用于矿井环境监测的无线传感器网络

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1、万方数据用于矿井环境监测的无线传感器网络钱春丽，张兴敢(南京大学电子科学与工程系，江苏南京210093)摘要：提出了利用无线传感器网络进行矿井环境探测的方法，给出了适用于矿井环境探测的无线传感器网络的网络框架、拓扑结构和网络协议。关键词：矿井检测无线传感器网络分布式拓扑控制在矿井环境监测中通常需要对矿井风速、矿尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路，传递监测信息。生产过程中矿井结构在不停变化，加之有些坑道空间狭小，对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信

2、链路发生故障，整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题，本文提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。使用无线传感器网络进行环境监控有三个显著的优势：(1)传感器节点体积小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对监控环境的人为影响很小；(2)传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以检测到局部环境详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有采集数据全面，精度高的特点；(3)无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控。传感器节点还具有无线通信的能力，可以在节点间进行协同监控

3、⋯。节点的计算能力和无线通信能力使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应。即使矿井结构遭到破坏，仍能自动恢复组网，传递信息，为矿难救助等提供重要信息。无线传感器网络自身的这些特点特别适用于矿井环境监测。1无线传感器网络的框架结构传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量的传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式组成网络。各个传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点进行逐跳传输，经过多跳后路由到汇聚节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和

4、管理，发布监测任务以及收集监测信息。各个节点协作完成监测任务。应用于矿井环境监测的无线传感器网络，其系统结构、拓扑结构、节点结构、软硬件工作环境、网络协议和定位机制都必须满足矿井环境监测要求。在矿井环境监测过程中，随机分布的传感器节点定期地将监测到的数《电子技术应用》2006年第9期据(如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、井内温度和湿度等)发送到井外的汇聚节点。汇聚节点通过光纤、互联网或卫星将数据传输到管理节点即人工控制台和自动控制台。人工控制台对数据进行分析处理，实时准确监测井下环境指标，及时发布预警消息。1．1网络系统结构一种

5、适用于矿井环境监测的传感器网络系统结构如图1所示。这是一个层次型网络结构，最底层为部署在矿井工作面上的传感器节点，向上依次为传输网络和基站。根据矿井规模，基站信息还可以通过Intemet连接到矿井环境监测中心。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度通常比较大，并且部署在若干个不相邻的监测区域内(如若干个矿井工作面)，从而形成多个传感器网络。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。基站负责搜集传输网络送来的所有数据，发送到Intemet，并将传感数据的日志保存到本地数据库中。对于大规模矿井环境集中监

6、测系统，传感器节点搜集到的数据通过Irltemet传送到中心图1网络系统结构本刊邮箱：eta@ncse．com．cn21万方数据数据库存储。中心数据库提供远程数据服务，科研人员可以通过接入Intemet的终端使用远程数据服务，对数据进行进一步的分析处理。1．2拓扑结构矿井环境监测最基本的要求是及时有效地传递信息，发布预警消息，保证井下安全。为此，无线传感器网络采用网状拓扑结构。完全的网状拓扑控制要消耗传感器节点较多能量，为了在满足网络连通的前提下，尽可能地节约能量，在矿井的每个工作面部署的大量节点中选取少数节点作为骨干网节点，

7、打开其通信模块，关闭非骨干节点的通信模块，由骨干节点建立一个网状全连通网络来负责数据的路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大范围内节约了能量。网络拓扑结构如图2所示。图2网络拓扑结构骨干节点需要调节非骨干节点的工作，负责数据的融合和转发，能量消耗相对较大。通常由网络自身周期性地监测各传感器的能量状态，并自动更换骨干节点来均衡网络中各节点能量消耗。选取所有节点中能量大于某一设定值的少数几个节点作为骨干节点，其余节点选取离自己距离最近的骨干节点作为自己的控制节点。如果矿井工作面距离较远，或工作面数目多，可以在每个

8、工作面专门部署一个能量较强的节点作为该工作面骨干节点的骨干节点，完成工作面之间的信息传输。2节点的软硬件结构2．1硬件结构节点硬件结构如图3所示【11，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理