：由Sink節(jié)點發(fā)出查詢請求，然后傳感節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)給Sink節(jié)點。

支持地理信息的查詢，在煤礦環(huán)境下，網(wǎng)絡必須感知突發(fā)事件所處的區(qū)域，目標節(jié)點通?？梢远ㄎ蛔约核幍膅prs位置。

可靠性和實時性，由于煤礦環(huán)境惡劣，提高WSN的QoS至關重要，路由的實時性和可靠性極其重要，數(shù)據(jù)隧道不僅能維護信息傳播的準確，還能保證數(shù)據(jù)的實時性。

網(wǎng)絡拓撲的魯棒性，為了去收集突發(fā)事件，移動節(jié)點被部署在礦工身上和設備上面以收集和采集數(shù)據(jù)。移動節(jié)點能自由的在網(wǎng)絡中移動，從而會出現(xiàn)一些節(jié)點有時會失效或新節(jié)點加入網(wǎng)絡的現(xiàn)象。因此，路由協(xié)議必須維持網(wǎng)絡的魯棒性。

依據(jù)上面的分析，本文提出一個自適應、實時的、基于查詢的路由協(xié)議。主要的路由策略：當Sink節(jié)點需要知道一個區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控數(shù)據(jù)時，它發(fā)送查詢請求。請求通過中間節(jié)點到達被查詢節(jié)點。然后，當Sink節(jié)點移動到其他區(qū)域，請求的數(shù)據(jù)能通過代理節(jié)點及時發(fā)給Sink節(jié)點。

3．1 構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲

路由協(xié)議需要支持地理信息。如果每個節(jié)點知道自己的位置，整個網(wǎng)絡能形成一個網(wǎng)格拓撲。使用網(wǎng)格拓撲的優(yōu)勢就是通過RSSI（Received Signal Strength Indicator）決定每個節(jié)點的相對位置。當所有的網(wǎng)絡節(jié)點被配置啟動的時候，礦層網(wǎng)絡拓撲示意圖見圖2。

圖2 礦層網(wǎng)絡拓撲示意圖

1）如果節(jié)點A的位置是LA+=（x，y），每個網(wǎng)格的邊界長度是a。節(jié)點A廣播它的路由表，路由表的初始信息是它自己的位置，最接近A的節(jié)點是B和F，它們的相對位置分別為LB=（x+a，y）和LF=（x，y+a）。

2）B和F將A記錄為自己的鄰居節(jié)點，并且發(fā)送回復信息給A。

3）A接受到回復的信息將B和F當做鄰居加入自己的鄰居表內(nèi)。

4）B和F繼續(xù)相同的工作去找到距離A兩跳的節(jié)點。

最后，每個節(jié)點都知道他們自己的網(wǎng)絡相對位置，路由表內(nèi)包含了所有節(jié)點的信息，網(wǎng)格網(wǎng)絡就被構(gòu)造出來了。

3．2 代理路由協(xié)議

一旦網(wǎng)格拓撲構(gòu)造起來，Sink節(jié)點就能發(fā)送查詢?nèi)蝿?。Sink節(jié)點泛洪自己的查詢信息給附近的靜態(tài)節(jié)點。但是泛洪區(qū)域是有限的，這樣確保Sink節(jié)點至少能找到一個節(jié)點去傳播信息。當Sink節(jié)點接受到多個傳播節(jié)點的信息的時候，它通過地理信息選取哪個節(jié)點作為傳播信息的節(jié)點，選取過程可以使用最短路徑優(yōu)先算法。

考慮到節(jié)點的移動性，為了確保結(jié)果被實時的反饋給Sink節(jié)點，設計了兩種代理節(jié)點，一種是PA（Primary Agent），一種是IA（Immediate Agent）。當sink節(jié)點第一次發(fā)送一個查詢?nèi)蝿?，那么，兩種代理節(jié)點是相同的節(jié)點。

討論這個過程，假設一個Sink節(jié)點向節(jié)點E請求。

首先，Sink節(jié)點泛洪給靜態(tài)節(jié)點同時接受兩個回復：節(jié)點O和節(jié)點P。根據(jù)節(jié)點E的位置，Sink節(jié)點找到P是E的最近的鄰居，決定使用P最為PA和IA。P作為Sink節(jié)點的上游節(jié)點，保持它到緩存中。

接下來，P開始選擇到達E的優(yōu)化路由。礦層的表面是狹窄的，電子設備產(chǎn)生了連續(xù)的信號噪音。所以，應用了隧道截取技術區(qū)評估各個隧道，在發(fā)送信息之前選取最優(yōu)的隧道，從而避免數(shù)據(jù)的重傳，延長了網(wǎng)絡的生命周期。

第三步：節(jié)點P檢查路由表找到自己的鄰居K、Q和L，這三個節(jié)點最接近E。所以，P發(fā)送信道請求信息給K、Q和L。它們依據(jù)信道的狀態(tài)回答信道質(zhì)量信息，然后節(jié)點P選擇一個最好的信道去傳播信息。在這個例子中L被選為最佳的下一跳。

第四步：L繼續(xù)去做相同的步驟找到P節(jié)點的第二跳節(jié)點，記錄它的信息和生存周期。當L選擇M作為下一跳，I和D繼續(xù)相同的步驟，最后查詢信息被發(fā)給節(jié)點E。

第五步：節(jié)點E處理接受到的請求傳輸信息給上行節(jié)點D，I，M，L，P。節(jié)點P將廣播給Sink節(jié)點接受到的信息。如果Sink節(jié)點沒有離開廣播域，那么它就能收到數(shù)據(jù)。節(jié)點P將保留數(shù)據(jù)到自己的緩存并對信息添加一個生存時間，等待IA的請求。

3．3 提高路由鏈路質(zhì)量

高效的鏈路質(zhì)量意味著低的丟包率和低的重傳概率。IEEE802．15．4 ACK機制是一種重傳丟失的包和損失數(shù)據(jù)的機制。然而，重傳減少了網(wǎng)絡的帶寬，影響了其他正常數(shù)據(jù)的傳播。

所以，選擇一個高的鏈路質(zhì)量需要使用下面的公式：

其中，x～N（0，?2）是一個高斯分布。這個等式中，節(jié)點有收斂性，如果鄰居節(jié)點的距離小于D1或者距離大于D2這個鏈路將不能建立連接。

由于CN是隨機分布的，兩個鄰居節(jié)點的距離是不知道的，很難通過距離去計算鏈路質(zhì)量。所以，用了RSS（Receiving Signal Intensity）去指示鏈路質(zhì)量。RSS能計算兩節(jié)點之間的距離使用信號的強度。其核心的計算方法是：

其中，RSS（d）是距離為d時接受到的信號強度，RSS（d0）是距離為d0時接受到的信號強度，n是信號衰減指數(shù)。從上面兩個公式中可得出結(jié)論，RSS值越大，其鏈路質(zhì)量就越好。

一跳之間的持續(xù)時間是與兩節(jié)點的剩余能量成比例的。定義了一個LQRE去代表鏈路質(zhì)量和一跳之間的剩余能量。節(jié)點I能和節(jié)點J通信見圖3。定義了RSSi，j作為節(jié)點I和節(jié)點J之間的信號強度。節(jié)點I的剩余能量是Ei，節(jié)點J的剩余能量是Ej。

圖3 RSS與節(jié)點能量關系圖

數(shù)據(jù)包從節(jié)點I到節(jié)點J的成功率是與RSS是成正比的。包成功的接受率是RSSi，j=RSSj，i。所以，節(jié)點I與節(jié)點J之間的LQRE就能通過公示計算。

路徑的鏈路質(zhì)量依靠的是LQREi，j。但是在多跳路徑中使用的是LQRErouter去計算整體的鏈路質(zhì)量。

從A到CH路徑圖見圖4。

圖4 從A到CH的路徑圖

當CN被部署在地下，它們首先被初始化。一個CN廣播多路徑路由MRRM（Multi-path route request message）為了找到CH的路徑。鄰居節(jié)點接受到MRRM繼續(xù)廣播信息直到到達CH，然而RRM（Route Reply Message）信息被CH發(fā)送給CN作為回答。RRM控制每一跳的LQRE。每個路徑都有不同的LQRE。如果信息選取的第一個傳播路徑失敗了，那么節(jié)點會選取一個LQRE值大于閾值C的路徑。而一般一個低的LQRE值意味著這個路徑的傳輸失敗率高。

如圖4所示，如果A想發(fā)送信息給CH，依據(jù)EBMR，A將選擇LQRE值最高的線路作為路由，A-BD-F-CH。為了確保傳感器數(shù)據(jù)被鄰居接受，EBMR使用了ACK機制。一個傳感器節(jié)點確立ACK的超時。如果節(jié)點在ACK制定的時長內(nèi)接受到了ACK，那么它將確信信息已經(jīng)被正常的接受。如果在ACK時長內(nèi)還沒有接受到ACK包。那么它將從新發(fā)送信息。這樣以確保信息被接受。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于WSN的煤礦安全檢測系統(tǒng)，描述了本系統(tǒng)的架構(gòu)和組成節(jié)點的硬件、軟件設備。它能有效地監(jiān)控環(huán)境，同時使用多鏈路路由，保證了數(shù)據(jù)的準確性。

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WSN Routing Algorithm Design of Coal Mine Safety Monitoring System

Xu Guo-ping

Low-power nodes in WSN can process，store，perception and exchange data，it is used for real-time monitoring and data collection．In the coal mine safety production，in order to achieve the real-time monitoring，an efficient routing algorithm for security monitoring is essential．Describes the design of WSN network，proposed a routing algorithm of mobile agent，described the structure of the system and the nodes composition of hardware and software equipment．It can monitor the environment effectively，while using multi-link routing to ensure the accuracy of the data．Practice shows that the algorithm can accurately obtain a lot of information，with high accuracy，and can effectively control the hazard source，eliminate gas accidents．

Coal mine safety；WSN；Routing algorithm；Mobile agents

TD67

A

1672-0652（2013）11-0007-04

2013-08-16

徐國萍（1965—），女，山西太原人，1987年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院，高級工程師，主要從事煤炭科技管理工作（E-mail）xgp8889＠126．com