用于礦井環境監測的無線傳感器網絡

　　摘　要： 提出了利用無線傳感器網絡進行礦井環境探測的方法，給出了適用于礦井環境探測的無線傳感器網絡的網絡框架、拓撲結構和網絡協議。

　　在礦井環境監測中通常需要對礦井風速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、硫化氫和二氧化碳等參數進行檢測。現有的監控檢測系統需要在礦井內設通信線路，傳遞監測信息。生產過程中礦井結構在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對通信線路的延伸和維護提出了很高的要求。一旦通信鏈路發生故障，整個監測系統就可能癱瘓。為解決上述問題，本文提出使用無線傳感器網絡來進行礦井環境的監測監控。使用無線傳感器網絡進行環境監控有三個顯著的優勢：(1)傳感器節點體積小且整個網絡只需要部署一次，因此部署傳感器網絡對監控環境的人為影響很小；(2)傳感器網絡節點數量大，分布密度高，每個節點可以檢測到局部環境詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網絡具有采集數據全面，精度高的特點；(3)無線傳感器節點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據物理環境的變化進行較為復雜的監控。傳感器節點還具有無線通信的能力，可以在節點間進行協同監控[1]。節點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網絡能夠重新編程和重新部署，對環境變化、傳感器網絡自身變化以及網絡控制指令做出及時反應。即使礦井結構遭到破壞，仍能自動恢復組網，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。無線傳感器網絡自身的這些特點特別適用于礦井環境監測。

1 無線傳感器網絡的框架結構

　　傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量的傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式組成網絡。各個傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點進行逐跳傳輸，經過多跳后路由到匯聚節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測信息。各個節點協作完成監測任務。

　　應用于礦井環境監測的無線傳感器網絡，其系統結構、拓撲結構、節點結構、軟硬件工作環境、網絡協議和定位機制都必須滿足礦井環境監測要求。在礦井環境監測過程中，隨機分布的傳感器節點定期地將監測到的數據(如瓦斯濃度、一氧化碳濃度、風速、井內溫度和濕度等)發送到井外的匯聚節點。匯聚節點通過光纖、互聯網或衛星將數據傳輸到管理節點即人工控制臺和自動控制臺。人工控制臺對數據進行分析處理，實時準確監測井下環境指標，及時發布預警消息。

1.1 網絡系統結構

　　一種適用于礦井環境監測的傳感器網絡系統結構如圖1所示。這是一個層次型網絡結構，最底層為部署在礦井工作面上的傳感器節點，向上依次為傳輸網絡和基站。根據礦井規模，基站信息還可以通過Internet連接到礦井環境監測中心。為獲得準確的數據，傳感器節點的部署密度通常比較大，并且部署在若干個不相鄰的監測區域內(如若干個礦井工作面)，從而形成多個傳感器網絡。傳輸網絡是負責協同各個傳感器網絡網關節點、綜合網關節點信息的局部網絡。基站負責搜集傳輸網絡送來的所有數據，發送到Internet，并將傳感數據的日志保存到本地數據庫中。對于大規模礦井環境集中監測系統，傳感器節點搜集到的數據通過Internet傳送到中心數據庫存儲。中心數據庫提供遠程數據服務，科研人員可以通過接入Internet的終端使用遠程數據服務，對數據進行進一步的分析處理。