基于WaveMesh的煤礦無線傳感器自組網設計

路 萍

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

無線網絡通信技術近幾年發展迅速，越來越多的在各個行業領域推廣應用。現有的煤礦安全監控系統基本上是通過有線網絡建立的，前端傳感器通過RS485 或者CAN 等總線方式連接分站，分站通過以太網或者光纖連接交換機，形成工業環網進入煤礦監控中心，實現整個煤礦各系統的綜合監控。隨著煤礦智能化程度的提高，各種保障安全的新技術產品不斷安裝在煤礦巷道，增加了煤礦建設復雜度，有線網絡布線比較復雜，修改維護難度增加。隨著無線網絡技術的成熟，利用無線信號傳輸傳感器數據，減少有線電纜布置，節省巷道空間，是目前煤礦智能化建設發展的一個重要方向。

近年來基于UWB 技術的人員定位系統、RFID電子標簽、ZigBee 無線傳感器等無線傳輸在煤礦廣泛應用。基于LoRa 擴頻技術的低功耗廣域網通信技術近幾年在物聯網各大領域普遍應用，在煤礦領域也開始嘗試應用，LoRa 能提供更長的通信距離，更低的功耗[1-2]。煤礦巷道是封閉式線性環境，巷道橫截面窄小，電磁波的傳播與地面傳播情況完全不同，各種電磁設備對無線信號干擾較大，無線信號傳輸衰減比較大，導致信號傳輸距離近。如需實現長距離通訊，各節點需要具有中繼轉發功能。WaveMesh是一種針對低功耗、低成本、移動節點組成的自組織網絡設計的輕量級的協議，滿足電池供電、全網休眠、移動節點、實時、可靠、大數據量應用的需要。本文采用LoRa 無線傳輸技術，基于WaveMesh 無線協議實現傳感器動態自組織網絡架構，節點入網時間快，root 在幾秒種的時間內采集到全網節點的傳感數據，保證了實時性，休眠節點具備數據中繼路由的能力，網絡支持上百跳的中繼級數，在煤礦巷道傳感器網絡監測中可長期可靠運行。

1 基于WaveMesh 的無線自組網技術

無線網絡的拓撲結構不同于有線網絡，無線網絡所有節點共享同一無線資源，無線信號的碰撞以及節點物理位置的相對變化都會使無線網絡的拓撲結構不斷變化，常見的無線網絡拓撲類型有星型和Mesh 網絡。星型網絡由一個路由器中心節點和多個終端節點組成，適合于距離較近的無線局域網，如WiFi 網絡。Mesh 網絡又可分為分簇樹和全連接Peer to Peer Mesh 網絡，分簇樹Mesh 網絡中由多個能夠相互連接的路由器和掛接在每個路由器下的終端組成，Peer to Peer Mesh 網絡是完全對等的網絡，所有的節點都有路由和終端的功能。不同無線Mesh 協議在可靠性、可裁剪性、吞吐量、功耗、安全性以及成本方面都有自己獨特的特性和優點，根據不同特性應用于不同的應用場景[3-5]。常見的有ZigBee，Thread，Wireless HART，DigiMesh，Z-Wave 和WaveMesh 等Mesh 協議。WaveMesh 相比其他Mesh協議，每個節點都具備路由能力并且都可以休眠，節點能感知網絡拓撲結構并計算路由，采用私有OLDM 多徑路由協議和并行機制，路由健壯性和吞吐量得到提高。

WaveMesh 是一種移動自組織網絡協議，定義了完備的鏈路層MAC 和網絡層NWK 協議規范，對物理層PHY 沒有限制，現有的各種各樣的物理層信號的調制方式如FSK，LoRa，FHSS，DSSS，OFDM，MIMO等，都可以與WaveMesh 網絡協議MAC 層相匹配，多種射頻芯片都可以實現基于WaveMesh 的自組織網絡[6-7]。本文采用了市場通用的高性價比ISM 頻段LoRa 射頻芯片和低成本的通用MCU，實現基于WaveMesh 協議的root 節點及傳感器節點組成的無線分簇樹自組織網絡。

WaveMesh 網絡中所有設備都可以休眠，不同于ZigBee 網絡中永遠不睡眠的設備路由器和協調器以及ZigBee 超級幀時鐘同步模式，WaveMesh 網絡采用了全網異步喚醒技術，極短時間內能夠喚醒全網進入睡眠狀態的節點，保證了網絡中有數據傳輸的時候有最佳的網絡鏈路。OLDM 路由協議是WaveMesh 網絡所特有的一種多徑路由技術，每個節點都會維護到其他節點盡可能多的路由，網絡節點間的路由數量大于其它的Mesh 網絡。WaveMesh 鏈路層協議和全網異步喚醒算法相結合，相比其他自組網如ZigBee 等網絡，網絡的性能有很大提高[8-10]。

2 煤礦巷道無線傳感器網絡設計

煤礦巷道頂板動態監測系統主要用于礦山頂板離層、錨桿應力、圍巖應力、頂底板及兩幫移近量實時在線監測，監測設備包括礦用本安型無線圍巖移動傳感器、礦用本安型無線錨桿（索）應力傳感器、礦用本安型無線鉆孔應力傳感器以及礦用本安型信號轉換器等。所有傳感器監測數據通過無線信號傳輸到礦用本安型信號轉換器，轉換成有線網絡信號進入井下交換機再到工業環網、數據監測中心服務器，監測結果以曲線、圖標的形式直觀展現，數據中心同時進行工況、周期來壓步距、動載系數分析，結果以日報表和周報表形式展現。煤礦頂板動態監測系統中各傳感器沿巷道相隔50～100 m 的間隔安裝應力、位移、壓力等傳感器，單張網絡容納的傳感器數量為100～200 個，對應網絡的拓撲結構為長度1～5 km 的簡單多跳線狀網絡，如圖1 所示。

圖1 簡單多跳組網原理框圖Fig.1 Principle block diagram of simple multi-hop networking

巷道每一個位置無線傳感器可以布置2～3 個，包括圍巖移動傳感器、無線錨桿（索）應力傳感器、無線鉆孔應力傳感器，同一位置布置多個傳感器，可以提高節點中繼容量，提高整個線路穩定性。簡單多跳網絡中除距離root 最遠節點外，每個節點都進行了轉發操作，網絡傳輸的跳數決定了傳輸時延，為了減小網絡時延，提出分組多跳組網方式，把無線傳感器節點分為終端節點和中繼節點兩類，終端節點只發送自己的數據，而中繼節點需要匯聚其所在區域其他節點信息并采用多跳的方式進行轉發。分組多跳組網方式如圖2 所示。

圖2 分組多跳組網原理框圖Fig.2 Principle block diagram of packet multi-hop networking

分組多跳組網方式網絡的傳輸時延為最遠端中繼節點經過多跳轉發到轉換器節點的時延，加上分組區間內終端節點數據上傳的時延。網絡的能量消耗和網絡壽命由靠近轉換器的中繼節點決定。

煤礦巷道頂板動態監測系統中轉換器節點和傳感器節點采用基于LoRa 射頻芯片的WaveMesh自組網模塊，轉換器按照2～120 min 的時間間隔實時采集全網的傳感器的數據，并且數據采集的時間間隔可以隨時調整。未采集數據期間，傳感器節點和轉換器節點都能夠休眠將功耗降至最低。所有的傳感器節點設備均由電池供電，網絡支持上百跳的中繼級數； 轉換器root 節點每一次發送集采命令，能夠在幾秒種的時間內采集到全網傳感器節點的數據； 單次數據采集成功率基本達到100%的可靠性；網絡在惡劣的環境下能夠長期可靠運行，免維護，能夠抗外界電磁干擾，個別設備故障不影響整個網絡性能。

3 實驗測試

針對煤礦頂板動態監測系統中使用的礦用本安型無線鉆孔應力傳感器、信號轉換器，在實驗室、煤礦巷道及室外場所進行了基于WaveMesh 的多跳組網測試。

首先定義網絡轉換器root 節點及傳感器節點無線參數，同一網絡需要設置相同的網絡ID、頻段和信道號，LoRa 射頻主要參數擴頻因子、 信號帶寬和編碼率也設置為相同的參數，各模塊發射功率可調。串口協議需要配置參數主要包括串口波特率、地址長度、幀起始符、幀結束符等。網絡轉換器root節點及傳感器節點無線參數配置如表1 所示。

表1 無線網絡參數配置Tab.1 Wireless network parameter configuration

root 和傳感器節點使能串口、休眠和中繼功能，異步休眠時間設置為114 ms。轉換器配置為唯一root節點，發送廣播命令獲取各傳感器參數，各傳感器通過中繼多跳轉發回復數據。測試平臺如圖3 所示。

圖3 無線傳感器網絡組網測試Fig.3 Wireless sensor network networking test

實驗室組網測試中，9 臺傳感器節點上電，放在一起，轉換器每隔2 s 發送一次集采命令，數據成功接收達到100%，轉換器及全部傳感器工作正常。簡單組網測試中，轉換器放置于18 樓，分別在17 樓、15 樓、13 樓、11 樓、9 樓、7 樓、5 樓、3 樓及1 樓放置傳感器中繼節點，轉換器每隔5 s 發送一次集采命令，數據成功接收達到99.9%，所有傳感器采集數據幾秒中內能夠全部接收。針對某一傳感器節點，轉換器可以發送單播命令進行傳感器參數設置，其他節點不受影響。常用的ZigBee 網絡，只有終端節點才可以休眠，協調器和路由器不能休眠。而對于WaveMesh 網絡，未發數據時，轉換器和傳感器所有節點都可以進入休眠狀態，降低功耗。WaveMesh 采用握手報文喚醒方式，相比前導喚醒方式，采用時間精度更高、更智能的碰撞算法，避免被反復喚醒的情況，能夠區分單播和廣播，進行休眠網絡的集抄。

在清水溪煤礦試驗巷道內測試分組多跳無線傳感器傳輸，如圖4 所示。轉換器root 節點放置于離地面20 cm 處，傳感器節點依次放置順序為：50 m中繼節點1、100 m 中繼節點2 和中繼節點3、150 m中繼節點4、200 m 中繼節點5、210 m 終端節點6 和終端節點7。轉換器每隔5 s 發送一次集采命令，數據全部成功接收達到100%。撤除中繼節點3，210 m處增加終端節點8，之后轉換器節點十幾秒內收到終端節點8 的數據以及其他傳感器數據。以上測試說明，基于WaveMesh 的無線傳感器自組網網絡中部分節點的增加和減少對網絡剩余部分沒有影響；路由協議可以動態尋找盡可能多的路由節點，路由的切換不需要額外時間。而ZigBee 網絡拓撲發生變化，重建路由非常消耗無線帶寬和時間。WaveMesh 節點入網方便快捷，節點上電即可入網，網絡更健壯。

圖4 無線傳感器網絡巷道測試Fig.4 Wireless sensor network roadway test

室外測試轉換器與不同發射功率傳感器節點傳輸距離，發射功率為1 dBm 的傳感器沿馬路140 m 處達到穩定接收，發射功率為7 dBm 的傳感器沿馬路200 m 處達到穩定接收，其中距離的測量與傳感器天線的放置高度有關，高一些的天線距離稍遠一些。在巷道內做了對比測試，轉換器放置與離地面20 cm 處，發射功率為1 dBm 的傳感器沿巷道80 m 處達到穩定接收，7 dBm 的傳感器沿巷道120 m處達到穩定接收，13 dBm 的傳感器沿巷道150 m 處達到穩定接收。通過測試，在此LoRa 參數設置下，在室外及巷道內，基于LoRa 的無線傳輸距離比常用的ZigBee 要遠。巷道是由巖壁組成的相對封閉的有限空間，電池波的傳播受到巖壁的限制，信號會產生反射、折射和散射等傳播現象，導致出現多徑干擾，傳輸衰減很大，巷道內無線傳輸距離大大降低。發射功率增大，可以一定程度提高傳輸距離，但功耗與距離不成倍數關系。

基于LoRa 射頻芯片的WaveMesh 傳感器自組網網絡，應用于煤礦巷道傳感器監測無線數據傳輸，相比ZigBee 傳輸距離遠，設備上電即能工作不需等待額外組網時間，root 轉換器節點及終端節點都可以休眠降低功耗，全網可進行休眠網絡的集采，在幾秒鐘之內即可獲得所有傳感器數據，節點的時鐘會自動同步無需人工干預，即使個別節點遇到干擾也會自動重新同步，網絡在長期的運行過程中無需人工維護。

4 結語

本文研究了基于LoRa 無線通信技術的WaveMesh無線傳感器網絡組網設計，相比其他ZigBee 等技術，LoRa 傳輸距離遠，抗干擾能力強，WaveMesh 網絡采用分組多跳拓撲結構，減小網絡延時，網絡節點上電入網時間快，具有多種智能重連機制保證了網絡的穩定性。WaveMesh 自組織網絡易擴容、維護使用簡單，適合煤礦井下巷道傳感器無線自組網網絡的數據傳輸應用。