無線自組網在煤礦上的應用

摘 要：隨著RFIC技術的發展，無線射頻芯片得到了廣泛的應用，傳感器、智能儀表無線化成為未來發展的主流。礦用傳感器由于其特殊的應用環境，無線傳感器與傳統的有線傳感器相比具有無需布線、安裝方便、維護簡單等優點。

關鍵詞：WaveMesh；無線自組網；路由協議；同步休眠；異步休眠

引言

隨著RFIC技術的發展，無線射頻芯片得到了廣泛的應用，傳感器、智能儀表無線化成為未來發展的主流。礦用傳感器由于其特殊的應用環境，無線傳感器與傳統的有線傳感器相比具有無需布線、安裝方便、維護簡單等優點。WaveMesh是針對于低功耗、低成本的無線移動自組網絡設計的協議，該協議定義了鏈路層和網絡層，網絡拓撲為完全分布式、對等的網狀網絡。

1 無線自組網簡介

Wave Mesh采用專有路由協議，能夠充分利用網絡中的路由冗余，具有優異的網絡自愈性、穩定性和極佳的數據吞吐量，所有的設備上電即工作，支持多級路由和幾萬節點的超大組網規模。物理層采用了很多先進的無線通信技術如跳頻、自適應速率、無線喚醒（非前導碼和單音）、交織糾錯編碼等；鏈路層采用防碰撞機制，具有優異的抗干擾能力。擁有靈活的休眠技術，所有的組網設備都可以休眠，有同步和異步兩種休眠模式。

2 無線自組網的特點

無線自組網具備分布式對等網絡、網絡容量大、多級路由、節點任意移動、功耗低、自適應速率、健壯和自愈性好等特點。

3 無線自組網的關鍵技術

3.1 無線路由協議

經過很多年的實際應用和經驗積累，WaveMesh協議針對不同的典型行業應用進行了優化，形成了一系列的協議簇，如針對于無線抄表、傳感網絡、智能農業、工業控制等行業應用推出的AMR協議；針對大規模超低功耗的移動傳感節點的數據采集應用設計的CSN協議等。

3.2 休眠控制

3.2.1 異步休眠

異步休眠模式下，無線模塊會周期性地自動醒來一個很小的時隙去監聽網絡中的無線信號，在必要時進入正常工作模式。在此模式中，休眠時間片和監聽時間片的比值被稱為睡醒比。如圖2。

3.2.2 同步休眠

同步模式下無線模塊的休眠時間片是嚴格同步的，相鄰節點之間的時間片誤差要求小于5ms。時間片的同步通過同步休眠廣播報文實現，該報文會在每個工作時間片結束時刻由集中器或網關向全網逐級進行廣播。同步休眠廣播報文攜帶本次休眠時間片的長度。如圖3。

4 無線自組網在煤礦上的應用

4.1 系統架構（如圖4）

煤礦行業相較于其他行業來說，井下環境較為復雜，使用條件也較為苛刻。從井下環境的特殊性、工程施工及后期維護等方面考慮，系統設計采用3層設計方案。無線傳感器安裝在巷道、采面或其它需要檢測的地方，監測子站用于接收無線傳感器數據并通過RS485方式與無線采集分站通訊，同時監測子站的電源由無線采集分站供應。這么做的好處是隨著采面的回踩，工程維護人員只需移動監測子站和無線傳感器即可，避免了頻繁取電、移動電源等。

4.2 數據傳輸模型

4.2.1 階梯式傳輸（如圖5）

階梯式傳輸類似于異步喚醒，但兩者之間存在不同。建立在喚醒時間、接收發射控制流程之上，由于各級節點喚醒時間不同，可保證整個網絡傳輸過程中任一時間單位只有一個節點在傳輸數據而其他節點處于接收數據模式，從而最大程度避免數據碰撞。

技術實現的難點在于如何精確控制各級節點的喚醒時間，當網絡中出現增加減少節點、傳感器節點順序發生變化時，傳輸網絡如何最快的優化網絡傳輸路徑，保證數據正常傳輸而不會出現數據鏈路中斷。

4.2.2 同步休眠傳輸（如圖6）

基于同步休眠機制，網絡中所有的節點同步喚醒后進入正常時間片工作流程，喚醒時間誤差小于5ms，休眠時間片通過集中器或網關統一管理。

4.3 智能化

煤礦安全監控系統智能化是指借助各種傳感器、微控制器、無線監控網絡將監測數據主動上傳至監控主機。主機通過分析各監控點數據并根據事先設定好的事件處理邏輯，進行一定的作業流程。實現在無人工參與的情況下處理事件的能力。

4.4 實時可靠性

煤礦安全監控系統的實時可靠性對整個系統來說非常重要。網絡節點通過尋址相鄰的節點，自主尋找路徑，避讓故障節點，自主跳傳，數據備份、應答、休眠喚醒、對時和信號沖突避免與糾錯等機制。多徑傳輸和節點跳傳可以保證數據傳輸和時效性，并降低功耗，增強了系統的健壯性和安全性。確保數據傳輸的可靠性。

4.4.1 多徑傳輸

如圖7所示，從A到B有多條路徑可以到達且沒有閉環回路、允許多條路徑相交。每個節點多會選擇盡可能多節點作為自己的下一跳路由，數據報文可以在多條路徑之間動態切換，能夠并行傳輸。

4.4.2 節點跳傳

在煤礦應用中，經常會出現樹形監控網絡。如采面支柱的壓力監測或巷道頂底板的壓力監測等。如圖8所示，在每個無線節點的無線覆蓋范圍內都有兩個可以與之直接通訊的無線節點。此種做法可以保證，其中任何一個節點發生故障，不會對周圍節點造成干擾，依然可以保證無線節點數據正常的上傳，從而提高了系統的可靠性和健壯性。

5 結束語

經過上述無線自組網的理論分析與研究，基于MaveMesh架構的無線自組網技術已經在非煤各行業應用，并取得了初步的成果。但在煤礦應用才起步不久，探索一條適應煤礦應用的道路需要結合煤礦自身的應用特點和使用環境進行設計。該技術在降低礦方維護量、施工量和靈活性上都有著突出的優點。無線自組網為煤礦井上井下網絡一體化奠定了基礎，但同時還存在一些問題，比如電源管理、功耗控制、智能化方面依然存在不足，需要在不斷應用和探索中逐步完善。

參考文獻

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作者簡介：嚴春（1963-），男，江蘇常州人，本科，高級工程師，主要研究方向：煤礦井下傳感器、數據采集分站及安全監控系統的開發等。