（通信与信息系统专业论文）煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络的实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：我国煤矿自然条件复杂，安全隐患较多，现有的有线监控系统由于自身的 局限性还难以对井下重要环境参数瓦斯实施全面、灵活的监测，不可避免地 留下大量的安全隐患。在有线监控系统的基础上进一步融合基于无线传感器两络 的无线瓦斯监测系统，构成煤矿安全监测无线与综合信息系统，将极大地提高煤 矿瓦斯监测与预警水平。正是在这种背景下，本文提出一种适合于煤矿巷道瓦斯 监测的层次型无线传感器网络系统。 层次型无线传感器网络的节点在硬件上主要由四部分组j 蠡一处理器模块、 无线通信模块、传感器模块和能量供应模块。网络的软件平台是在z i g b 协议栈 基础上开发设计的，z i 庐e e 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术， 适用于要求低成本、低功耗的煤矿瓦斯监测无线传感器网络。 根据煤矿瓦斯监测的需求，本文设计了层次型无线传感器网络的拓扑控制机 制，论述了网络的拓扑生成过程，拓扑结构发生变化时的相应处理以及网络的重 启机制；并根据此拓扑控制机制设计了网络的路由机制。 在煤矿环境监控过程中，工作人员需要周期性获得监测区域的瓦斯浓度信息， 以便随时掌握监测区域环境的变化情况，并对未来可能发生的事故做出预测，为 此设计了层次型无线传感器网络的周期性巡检工作方式，使网络每隔一定时问周 期性向监控中心传送瓦斯浓度信息。同时，监控过程中一旦发生了某地段瓦斯超 限的情况，工作人员需要尽快得知发生超限情况的地点和相应的瓦斯浓度，以便 及时采取合理的措施来避免事故发生，为此设计了层次型无线传感器网络的中断 工作方式，令网络大部分时问工作于睡眠状态，当某节点监铡到瓦斯浓度超限时， 则立即被中断唤醒并将相关监测数据传给协调器，协调器通过有线网向监控中心 汇报危险情况。 网络所能容纳的节点数和数据传输时延是网络的两个重要性能，本文对所提 出的层次型无线传感器网络的这两种性能作了分析评价。 文章最后介绍了对层次型无线传感器网络所做的实验室实验和在实际煤矿巷 道中进行的实验，并对试验结果作了分析。实验室实验结果表明网络能够实现预 期的设计目标；煤矿巷道中进行的实验结果表明在实际的巷道中能够成功实现网 络拓扑结构的建立和数据传输。 关键词：瓦斯监测；无线传感器网络；拓扑生成；周期性巡检；中断 分类号；t d 6 7 6 ：t n 9 15 9 北京交通大学硕士学位论文 a b s l r a c t a b s t r a c t ：n a t u r a le o n d i t i o mo f t h ec o a li n i n l 瞄i no u tc o u n t r y 玳c o m p l i e a m l , a n d t h e r ea 聆m 觚yh i d d e nt r o u b l e si nt h ec o a lm i n e s 勰他e x i s t i n gw i l e dm o n i t o r i n g s y s t e m s 啪td e t e c tt l a ei m p o r t a n ta l v i r o n m e u tp a r l l m c t t 髓毗魑鲫a l l - s i d e d 柚d f l e x i b l y b yc o m b i n i n ga w i r e dm o n i t o r i n gs y s t e m 耐t haw i r e l e s s 翻苴嵋o rn e t w o r kb a s e d m o n i t o r i n gs y s t c m , w ec a ns e tu p 锄i n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e mf o rm i n es a f e t y m o n i t o r i n g , w h i c hw i l lg r e a t l yi n c r e a s et h el e v e lo fc o a lm i n em o n i t o r i n ga n de a r l y w a r n i n g a c c o r d i n gt ot h i sb a c k g r o u n d , ak i n do f l a i e r a r e h yw i r e l e s ss e n s o fn e t w o r ki s p r o p o s e df o rm i l l el a n e w a yg a sm o n i t o r i n g t h es o t t w a r op l a t f o r mf o rt h en e t w o r ki sc l e - v e l o p e db a s i n go nz i g b e es t a c k z i g b e ei sal l t b , ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 喇i l it h ef e a t u r e so fl o wc o s ta n d l o wp o w e rw l a i e hi sp r o p e rf o rw s n e a c hn o d ei nt h en e t w o r ki sc o m l x ) s e do ff o u r 郴r m o d u l e , r fm o d u l e , s e n , q o l rm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r 锄c n to ft h em i n el a n e w a yg a sm o n i t o r i n 吕t h et o p o l o g y e o n l r o lm e c h a n i s mo ft h ep r o p o s e dn e t w o r k 躺d e s i g n e d i nt h i s 弹i p t h ef o r m i n g c o u l r o f t h en e t w o r kt o p o l o g yi sd i s c u s s e d , s oa r ct h ep r o c e s sf o rt h e , t a n g i n go f t h e n e t w o r kt o p o l o g ya n dt h ef l o wo f r e s t a r t i n gt h en e t w o r k t h er o u t i n gi l r l e c l m i f l i no ft l 垃 p r o p o s e dn e t w o r ki sd e s i g n e da e , x o r d i n gt ol t a et o p o l o g yc o n t r o lm e c h a n i s m d i i r i n gt h em i n em o n i t o r i n g , t h eo l 瑚a l i n gm a n a g 哪i nm o n i t o re o n t 盯s h o u l d k n o wt h eg a se o m i s t e n e yp e f i o d i e a n y , i no r d e rt ok n o wa b o u tt h oc h a n g e so ft l a em 如幛 a l v i r o m n c n ta ta n ym o m o n ta n df o r e c a s ta e e i d e n t s s op e r i o d i cm o n i t o rm o d ef o rt h e n e t w o r ki sd e s i g n e d i ni h i sl n o d et h en o d e sd e t e c tt h eg a s , x , t l s i s t c n c y 锄dr e p o r t d e t e c t i n gd a t at ot h em o n i t o r 砌胃p 盯i o d i c a n y w h c l lt h eg a s 伽咀s i 蚰m c yc x c e e d , st h e g i v a at h r e s h o l di no n ep i a i nt h om i n el a n e 9t h eo p e r a t i n gm a l l a g c l si nm o n i t o re e n t e a s h o u l dk n o wt h ep l a c ew t l c r ef i l ea c c i d e n tl u q , p e n sa n d 岫s l 地e i f i e 胛c o n s i s t e n c y q u i d d y , i no r d e rt ot a k ea c t i o n st oa v o i da c c i d e n t s s oi n t e l r l u p tm o d ef o r 岫n e t w o r ki s d e s i g n e d i nt h i sm o d et h en o d e sw o r ki ns l e e pm o d em o s to f t h et i m e , w h e n es e n s o f d e t e c t st h a t 曲时g a s e o m i s m a e y 既c e e d 3t h eg i v e nt t l r c s h o k t , i tw i l la w a k et h e c o r r e s p o n d i n gn o d eb yc x t l ：m a li n t e r r u p tc i r c u i t sa t0 1 1 , a n dt h e nt h en o d es e n d st h e d e t e e l i n gd a t at 0t h e 鲫曲l 劬鸣b yw h i c ht h ed e 删略d a t aw i l lb cf u a t 堪s 曲lt ot h e m o n i t o te a a t e r t h el l u m b e fo fn o d e st h a tt h on e t w o r kc a n $ u p l x ) r ta n d 血el i m ed e l a yo ft h ed a t a t r a n s m i s s i o n t w oi m p o r t a n tp 利h 咖瞄f o rt h ep r o p o s e dn e t w o r k t h e ym a s s a y e d i nt h i sp a p e r , i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e rt h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t sd o n ei nt h el a b o r a t o r ya n d i nt h er e a lm i l l el a n e w a ya r ei n t r o d u c e da n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s 躺a n a l y z e d i nt h e l a b o r a t o r yt h en e t w o r kw o r kw e i r a n di nt h e r e a lm i l l e ：l a n e w a yt h en e t w o r kt o p o l o g y 啪b eb u i l ts u c c e s s f u l l ya n dt h ed a t ac o u l db ed e l i v e r e dt ot h ec o o r d i n a t o r k e y w o r d s ：g a sm o n i t o r i n g ；w t r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；t o p o l o g yb u i l d ；p e r i o d i c m o n i t o r , i n t e r r u p t c l a s s n o ：t d 6 7 6 ；t n 9 1 5 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：工癌导师签名： 签字日期：力。7 年 调2 尹日 弘移 签字日期：知7 年f 2 月砂日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：工谚 签字日期： 扫7 年上月垆日 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，他严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，令我终身受益。在此衷心感谢三 年来杨老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，同时在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮 助，在此向冯老师表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间，李欣、刘彬、牛春雷和张德珍等同学对我论 文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情；同时还要感谢 实验室已毕业的师兄师姐们，他们刻苦认真的学习态度是我学习的榜样。大家在 一起研究学术，互相交流，共同构筑了实验室良好的学习氛围，结下了深厚的友 谊。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的关心是我取得进步动力和源泉，他们的 支持和帮助使我能够在学校专心完成学业。 最后衷心祝愿我的老师和同学们身体健康、工作顺利! 祝愿我的家人平安幸 福、万事如意! 1 综述 1 1 煤矿安全监控系统的现状及存在问题 我国煤炭资源丰富，煤炭占我国能源结构比例的绝大部分。但煤矿自然条件 复杂，开采条件多变，而且存在着瓦斯、火灾、水灾等自然灾害，加上煤矿作业 空间十分狭小，照明条件差，大量隐患存在于生产过程的各个环节中和井下各个 场所，稍有不慎，就可能发生重大伤亡事故【l j 。近年来，我国煤矿重特大事故频繁， 造成严重的人员伤亡和经济损失。据不完全统计，全国煤矿每年死亡人数超过六 千人，约占全国矿山企业死亡人数的8 0 以上，占全国工业企业死亡人数的6 0 ，安全问题成为煤炭行业工作的重中之重。 随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国 先后从国外引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿。在引进的同时，通过消 化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出一系列监控系统，在我国煤矿 已大量使用，为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。 目前的煤矿安全监控监测系统都是基于有线形式的，例如电缆、光缆和漏泄 电缆等。对于煤矿监控监测而言，有线监控系统带来一系列的问题，其中最为基 本的问题就是有线监控监测系统的安装和成本。因为煤矿的自然条件非常复杂， 开采条件也极端多变，存在着大量难以布置有线监控监测系统的地区，所以有线 监控监测系统无法对井下的瓦斯浓度进行全面有效的监测，这就给安全生产带来 了极大的隐患；此外有线监控监测系统的布设也是一项成本昂贵和耗时的工程。 为了克服煤矿有线安全监控监测系统的这些不足之处，无线监控监测系统已经被 提出使用在煤矿的监控系统中。建立煤矿无线安全监测系统可以对有线监控系统 难以监测的区域实施十分有效、实时和灵活的监测，与有线系统相结合，将极大 地提高全煤矿的安全生产水平【。 1 2 无线传感器网络简介 微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感 器的快速发展，使其在为小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多 种功能。无线传感器网络就是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组 成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感 北京交通大学硕士学位论文 知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者圆。 传感器节点由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括电源( 能量供应模块) 、 传感器模块、处理器模块和无线通信模块等( 如图1 1 ) 。电源为传感器提供正常 工作所必需的能源。传感器模块用于感知、获取外界地信息，并通过a d 转换器 将其转换为数字信号。处理器模块负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获 取地信息进行必要的处理、保存，控制传感器模块和电源的工作模式等。无线通 信模块负责与其它传感器节点或观测者的通信 软件部分则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、网络协议栈 等。 圈匡亘 l 无线通信模块l 旧愀h a i 糖罢兰i i 回一匹引无线通信平台l i 能量供应模块 图1 - 1 无线传感器节点体系结构 f i g 1 - i s u l i c n u o f a w i r e l e s e m c r n o d e 对象是观测者感兴趣的监测目标，也是传感器网络的感知对象，如坦克、军 队、动物、有害气体等。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其它现象 的数字量来表征，如温度、湿度等。一个传感器网络可以感知网络分布区域内的 多个对象，一个对象也可以被多个传感器网络所感知。 观测者是传感器网络的用户，是感知信息的接受和应用者。观测者可以是人， 也可以是计算机或其它设备。例如，军队指挥官可以是传感器网络的观测者；一 个由飞机携带的移动计算机也可以是传感器网络的观测者一个传感器网络可以 有多个观测者。一个观测者也可以是多个传感器网络的用户观测者可以主动地 查询或收集传感器网络的感知信息，也可以被动地接收传感器网络发布地信息 观测者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，或对感知对象采取相应 的行动。 无线传感器网络最早用于军事侦察，近年来已经逐步应用到民用领域。由随 机分布的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的 传感器，可以测量所在周边环境的温度、湿度、压力等多种物理参数，实现对所 在环境的监测。此外，通过无线传感器网络，还可以实现一些简单的控制功能， 例如开关控制从国外己成熟的应用来看，在环境、医疗、楼宇监测、交通和制 2 造业等许多领域里，无线传感器网络都有极大的应用价值。 1 3 煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络的提出 1 3 1 基于无线传惑器网络的煤矿综合监控监测系统 现有的煤矿有线安全监控监测系统在煤矿安全生产中具有重要作用。然而， 由于有线监控监测系统其自身的局限性以及煤矿井下的复杂性，矿下的瓦斯参数 无法有效的获得监控监测，从而存在很大的安全隐患。如果在现有的有线监控监 测系统的基础上结合无线监测系统，这将有效的弥补现有监控监测系统的不足， 极大的提高煤矿安全生产水平。基于此，业内有关学者已经提出了一种煤矿瓦斯 圈1 - 2 煤矿瓦斯无线综合监控监测系统模型 f i g 1 - 2m o d e lo f aw r e l e ms y n a 妇ds y s t e mf o rc o a lm i n eg a sm o n i t o r i n g 北京交通大学硕士学位论文 无线综合监控监测系统【3 1 ，该系统基于无线传感器网络，将无线传感器网络与有线 光纤系统相结合，实现井下的瓦斯浓度全面及时的监控与预警。其具体结构如图 1 - 2 所示。 该煤矿瓦斯无线综合监控监测系统以光纤骨干网为主要信息传输载体，根据 实际的煤矿环境，将有线监控和无线监控充分的结合起来 根据煤矿的地形，可以将煤矿分为开采区和巷道区。巷道区又可以分为主巷 道和支巷道。在各个主巷道区域，地形比较开阔，方便布线，可以架设有线光纤 骨干网。对于这些较为开阔地带的敏感区域瓦斯监控，采用有线监控分站的模式 利用瓦斯传感器采集监控区域的瓦斯信息，并将所采集到的瓦斯信息通过有线监 控监测分站以有线的方式接入到光纤骨干网络上。 对于地形相对狭窄的支巷道中，特别是在形状不规则的开采面，不便于铺设 光纤网络，采用传统的有线监控技术已不便于全面的监测矿井中的瓦斯信息，因 此对于狭长的支巷道和开采区采用无线传感器网络。各个传感器节点采集其周围 的瓦斯信息，利用射频模块按照一定的通信协议在无线传感器网络中传输，并通 过无线监控监测分站中的网关节点实现无线传感器网络与有线光纤网络的互连。 光纤骨干网将无线传感器网络和有线传感器网络采集到的瓦斯浓度信息发送 到本地地面监控中心，地面监控中心根据收集到的瓦斯浓度信息对矿井进行实时 监控，随时注意到矿井中各地段、区域的瓦斯含量的变化情况，对突发情况做出 迅速的应急反应，根据准确的定位技术。向危险区域发出预警信号。 地面监控中心可以通过企业内部专用局域网与总控制中心互连，实现总控制 中心对全局内各个煤矿的安全生产的实时监控与调度。 总的来讲，这种煤矿瓦斯无线综合监控监测系统是一个有线和无线监测相结 合的，与局域网、互联网相连的，可实现本地监控和远程监控的综合监控监测系 统，对于当前煤矿安全监控系统的研究具有很大的参考意义 1 3 2 煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络的提出 上述煤矿瓦斯无线综合监控监测系统模型，在理论层面提出了地形相对狭窄 的支巷道中宜于采用无线传感器网络，但尚未研究具体采用何种结构的无线传感 器网络以及无线传感器网络的具体工作方式。为了满足煤矿支巷道的实际监控监 测需求，本文根据煤矿支巷道的地形特点，提出一种分簇式链状的瓦斯监测无线 传感器网络系统，即层次型系统，如图l - 3 所示。 层次型无线传感器网络根据无线监测节点距离的远近划分成簇，每个簇单元 由相互靠近的无线节点组成嗍普通簇节点或端节点负责对瓦斯浓度进行监测；簇 4 首节点则主要负责协调和收集簇内节点的工作状态和所监测的数据，并通过簇首 转发的形式汇聚到网关或协调器节点；协调器节点与有线监控系统相联，通过有 线网将本网络采集到的瓦斯浓度信息发送到地面监控中心。 分簇式链状的拓扑结构适应了矿井支巷道地形狭长的特点。根据煤矿巷道的 实际情况和对煤矿瓦斯监测的具体需求，端节点和簇首节点可采用人工的方式进 行灵活的配置，同时根据变化的监测需求还可随时进行簇的增减，进而实现对煤 矿瓦斯参数的无缝监测。这是层次型无线网络结构的显著优点。 o o 协调鄹罔关 o 簇首节点 稿节点 某端节点向协调器 传递数据的流向 图i - 3 分簇式链状无线传感器网络结构 f 目g 1 - 3s 扛咖e o f c l u s t e r - c a t e n u l a t e w 砌s m s o r h e y o r k 1 3 3 层次型无线传感器网络采用的通信协议 煤矿瓦斯监测无线传感器网络系统要求实现低功耗、低成本和可靠的短距离 无线通信。无线通信新秀z i g b e e 是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术， 利用z i g b o e 技术组成的无线网络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的 吞吐量，能够实现安装容易、数据传输可靠、短距离通信、低成本及低功耗的要 求，并拥有一个简单而灵活的通信网络协议。所以我们采用z i g b e e 技术作为煤矿 瓦斯监测无线传感器网络的通信协议。 煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络在z i g b c e 协议栈的基础上，通过对软件 进行开发设计，实现了网络双层拓扑结构的生成机制和路由机制，以及网络的具 体监测工作机制等。 1 3 4 层次型无线传感器网络的双层网络结构 层次型无线传感器网络根据传感器节点距离的远近划分成多个簇单元，这样 所提出的煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络系统就被分成了两个子系统：第一 北京交通大学硕士学位论文 个子系统由低传输范围的和能量受限的普通簇节点或端节点( e n ，e n dn o d e ) 组成， 形成了无线传感器网络的基础网络；而另一个子系统由大传输范围的和具有更多 能量供给的簇首节点( c h ，c l u s t e rh e a d ) 和协调器节点组成，形成了该传感器网络 的上层骨干网络。其中，上层骨干网络起着关键性的作用，它负责整个网络的监 控监测数据的传输。端节点根据实际的需求被安放在固定的地点，然后这些端节 点再依据某种簇生成算法和它周围的簇首节点形成一个簇单元，从而形成了基础 网络。 基础网络都是各个独立的簇单元，包括一个簇首节点和多个端节点。每个端 节点只能与它的簇首节点相联系，只需要与簇首节点进行数据通信，因此端节点 的传输距离局限于单个簇单元内，这样可以降低端节点的发射功率端节点负责 对瓦斯浓度进行监测，将采集到的数据通过簇首节点传递到协调器，再经协调器 传输到地面的监控中心。因为每个簇首节点在同一个时间段内只能接收来自一个 端节点的数据，所以每个簇内的端节点都按照时分多址接入( t d m a ) 方式与该 簇的簇首进行通信，即每个端节点分别在各自占用的时隙内向簇首发送监测数据 ( 如图1 4 ) 。簇首节点在本簇单元主要负责协调和收集端节点的工作状态和所监 测的数据，并按照设计好的工作流程在特定的时间里向本簇各成员发送广播命令， 以通知各成员进入睡眠或者向自己传输监测数据等。 簇首节点和协调器节点共同构成网络系统的上层骨干结构。簇首节点通常在 网络中承担以下的两种功能：一是数据汇集融合功能，能够将本簇收集的数据和 前面簇首转发过来的数据汇聚成一个数据包并向前转发；二是广播桢中继和数据 路由功能，一方面可以将协调器的广播命令中继转发到因距离较远而接收不到协 调器广播命令的簇首节点，另外可以将端节点发送的数据包路由转发到协调器。 协调器跟有线网相连，所有的监测数据都通过协调器节点传送到地面的监控监测 中心，以实现实时有效的安全监控 6 掣毛 i j值匾 时隙1 发送 厂堡堕 时隙2 发送 厂 堡堕 “ 发送 图l - 4 一个簇单元内各端节点传输致据的时隙安捧 f ；i g 1 - 4 砥1 1 0 t 姗辨o f d a t a t 口a s m i s s i o a f o r e a d n o d e s i a a d e s t e r 1 3 5 层次型无线传感器网络的监测工作机制 煤矿瓦斯盔测层次型无线传感器弼络系统是专门为监测煤矿的瓦斯浓度而设 计的。在煤矿瓦斯监测中，一方面监控人员需要传感器网络对巷道环境进行长期 监测，并按照约定的周期将采集到的瓦斯浓度信息送往监控中心，以便记录和分 析煤矿中瓦斯浓度的变化情况，并对煤矿环境未来的变化作出预测：另一方面， 在紧急事件发生( 瓦斯浓度超限) 的情况下，监控人员需要通过监测系统得到实 时的瓦斯浓度信息，超限的瓦斯浓度信息必须在尽可能短的时何内得到，以便采 取及时合理的措施来避免恶性事故的发生基于上述需求，设计了层次型无线传 痞器两络系统的两种工作方式周期性巡检工作方式和中断工作方式，分剐对 煤矿巷道环境进行长期周期性监测和紧急事件的监测。 为了尽可能的降低能量消耗以延长整个网络系统的生存时问，定义了传感器 节点的两种工作状态睡眠和侦听。在睡眠状态中。处理器模块处于低功耗的 休眠状态，无线通信模块关闭，传感器模块不停地感测周围的瓦斯浓度，这种工 作模式可以显著的降低节点的能量消耗而侦听状态下，处理器模块恢复正常运 行，无线通信模块打开以侦听无线信道。设计层次型无线传感器网络工作时，各 端节点一般处于睡眠状态，而簇首节点和协调器一般处于侦听状态 在周期性巡检的工作模式下，网关和簇首节点一直处于侦听状态而端节点 l 2 3 阱 毗 瓯 则处于周期性的睡眠和工作交替状态网络每经过一个睡眠周期醒来，然后进行 数据的采集与发送，发送完毕后重新转入睡眠。每个工作周期内各端节点和簇首 节点发送数据的过程为：先由离网关最远的簇首节点收集本簇的数据，将各节点 的数据融合后向相邻的前一个簇首转发；前一个簇首收到之后先收集本簇的数据， 连同其后面簇首转发过来的数据一起融合，再向它的前一个簇首转发；它的前一 个簇首接收到之后同样先迸行本簇数据的收集，然后连同后面簇首传过来的数据 一起进行融合、向前转发，这样由远到近递次进行，直到离协调器最近的簇首融 合好各个簇的数据并转发至协调器，其工作流程如图1 5 所示这种发送方式可以 避免各个簇首同时收集簇内数据造成的冲突其中，每个簇首对本簇数据的收集 是通过簇内各端节点分时隙将数据传给簇首实现的。 在中断工作模式下，端节点通常处于睡眠状态以节省能量，当节点上的传感 器模块检测到周围的瓦斯浓度超过规定的门限后，会通过外部电路产生中断以唤 醒节点的睡眠，端节点被唤醒后立即将超限数据打包并通过各簇首节点路由转发 至协调器，协调器通过有线网将超限数据传输到监控中心以供监控人员作进一步 的处理。这种工作模式下的流程如图1 - 6 所示。 这两种工作模式下网络的具体工作细节将在第4 章中详细讲述。 冒1 - 5 周期性巡检模式下网络的工作流程 f 唔1 - 5 f l o w c h a r t o f p 口i e d i c m o n i t o r m e d e o f t h e n e t w e a 0 协调嚣建立同络 各节点被部署到 检测地点入网 协调器广播睡眠命 令控制各端节点进 入睡眠 某端节点感应到超 限情况 端节点被唤醒 端节点将数据传给 协调器 二 协调器将数据传l 输到监控中心j 图l - 6 中断工作模式下网络的工作流程 f i g 1 - 6 f l o wc h a r to f i n t a r u p tm o d eo f t h en e t w o r k 1 4 主要研究工作与论文组织结构 本文主要研究煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络的硬件与软件平台，拓扑 生成控制机制与路由机制，以及网络的两种工作方式周期性巡检工作方式和 中断工作方式，此外对网络的有关重要性能作了分析评价，并进行了实验室实验 和实际巷道中的实验。全文共分七章，结构安捧如下： 第一章为绪论，简要介绍我国煤矿监控系统的现状和存在的问题，煤矿瓦斯 监测层次型无线传感器网络的提出以及这种网络的结构特点和监控监测工作机 制。 第二章介绍为煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络开发设计的硬件平台和软 件平台。 第三章首先介绍煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络的拓扑生成机制，论述 这种机制下网络拓扑结构的形成过程，拓扑结构变化时网络的应对处理，网络的 重启机制以及网络的地址分配算法；然后讲述在此拓扑生成机制基础上所设计的 网络的路由机制的原理和优缺点。 第四章介绍层次型无线传感器网络系统的两种工作方式一周期性巡检工作 方式和中断工作方式。介绍周期性巡检工作方式下网络如何周期性地向监控中心 传送瓦斯浓度信息，以满足工作人员对煤矿环境周期性监控的需求；并介绍节点 中断唤醒机制的原理和中断工作方式的流程。 第五章对层次型无线传感器网络的两种重要性能可容纳的节点个数和数 据传输时延进行了分析评价 9 北京交通大学硕士学位论文 第六章介绍对层次型无线传感器网络所做的实验室实验和在实际煤矿巷道中 进行的实验，并对试验结果做了分析 第七章对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 l o 层次塑无线传感器网络的硬件和软件平台设计 2 层次型无线传感器网络的硬件和软件平台设计 无线传感器网络具有很强的应用相关性，不同的应用背景下需要不同的网络 模型、硬件平台和软件系统。本文在煤矿瓦斯监控监测的需求背景下，开发设计 了层次型无线传感器网络的硬件平台和软件平台 2 1 硬件平台 无线传感器网络节点在硬件上通常由处理器模块、无线通信模块、传感器模 块和能量供应模块四部分组成，如图2 - 1 所示。处理器模块负责控制整个传感器节 点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块 负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；传感器模 块负责检测区域内信息的检测；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量， 通常采用微型电池【习。 图2 - 1 无线传感器节点硬件结构 f i g 2 1h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n o f a d d 妇s e n s o r n o d e 传感器节点作为一个完整的微型计算机系统，其各部分的性能必须是协调和 高效的，各模块实现技术的选择需要根据实际的应用系统要求而进行权衡和取舍 所提出的层次型无线传感器网络面向煤矿瓦斯的监控监测，这种应用背景对传感 器节点的这四个组成部分都有一定的特殊要求： 处理器本身必须是低功耗的，并支持休眠模式，此外应当体积小、集成度高、 运行速度快，并具备足够的外部通用f o 口和通信接1 2 1 以便于同通信模块和传感器 模块的连接交互。无线通信模块消耗的能量在传感器节点中占主要部分，因此无 线通信模块必须是能量可控的，收发数据的能耗要非常低，并能够支持低功耗待 机侦听模式；由于应用于煤矿监控中的无线传感器网络是低数据量传输、长期工 作的无线网络，所以本身对于通信模块的传输速率要求并不高。传感器模块应当 是体积小、功耗低、测量精度高的瓦斯传感器能源也是传感器节点中的重要部 北京交通大学硕士学位论文 分，工人不可能频繁的下矿更换电源，所以传感器节点的电源必须是高电量的电 池，同时应当考虑体积和应用上的简易性。 根据上述要求，设计了层次型无线传感器网络节点的硬件平台。每个传感器 节点的四个主要组成模块分别采用了以下器件：处理器模块选用m i c r o c h i p 公司的 p i c1 8 f 4 6 2 0 单片机，无线通信模块采用采用c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 射频芯片， 传感器模块采用m c l1 2 瓦斯传感器，能量供应模块采用碳性干电池1 6 ( h g 和碱性 干电池l r 0 3 。此外每个节点还包括一个开发板，开发上带有通信口和程序烧写口， 如图2 2 所示。 图2 - 2 所设计节点的硬件构成图 f i f r 2 - 2d i a 蛐o f t h eh a r d w a r ec o n 丘酊删d e a g e e dn o d e 下面分别介绍所设计节点的4 个主要模块所采用的器件 2 1 1 处理器模块p i c l 8 f 4 6 2 0 节点的数据处理单元选用p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机。p i c l 8 f 4 6 2 0 是p i c 系列单片机中 的一种，其管脚排列如图2 3 ( p i c l 8 f 4 6 2 0 与p i c i s f 4 5 2 5 管脚捧列相同，故图中同 时标出了p l c l 8 f 4 5 2 5 的型号) 。它是一种低功耗系统级芯片，在1 6 m h z 的工作频率下 最大功耗不超过2 0 0 r o w ，可以使用电池长期工作；其典型供电电压是3 3v p i c l 8 f 4 6 2 0 具有丰富的资源：片内6 4 k b 的程序f l a s h ，4 k b 的数据s r a m ，1 k b 的e 2 p r o m ，外部不用扩展存储器和f o h ，外围设备得到了简化；1 3 个a d c 通道， 3 6 个口，1 个8 位和3 个1 6 位硬件定时，计数器；2 1 c c p 模块，可编程看门狗定时 1 2 层次型无线传感器网络的硬件和软件平台设计 器和片上模拟比较器，片上电压基准电路；1 0 种可选晶体振荡模式；此外，还有 主同步串行口( m s s p ) 模块和增强型可寻址u s a r t 模块，m s s p 模块支持3 线 s p i 和1 2 c t m 主，从模式，u s a r t 模块支持r s - 4 8 5 、r s - 2 3 2 和l i n1 2 。 p i c l 8 f 4 6 2 0 使能了扩展指令集，总共有8 3 条指令，配合其高容量的内部存储 系统可以保证运行完整的软件协议栈。同时，由于采用了精筒指令集( r i s c ) 结 构，数据线和指令线分离，这使得取指令和取数据可同时进行，使其指令较同类 复杂指令集c i s c 单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。 p i c l 8 f 4 6 2 0 有3 种功耗管理模式：c p u 和外设均打开的运行模式，c p u 不工作 而外设打开的空闲模式，以及c p u 和外设均不工作的休眠模式空闲模式和休眠 模式均可显著降低功耗，其中休眠模式下电流可降至l m a 以下；空闲模式和休眠 模式均可通过外部中断唤醒 总之，p i c l 8 f 4 6 2 0 丰富的片内资源、指令执行的高效性和多种可选的低功耗 模式使其非常适合用傲检测瓦斯浓度的传感器节点的处理器模块。 r c r 吣t 一 r d o p m - 一 r d s i p s p “) i b 一 同叫v p g 哪t c - r d m 雕尊仰1 0 - + v 一 m m 一 咖n 硼f l l n 州1 2 _ 髓i 椰i a n l o 一 r b a n l 2 m 8 一 毒| 蠹藿l l l l ll3 l l l l l ；刭= 嚣勰 ：；爿= 涩 ；p i c l i i f 4 ( ；2 0 别= n n 畸卜- ll ll 霆磬 图2 - 3p i c l 8 f 4 6 2 0 管睁囤 f i 9 2 3d i a g r a mo f p i c l 8 f 4 6 2 0p i n s 2 1 2 无线通信模块c c 2 4 2 0 1 、c c 2 4 2 0 简介 北京交通大学硕士学位论文 节点的无线通信模块采用c c 2 4 2 0 射频芯片【5 同c c 2 4 2 0 是c h i p c o n 公司推出的 首款符合2 4 g h zi e e e8 0 2 1 5 4 标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是 第一款适用于z i g a e e 产品的射频器件。它基于c h i p c o n 公司的s m a r t r f0 3 技术，以 0 1 8 u r nc m o s t 艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。c c 2 4 2 0 的 选择性和敏感性指数超过了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性 和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高：达2 5 0 k b p s ，可以实 现多点对多点的快速组网。 c c 2 4 2 0 的主要性能参数如下： 工作频带范围：2 4 0 0 _ _ 2 4 8 3 5 g h z ； 采用i e e e8 0 2 1 5 a 规范要求的直接序列扩频方式； 数据速率达2 5 0 k b p s ，码片速率达2 m c h i p s ； 采用oq p s k 调制方式； 超低电流消耗( r x ： - 1 9 7 m a ，t x ： b u i l d a l l 命令可以将软件编译链接，并生成h e x 文件。 i c d 2 程序烧写器一端是u s b 接口，与电脑相连；另一端是r j - 1 1 接口，与硬 件节点的程序烧写i = l 连接。进行烧写时，先通过m p l a b i d e 主菜单的f i l e 一) i m p o r t 命令来导入需要烧写的代码( 即j 慨文件) ：然后通过主菜单的p r o g r a m m e r - - ) p m g n u n e 命令来将代码烧写入硬件中。 一个层次型无线传感器网络有一个协调器、几个簇首节点和多个普通簇节点。 烧写程序时，要将不同类型的程序分别烧到对应的节点中 层次型无线传感器网络的硬件和软件平台设计 2 3 本章小结 图2 - 1lm p l a b 集成开发环境下打开程序 f i g 2 - 1 1p l o 舭i so p e ni nl h em p l a b i d e 本章在煤矿瓦斯监控监测的需求背景下，开发设计了层次型无线传感器网络 的硬件平台和软件平台。无线传感器节点四个主要组成模块分别采用了以下器件： p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机，c c 2 4 2 0 射频芯片，m c i l 2 瓦斯传感器，以及碳性干电池1 6 0 4 g 和碱性干电池l r 0 3 ：文中分别对这些器件的结构、性能和使用等内容进行了详细 说明。z i g b 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，适用于要求 低成本、低功耗的煤矿瓦斯监测无线传感器网络；z i g b e e 协议栈在体系结构上包 括物理层、媒体接入控制层、网络层以及应用层；网络的软件平台是在z i g b e e 协 议栈的基础上开发设计的。 北京交通大学硕士学位论文 3 层次型无线传感器网络的拓扑控制机制和路由机制设计 根据煤矿瓦斯监测的需求，本章设计了所提出的层次型无线传感器网络的拓 扑控制机制和路由机制 3 1 拓扑控制机制设计 所提出的煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络是一种层次型的网络拓扑结 构。层次型的网络结构，既通过簇内控制减少了节点与协调器远距离的信令交互， 降低了网络建立的复杂度，减少了网络路由和数据处理的开销，同时又可以通过 数据融合降低网络负载，而多跳也减少了网络的能量消耗。 l e a c h ( 1 0