一種礦用無線傳感器網絡節點的設計與實現

汪丹丹

（安徽城市管理職業學院 計算機系，安徽 合肥230000）

井下環境安全監測是指對井下作業環境中的瓦斯、溫度、濕度、礦塵、一氧化碳和氧氣等參數進行實時監測〔1〕。通常的做法是在礦井內架設有線通信線路，傳感器節點通過有線線纜接到地面控制中心，這種監測系統的弊端是如果發生瓦斯爆炸，有線電纜被破壞，地面控制中心就無法知道井下情況，不利于人員營救。隨著無線傳感器網絡發展日益成熟，為解決有線線路的上述問題，本文提出一種使用無線傳感器網絡技術的傳感器節點的實現方法。在礦井發生滲水、瓦斯爆炸等事故時，利用傳感器節點的無線通訊能力及時向地面控制中心傳送井下環境參數。彌補了有線設備一旦線路損壞就不能傳輸信息的缺陷，具有布網簡單、采集數據全面、精度高等優點，這些優點使得無線傳感器網絡較為適合礦井的環境監測。

1 系統概述

1.1 總體概述

根據現有井下通信系統和無線傳感器網絡特點，本文提出一種井下瓦斯監測系統，主要包括地面監控中心、有線電纜、無線網關節點、傳感器節點四部分，見圖1。

圖1 井下傳感器網絡系統結構

傳感器節點通常分布于井下各工作面，通過井下無線傳感器網絡實時傳送環境參數到網關節點，然后再由有線電纜發送到地面監控中心〔2〕。因此無線傳感器網絡節點的實現較為關鍵，本文著重介紹無線傳感器網絡節點的軟硬件實現方法。由于各傳感器節點在使用中由電池供電，因此在使用傳感器網絡技術進行礦井環境安全監測時還必須考慮系統的節能性，這也是傳感器節點實現的重點與難點。

1.2 關鍵技術及解決方案

無線傳感器網絡節點在實現時，均存在一些現實約束：電源能量有限、通信能力有限和計算存儲能力有限〔3〕。在井下應用時，由于傳感器節點分布在各處，很難實時進行人工維護，即使井下發生事故也必須能正常工作，因此實現該網絡首先要解決功耗問題；其次，由于井下環境復雜，無線信號在巷道內傳播時會受到障礙物影響，通信距離變短，選擇通信芯片時必須考慮發射與接收距離；另外，必須選擇穩定性強的通信協議，減少網絡擁塞、傳輸時延。為解決上述問題，本文從硬件和軟件兩個方面進行論述。

首先，網絡節點的硬件由傳感器模塊、主控模塊、通信模塊和電源模塊組成〔4〕，各模塊的芯片均以功耗低為首選條件。由于nRF9E5具有體積小、工作電壓低、功耗低、發送距離遠和通信可靠等特點，因此選擇它完成主控模塊和通信模塊的功能。瓦斯傳感器芯片選用KGS－20，這款芯片是常用的井下傳感器芯片，功耗很低。

其次，軟件方面，結合nRF9E5的特點，本文在通信信道的分配與使用上，選用了多信道接入MAC協議，這是一種新的基于隨機訪問模式的協議〔5〕。在控制信道中，它為每個節點都分配了一個數據信道，使各個節點的兩跳鄰居都使用不同的數據信道，這就避免了傳輸過程中的信道沖突；在通信中動態調整發射功率，有效地節省了能量。

由于每個節點既是數據監測節點，也是網絡中繼節點，各傳感器節點采集到數據后，需要在網絡中尋找一個最佳路徑將信息傳遞給網關節點。因此，為解決節點的中繼路由功能，本文選用基于數據匯聚的路由協議〔6〕實現該功能。基于數據匯聚的路由協議的基本思想是首先在網關節點和各傳感器節點間建立一個最短路徑，節點在轉發其他節點的監測數據時，如果發現數據與自己的接近，就對數據進行匯聚，接著沿著自己的最短路徑轉發匯聚后的數據。使用該路由協議，可以保證信息沿最短路徑到達網關，既節省了時間、也減小了網絡傳輸量，不會產生冗余信息。

2 井下傳感器網絡節點的硬件設計

根據傳感器節點工作特點把節點分為：電源模塊、主控模塊、通信模塊和傳感器模塊。系統結構框圖見圖2。

圖2 無線傳感器網絡節點結構

2.1 主控模塊和通信模塊

nRF9E5是Nordic公司的一款集成了與標準8051兼容的微處理器、片上ADC、nRF905射頻模塊的智能芯片，擁有4kB RAM和512BROM，以及片外存儲器擴展接口；有5個中斷源，3個與8052相同的定時器；對外提供一個數據輸出接口以及SPI接口；工作電壓為1.9～3.6V，掉電模式時工作電流僅有2.5uA，最大工作電流也僅有12.5mA；可工作在433／868／915MHz三個ISM頻道，在這3個頻段內擁有在128個頻點，每個頻點間隔100kHz，適用于跳頻協議；擁有載波檢測功能和4級輸出功率調節功能，通過調節輸出功率調整發送距離，數據傳輸速率可達到100kbps，通信距離可達467m〔7〕。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊是多種傳感器的組合，一般包括瓦斯傳感器、溫濕度傳感器和粉塵傳感器等，本文僅以KGS－20型瓦斯傳感器為例。KGS－20的工作參數為響應時間≤20 s，恢復時間≤30s，當甲烷濃度≥1%即報警，工作溫度范圍－15℃～＋50℃，濕度≤97%RH，靜態功耗為150 mW，報警狀態功耗為300mW，供電電壓為－DC3～5V；工作原理是瓦斯濃度引起敏感電阻RS的變化，導致負載電阻RL上的電壓發生變化，瓦斯濃度值與電壓值之間成一定比例關系〔8〕，nRF9E5通過讀取該電壓獲得瓦斯濃度值。

圖3 KGS－20驅動電路

KGS－20的驅動電路如圖3所示，由于驅動電壓的取值范圍為0.9±0.05V，因此可采用I／O口進行分壓驅動，傳感器輸出端接nRF9E5的ADC接口。

3 傳感器網絡的軟件設計

通過上文的硬件模塊介紹，可知傳感器節點的電源消耗主要集中在瓦斯檢測和發送接收過程，考慮到實際監測過程中并不需要密集性監測，通訊模塊也不需要一直處在發送和接收狀態，為降低功耗，節點對瓦斯進行定時檢測，并且根據MAC協議和路由協議，傳感器節點有兩個狀態：工作狀態和休眠狀態。工作狀態功耗高，主要是進行數據采集和收發；休眠狀態時只有nRF9E5的射頻模塊定時監聽信道，功耗極低。

3.1 瓦斯濃度檢測與分析

無線傳感器網絡中各傳感器節點被分布在井下各個位置，每個節點都有自己的檢測范圍，每隔一分鐘就會對該區域的瓦斯濃度進行檢測。如果檢測到的瓦斯濃度小于警戒值，傳感器節點會把數據通過鄰近的節點逐級上傳給網關節點；若瓦斯濃度大于警戒值，傳感器節點會有3個動作：

（1）立即向該區域的警報裝置發出報警指示，聲光報警；

（2）按照通信協議把數據逐級上傳到網關節點；

（3）進行密集型檢測，每隔30s采集一次瓦斯濃度，并把數據通過網關傳送給地面。

3.2 數據發送與接收

傳感器節點在檢測到數據后就面臨如何把數據傳送給網關的問題。根據多信道MAC協議以及基于數據匯聚的路由協議，組網時網關節點需要為各傳感器節點完成以下工作：①為各節點分配信道，保證每個節點與自己兩跳鄰居信道不一樣；②建立最短路徑，為每個節點分配一個節點級別。

具體解決過程如下：

（1）數據通信前的準備。由于一個網關節點下會包含很多個傳感器節點，如果同一時間有多個節點發送數據，可能會造成網絡擁塞，還會浪費節點電源能量；同時傳感器節點是定期檢測和發送數據，因此在空閑時盡可能的使節點處于休眠狀態，只有需要采集數據以及收發信息時節點才正常工作。由于nRF9E5有128個信道，分配信道時根據多信道接入MAC協議，使用其中一個作為廣播信道，用于網關在組網以及網絡重組時發送廣播信號；由于無線信號發射距離有限，在節點距離足夠遠時，即時使用相同頻帶也不會發生干擾，分配時只要保證任意節點的兩跳鄰居信道都不一樣即可，因此剩下的127個信道可分配給127個傳感器節點甚至更多個。傳感器節點在發送數據前，先偵聽目的節點的數據信道，若空閑就發送喚醒信號，喚醒節點準備接收數據，并根據節點間距離，動態調整發射功率，以降低功耗，接收節點準備好以后會返回一個開始接受信號，通信隨即開始；傳感器節點在空閑時會每隔一段時間監聽自己的數據信道，如果有喚醒信號，就喚醒本節點接收數據，否則繼續休眠。

（2）數據在網絡中的傳輸。由于傳感器節點分布在井下各個區域，每個節點都會定時采集環境參數并上傳給網關節點，同時還要轉發來自子節點的數據包，即數據是逐級匯聚到網關節點，根據這個特點選用基于數據匯聚的路由協議最合適。該協議把一個網關控制下的N個傳感器節點根據位置再劃分為多個子網，每個網絡都有自己的網絡代號。組網時，網關節點在廣播信道上發送廣播信息E，該信息包含一個傳感區域代號和節點級別。節點在接收到廣播信息E后，把發送消息的節點作為自己的父節點，然后判斷自己是否處于該傳感區域中，如果不在，則將該消息中的節點級別增加1，并把這個消息轉發給周期的其它節點。不在該傳感器區域的節點接收到多個廣播信息E，會把這些節點中級別最低的那個作為自己的父節點并記錄下來；第一個在該區域的節點接收到廣播信息E，就會在E中增加一個屬性值1，表示該節點在這個傳感器區域，此時廣播信息就變為了F，這個節點會作為這個區域的根節點；F在該區域被很多節點轉發，最后每個節點都會有一個到網關節點的最短路徑。由于nRF9E5的計算能力有限，本文采用隨機匯聚，即各傳感器節點在采集到數據后，先沿著各自最短路徑向網關節點轉發，轉發過程中如果有節點發現自己的監測數據與待轉發數據接近，就進行數據匯聚，這樣可以減少傳輸量，減少網絡擁堵，同時節省節點能量。

4 結語

無線傳感器網絡的快速發展為井下瓦斯監測提供了很好的解決方法，方便了礦井的安全監控、隱患排查和礦難事故的救援等。在井下巷道改變時，不需要鋪設有線線路，只需要把廢棄巷道中的傳感器節點布置于新巷道中或在新巷道中添加新的節點，具有很大的靈活性，降低了成本，便于日常維護。本文利用nRF9E5芯片的多信道功能，通過合理分配信道，建立最短路徑，進行數據融合，減少了網絡擁塞，獲得了最小的時延，使地面監控中心可以實時觀察井下瓦斯濃度，提高了監控設備安全可靠性，為井下人員提供了較為有效的安全保障。

參考資料：

〔1〕錢春麗，張興敢.用于礦井環境監測的無線傳感器網絡〔J〕.電子技術應用，2006（9）：21－23.

〔2〕汪丹丹，等.礦用無線傳感器網絡的研究與設計〔M〕.合肥：合肥工業大學出版社，2007.

〔3〕孫利民，李建中，等.無線傳感器網絡〔M〕.北京：清華大學出版社，2005.

〔4〕馬祖長，孫怡寧，梅 濤.無線傳感器網絡綜述〔J〕.通信學報，2004，4（25－4）：114－124.

〔5〕汪丹丹，等.無線傳感器網絡多信道MAC協議研究〔J〕.自動化儀表，2007，9（28－9）：25－28.

〔6〕彭 剛，曹元大，等.無線傳感器網絡基于數據匯聚的路由〔J〕.計算機工程與應用，2005（12）：12－14.

〔7〕訊 通 科 技.nRF9E5 中 文 手 冊.http：／／read.pudn.com／downloads169／ebook／777639.

〔8〕國泰恒安.可燃氣傳感器 KGS－20說明書.http：／／wenku.baidu.com／view／e557484e2e3f5727a5e96266.html.