（通信与信息系统专业论文）煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络的实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：煤矿的自然条件非常复杂，开采条件也极端多变，矿井中可能存在着各种 灾害，增加了煤矿开采的不安全度，容易引发重大事故，给安全生产造成极大的 困难。其中瓦斯灾害较为严重，是煤矿安全生产的主要威胁因素。目前煤矿中主 要以有线监控系统为基础进行瓦斯的监测，此种监测方式存在着种种的局限性和 不足，已经不能满足煤矿安全监控的需求，从而存在较大的安全隐患。为此，本 文提出了一种用于煤矿瓦斯监测的网格型无线传感器网络，作为有线监控系统的 补充，将极大的提高煤矿瓦斯监测与预警水平。 煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络主要包括协调器、路由器、普通型端设 备和增强型端设备共四种节点，功能各不相同。本文设计了无线传感器节点的硬 件结构和软件系统，以支持这四种节点的功能。 网格型无线传感器网络是一个自组织的网络，针对瓦斯监测工作的需求，本 文设计了网络的拓扑控制机制、无线节点接入机制和路由机制。拓扑控制机制主 要解决网络的建立、拓扑结构的生成和功率控制等问题；无线节点接入机制主要 解决网络中的数据冲突问题；路由机制主要解决瓦斯监测数据在网络中的传输问 题。 在煤矿瓦斯监测工作中，工作人员需要获得监测区域中各个监测点的瓦斯浓 度数据，以便对整个区域的瓦斯分布进行分析和必要的预测。此外，一旦监测区 域内的瓦斯浓度超标，要求监测网络能够及时报警。为此，针对无线传感器网络 自身的特点，设计了周期巡检和中断唤醒相结合的网络工作方式，使无线监测网 络在节能的前提下可以满足上述监测工作的要求。 在长约9 0 米的平直室内走廊对所设计的网络进行了多次测试，并在山东兖州 煤矿巷道内对网络进行了实地测试，测试结果表明监测网络的无线通信效果良好， 按照所设计的工作方式执行了模拟监测任务，拓扑控制机制、无线节点接入机制 和路由机制基本满足了预期的设计要求。可以较好的满足煤矿瓦斯监测需要。 关键词：瓦斯监测；网格型无线传感器网络；拓扑控制；无线节点接入；路由机 制；周期巡检 分类号：t d 6 7 6 ；t n 9 1 5 9 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h en a t u r ea n de x p l o i t a t i o nc o n d i t i o no ft h ec o a lm i n ei sv e r y c o m p l i c a t e da n dv a r i o u s s ot h e r em a y h a v em a n yk i n d so fd i s a s t e ri nc o a lm i n ew h i c h i n c r e a s ei n s e c u r i t yo fe x p l o i t a t i o na n db r i n gg r e a ta c c i d e n t sm o r ee a s i l y t h eg a s d i s a s t e ri sm o r es e r i o u st h a nt h eo t h e r s ，a n di ti st h em a i n l ym i n a t o r yf a c t o r a tp r e s e n t ， t h eg a sm o n i t o r i n gm a i n l yr e l yo f ft h ew i r e dm o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hh a v em a n y l o c a t i o n sa n ds h o r t a g e sf o rt h es e c u r i t yo fc o a lm i n ea n de x i s tm a n ys e c u r i t yh i d d e n t r o u b l e s t h e r e f o r e ，aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t hm e s hs t r u c t u r ef o rc o a lm i n eg a s m o n i t o r i n gi sp r o p o s e d a sas u p p l e m e n to fw i r e dm o n i t o r i n gs y s t e m ，i tw i l li m p r o v e t h el e v e lo fc o a lm i n eg a sm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n gg r e a t l y t h e r ea r e4k i n d so fd e v i c e si nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t hm e s hs t r u c t u r ef o r c o a lm i n em o n i t o r i n gn a m e dc o o r d i n a t o r , r o u t e r , n o r m a le n dd e v i c ea n di m p r o v e de n d d e v i c er e s p e c t i v e l y , a n dt h e ya l lh a v ed i f f e r e n tf u n c t i o n s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ew i r e l e s ss e n s o rn o d ei sd e s i g n e dt os u p p o f lt h ef u n c t i o no f d i f f e r e n td e v i c e s c o n s i d e r i n gt h a tt h es e l f - o r g a n i z a t i o no ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t hm e s h s t r u c t u r ea n dt h er e q u i r e m e n to fg a sm o n i t o r i n g ，t h et o p o l o g yc o n t r o lm e c h a n i s m ， w i r e l e s sn o d e sa c c e s sm e c h a n i s ma n dr o u t i n gm e c h a n i s ma r ed e s i g n e d t h et o p o l o g y c o n t r o lm e c h a n i s mi s m a i n l yf o c u s e do nt h ee s t a b l i s h i n go fn e t w o r k ，b u i l d i n go f t o p o l o g ya n d c o n t r o lo fp o w e r t h ew i r e l e s sn o d e sa c c e s sm e c h a n i s mi sm a i n l yf o c u s e d o nd a t ac o l l i s i o ni nt h en e t w o r k a n dt h er o u t i n gm e c h a n i s mi sm a i n l yf o c u s e do nt h e t r a n s m i s s i o no fd a t a t h eo p e r a t i n gm a n a g e r sn e e dt oo b t a i nt h ec o n s i s t e n c yo fg a si ne a c hm o n i t o r i n g s i t ed u r i n gm o n i t o r i n g ，s ot h e yc a na n a l y z ea n df o r e c a s tt h ed i s t r i b u t i o no fg a si nt h e w h o l em o n i t o r i n ga r e a m o r e o v e r , t h em o n i t o r i n gn e t w o r ks h o u l dg i v ea l la l a r mi nt i m e w h e ng a sc o n s i s t e n c yi so v e rt h ed a n g e rm a r k t h e r e f o r e ，b a s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dt h er e q u i r e m e n to f s a v i n ge n e r g y , an e t w o r kw o r km o d e w i t hp e r i o d i ca n di n t e r r u p t i v em o n i t o r i n gi sd e s i g n e dt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n to ft h e m o n i t o r i n gw o r k t h ed e s i g n e dn e t w o r ki st e s t e di nm a n yt i m e si nt h es t r a i g h ti n d o o ra i s l ew h i c hi s 9 0m e t e r sl o n g a n di ta l s ot e s t e di nt h ec o a lm i n el a n e w a yi ny a n z h o u ，s h a n d o n g p r o v i n c e t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no ft h en e t w o r ki s f i n e ，n e t w o r ke x e c u t e dt h es t i m u l a n tm o n i t o r i n gt a s kw i t ht h ed e s i g n e dw o r km o d e ，t h e a b s t r a c t t o p o l o g yc o n t r o lm e c h a n i s m ，w i r e l e s sn o d e sa c c e s sm e c h a n i s ma n dr o u t i n gm e c h a n i s m a r ef u l f i l l e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n tb a s i c a l l y t h ed e s i g n e dn e t w o r kc a na c h i e v et h ea i m o f t h ee o a lm i n eg a sm o n i t o r i n gw o r k k e y w o r d s ：g a sm o n i t o r i n g ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t l lm e s hs t r u c t u r e ；t o p o l o g y c o n t r o l ；w i r e l e s sn o d e sa c c e s s ；r o u t i n gm e c h a n i s m ；p e r i o d i cm o n i t o r i n g c l a s s n 0 ：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晚明) 学位论文作者签名：玉1 韶导师签名： 签字同期：凇1 年1 7 月1 三t 同 弘影 签字日期：如1 年i 】月z 日 j ! 壅銮望盔堂堡主堂堡笙塞一 独创性声明 本人声明所节交的学 ) = 论文是本人在导师指导f 进行的研究l ：作平取得的研究成果，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人学或其他教育机构的学位或证i ；而使川过的材料与我一同i ：作的 同忠对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意a 学伉论文作者签名： 签字日期：力a 口1 6 8 年i z 月峰日 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，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨维 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，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期闯，王彬、李欣、牛春雷和张德珍等同学对我论 文中的相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。大家在科 研工作中互相帮助，结下了深厚的友谊。同时还要感谢实验室已毕业的师兄师姐 们他们在学习和生活上都给与了我帮助。 另外也感谢我的父母和亲属，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 最后衷心祝愿我的老师和同学们身体健康、万事如意! 祝愿我的家人平安幸 福、健康快乐! 引言 1 引言 1 1 我国煤矿监控系统现状及问题 近年来，随着对煤炭需求的高速增长，煤炭工业也碍到很大发展，但是煤矿 重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。各地煤矿事故频发， 造成严重的人员伤亡及经济损失，暴露出现有煤矿监控系统存在的问题。煤矿的 安全生产对国民经济的发展有着重要的意义，它不仅关系着煤矿企业的兴衰，而 且关系着社会的稳定和经济的长期发展。统计分析表明，全国煤矿瓦斯事故数占 事故总数大约7 0 。因此，煤矿井下瓦斯参数的监测对保障煤矿安全生产具有十分 重要的作用，是煤矿高产、高效、安全生产的重要保证，直接关系着矿井的安全 生产与矿工的人身安全。 煤矿瓦斯监测是困扰煤矿安全生产的一大难题，目前我国普遍采用的煤矿瓦 斯监控系统都是以工业总线作为基础，井下瓦斯监测系统与地面信息中心一般通 过电缆或光纤连接，构成有线的通信传输网络，这些线路需要有专业人员建立和 维护，若线路施工不及时就会造成瓦斯漏检。并存在以下缺点： 1 ) 有线通信方式布线复杂，劳动强度高，同时铺设速度较馒，容易在建设初 期形成安全上的盲点； 2 ) 网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求；在煤矿实际 开采过程中，经常需要对某一地区进行试探性挖掘，由于形成的探测巷长度事先 无法预知，巷道随时可能废弃或者增加掘进深度，所以对于工业总线而言，其扩 展性、灵活性存在不足，还容易造成资源的浪费，引起成本的提高： 3 ) 监测点相对固定，容易出现监测盲区； 4 ) 工作现场的通信线路容易破坏，破坏后的恢复周期一般较长： 5 ) 通信线路维护成本高，造成部分煤矿出现边维护、边生产的违规现象，甚 至有些煤矿干脆不维护。 综上所述，依靠有线监控系统实现对全矿井瓦斯参数的无缝监测还具有一定 的局限性，不可避免地留下了大量的安全隐患。现有的有线监控系统较难达到对 矿井瓦斯参数的动态全方位监测。并且，伴随着煤矿开采速度的加快，有线网络 在覆盖率、扩展性、灵活性方面的问题更为严重。因此，需要在现有有线网络的 基础上进行改造，以解决在矿井瓦斯监测方面的问题【1 】。目前，国内外有许多相关 论文对这一问题进行了探讨，提出了多种解决方法，但煤矿安全监控的效果仍不 北京交通大学硕士学位论文 容乐观。 1 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 是由美国高级国防研究中心用 于军事目的提出并实施的，被认为是2 i 世纪最重要的十大新技术之一。该网络是 由部署在监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 一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地实施监测、感知和采集环境信息， 并对数掘进行处理，传送到监测中心。无线传感器网络综合了传感器技术、遥测 遥控技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，是一个范围 广、自组织、动态性和可靠的网络。近年来随着微型制造技术、无线通信技术和 电池技术的进步，促使低成本、低功耗的微型无线传感器的大规模生产制造成为 可能，这些微型无线传感器能同时具有数据采集、无线通信和信息处理的能力。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着不同 的设计目标。后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽 的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。而在无线传感器网络中，除了 少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。其中的设备体积小、能耗低， 并通过无线网络传播信息，具有快速构建、部署方便的特点，不易受到目标环境 的限制，因此对比传统的传感器而言，具有无可比拟的优势。人们依靠无线传感 器网络可以实时监测外部环境，实现大范围、自动化的信息采集。它特别适合布 是在电源供给困难或人员不易到达的区域。无线传感器将被广泛地应用于有害气 体的监测、移动目标的跟踪、环境状态变化的监测等方面。 一般来说，传感器节点的硬件结构可分为传感器模块、处理器模块、无线通 信模块和能量供应模块4 部分。其中，传感模块负责采集监测区域内的有用信息并 进行数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的运行，存储和处理本身采 集的数据以及其他节点发来的数据，是传感器节点的核心部分；无线通信模块负 责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集到的数据；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。 典型的传感器节点协议栈结构如图1 1 所示，包括物理层、数据链路层、网络 层、传输层和应用层。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动性管理平台和任 务管理平台三部分。节点的软件部分通过对硬件部分的控制，使得传感器节点能 够按照能源高效的方式协同工作【2 j 。 引言 图i - i 典型的传感器节点协议栈结构 f i g 1 - 1t y p i c a lp r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r e o f s e n s o r n o d e 无线传感器网络充分利用t a d - - h o c 网络动态自组、多跳的特点，无须铺设线 路，操作简单、容易维护、组网成本低，在覆盖率、扩展性和灵活性这三个方面 要优于有线网络。 1 3 煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络的提出 1 3 1基于无线传感器网络的煤矿瓦斯综合监控系统 为了克服煤矿瓦斯有线监控系统的不足之处，完善煤矿安全监控体系，基于 无线传感器网络的无线瓦斯监测系统已经被提出，可与有线监控系统相结合使用 在煤矿的安全监控系统中，并已经在国外的研究中取得显著的实际成果【3 k 1 4 l ，典型 的煤矿瓦斯综合监控系统的结构如图1 - 2 所示。 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。 在需要监控的区域安放有线瓦斯传感器，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的形式。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 北京交通大学硕二卜学位论文 连。 图1 - 2 煤矿瓦斯综合监控系统结构图 f i g ，1 2t h es t r u c t u r eo f z y n t h e t l cs y s t e mf o rg a sm o n i t o ri nc o a lm i n e 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通过 网关发送到本地地面调度中心，地面调度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。 地面调度中心可以通过企业内部专用局域网与总监控中心互连，实现总监控 中心对全局内各个煤矿安全生产的实时监控与调度。 此外，总监控中心将与互联网连接，使得上级部门能通过互联网对该局的整 体安全生产情况进行实时查询、监控。 此种煤矿瓦斯综合监控系统，采用有线与无线相结合的方式，可以较好的适 应煤矿内的复杂环境，达到比较满意的监控效果。 1 3 2 无线传感器网络的通信协议z i g b e e 对于多数无线网络，通信协议的设计旨在提高数据传输速率和传输距离，而 引言 对于应用于环境检测、工业控制等领域的无线传感器网络来说，系统所传输的数 据量小，传输速率低，通信终端设备通常为电池供电，因此要求传输设备必须具 有成本低、功耗小的特点。此外，对于煤矿瓦斯监测工作来说，为了获得较为全 面的监测数据，需要在网络中布置数量较多的无线传感器节点，这就要求网络能 协调好节点之间的通信，并且要求网络中的数据传输具有较低的时延。因此，需 要选择一种具备上述特点的网络协议，以保障煤矿瓦斯无线监测系统的f 常监测 工作。 z i g b e e 技术是一种新兴的无线个人域网络( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k w p a n ) 技术，它是一种介于无线标记( r f i d ) 技术和蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术之间的技 术提案。相比于无线局域网( w i ，f i ) 和蓝牙等无线通信技术，z i g b e e 技术具有近距 离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的特点。z i g b e e 应用范围非常广泛， 包括智能建筑、工业自动化、医疗设备、智能家居、及各种监控系统。主要适合 于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。采 用z i g b e e 技术的网络可在数干个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感 器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一 个传感器，所以它们的通信效率非常高。z i g b e e g 目络支持星型、树型和网格型拓 扑结构，以适应不同的应用要求。 z i g b e e 协议层机构比较简单，严格讲z i g b e e 协议只包含应用层、网络层及各层 的安全机制。物理层、m a c 层属于i e e e8 0 2 1 5 4 。但z i g b e e 联盟定义协议时采用 了i e e e8 0 2 1 5 4 规范作其底层。因此，从广义上上讲，也可称z i g b e e 协议包含了低 两层。 物理层提供了两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口( p l m e ) 对物理层 数据和物理层管理提供服务。物理层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收 物理层协议数据单元( p p d u ) 来实现。物理层的特征是启动和关闭无线收发器，能 量检测，链路质量，信道选择，清除信道评估( c c a ) ，以及通过物理媒体对数据 包进行发送和接收。通常，z i g b e e i 发备的发射功率范围为肛- + 1 0 d b m ( 1 0 m w ) ， 通信距离范围通常为1 0 m ，可扩大到约3 0 0 m p j 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物 理层。它们都基于d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直接序列扩频) ，使用 相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输 速率。9 1 5 8 6 8 m h z 频段是基于差分编码的二进制相移键控( b p s k ) 。其中，8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，只有1 个信道，传输速率为2 0 k b s ：9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段， 共有1 0 个信道，传输速率为4 0 k b s 。而2 4 g h z 频段采用1 6 相位准正交调制技术，即 首先将数据按每4 位信息比特组成一个符号数据，根据该符号数据，从1 6 个几乎正 北京交通大学硕士学位论文 交的伪随机序列( p n 序列) 中，选取其中一个序列作为传送序列，然后根据所发 送连续的数据信息，将所选出的p n 序列串接起来，并使用o ，q p s k 的调制方法，将 这些集合在一起的序列调制到载波上。在2 4 g h z 频段总共有1 6 个不同的信道为全 球统一的无需申请的i s m 频段，可提供2 5 0 k b s 的传输速率。有助于获得更高的吞 吐量、更小的通信时延和更短的工作周期从而更加省电。 m a c 层也提供了两种类型的服务，即m a c 层管理服务和数据服务。m a c 层的 具体特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连 接请求。除此之外，m a c 层为应用合适的安全机制提供了一些方法。 网络层主要用于z i g b e e 的w p a n n 的组网连接、数据管理以及网络安全等；应 用层主要n z i g b e e 技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对z i 邸e e 技术进 行开发和应用。图1 3 所示n z i g b e e 协议的组成，简单描述了所述四层之间的关系。 安 全 机 制 管理实体接几 应用层 数据实体接几 管理实体接口 网络层 数据实体接口 管理宴体接n m a c 层 数据吏体接订 管理实体接口 物理层 数据实体接口 图1 3z i g 1 e e 协议纽成 f i g 1 - 3t h ec o m p o s i n go f z i g b e ep r o t o c o l 协议规定，每一个z i g b e e n 络都有个z 6 位网络i d ，用于标示这个网络。此 外每个网络节点都有一个在本网络中难一的1 6 位网络地址，网络节点之间通过网 络i d 和各自的网络地址通信。 z i g b e e 技术中有两种类型的物理设备：全功能设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ， f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e , r f d ) 。 1 ) 全功能设备f f d 可以担任网络协调者，形成网络，让其它的f f d 或是精简功能r f d 连接，f f d 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。附带由标准指定的全部i e e e 8 0 2 1 5 4 功能和所有特征，更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。 同时也能用作终端设备。运行一个f f d 需要约3 0 k b 系统资源。 6 引言 2 ) 精简功能设备r f d r f d 只能传送信息给f f d 或从f f d 接收信息。通过附带有限的功能来控制成 本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。r f d 省掉了内存和一些电路，较低级 的处理器和小协议栈有效地降低了r f d 的成本，同时也降低了能量的消耗。运行 一个r f d 仅需要4 k b 左右的系统资源。 因此，相比于f f d 设备，r f d 设备占用更少的系统资源，更有利于系统成本 的降低。 1 3 3 煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络提出 考虑到煤矿瓦斯气体监测数据量小等特点，以及对于覆盖率、扩展性和灵活 性等方面的要求，可设计一种基于无线传感器网络的、灵活、简单、可靠的煤矿 瓦斯无线监测系统，作为对现有煤矿瓦斯有线监控系统的有益补充。将煤矿瓦斯 无线监测系统与有线监控系统相结合，构成煤矿瓦斯监控无线与综合信息系统， 一方面可在一定程度上弥补现有有线煤矿监控系统的不足，另一方面不需要对现 有监控系统做较大的改动，是解决煤矿瓦斯参数全方位、实时监测的一种可行方 法。将在较大程度上降低煤矿生产的安全隐患，保障煤矿生产的正常进行以及煤 矿工人的人身安全，并极大地提高煤矿安全监测与预警水平。 煤矿瓦斯无线监测系统作为有线监控系统的有益补充，其最主要的任务是采 集监测区域内的瓦颠数据，进行简单的处理后将数据传输到有线监控网络上。鉴 于无线传感器网络节点不固定、其能源与功能有限以及无线信道存在一定的干扰 等问题，需要为无线监测网络设计一种比较合适的网络结构，在保证其具有较低 能耗的驸提下，增强网络的连通性和可靠性，保障监控工作的i r o n 进行。 构建煤矿瓦斯监测无线传感器网络可有多种形式，如分簇式链状煤矿瓦斯监 测无线传感器网络结构，即层次型结构。但层次型结构存在数据传输路径单一、 易受破坏等问题，并且当局部监测规模较大时监测效果不理想。为此，设计了一 种基于z i g b e e 技术的煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络结构；在此种结构中，、 无线节点按功能强弱分类有4 种，分别为协调器节点、路由器节点、普通型端设 各和增强型端设备，网络结构如图1 - 4 所示。节点的功能越强，相应的功耗也就越 大。网络中采用不同功能的节点，可合理分配各类节点的数量，来兼顾网络对低 功耗和高性能的要求。 7 北京交通大学硕士学位论文 柯 线 肖 下 蚓 图1 4 网格型无线传感器网络结构 f i g i - 4 t h es t r u c t u r e o f w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k w i t h m e s h t o p o l o g y 协调器、路由器和增强型端设备都属于z i g b e e 技术中的f f d 型设备，普通型 端设备则属于z i g b e e 技术中的r f d 型设备，因此普通型端设备占用更少的系统资 源。其中，协调器节点主要负责网络的建立、维护和监测数据的汇聚，并作为网 关节点与有线监控系统相连，起到无线网络与有线网络相连接的作用，在网络中 只有一个，功耗最大；路由器负责网络扩展和数据路由，功耗次之；2 种端设备主 要负责瓦斯数据的采集和发送，功耗最小。相比于普通型端设备，增强型端设备 的功能要更多，可在一定程度上配合路由器的工作并增加网络中数据传输的灵活 性和可靠性，相应的其功耗也要比普通型端设备大。 由图卜4 可以看出，所设计的煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络所采集的瓦 斯数据可在多个方向上以多跳的方式灵活传输，传输路径不唯一。因此，在采用 网格形结构组成的煤矿瓦斯监测网络中，可以更好的降低节点位置变化或个别节 点失效对数据成功传输的影响，这可在一定程度上提高网络信息传输的可靠性， 保障监测工作的进行。 1 4 主要研究工作及论文组织 本文主要设计并实现了煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络，该网络主要对 煤矿内的瓦斯数据进行采集和监测，是对现有煤矿有线监控系统的有益补充。针 对煤矿瓦斯监测工作的具体要求，对网络的拓扑控制机制、路由机制、无线节点 按入机制以及网络的工作方式等关键技术进行了设计。并对所设计网络的工作情 况进行了测试。全文共分六章，结构安排如下： 第一章为引言，首先介绍了我国煤矿监控系统的现状和z i g b e e 协议，然后提 引言 出了煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络，并简要介绍了网络中的4 种节点类型。 第二章主要结合煤矿瓦斯监测工作的特点，设计了相应无线传感器节点的硬 件结构和软件系统。 第三章主要设计了网络的关键技术，包括拓扑控制机制、无线节点接入机制 以及路出机制。 第四章主要设计了网络的工作方式，包括周期巡检和中断唤醒两种，并设计 了网络的工作流程。 第五章记录了在走廊和煤矿两种环境下对系统进行测试的结果，并进行了分 析和对比。 第六章是结论，对全文进行了总结，并对未来的工作进行了展望。 9 北京交通人学硕士学位论文 2 煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络节点的设计 传感器网络具有很强的应用相关性，在不同应用要求下需要配套不同的网络 模型、软件系统和硬件平台。可以说传感器网络是在特定应用背景下，以一定的 网络模型规划的一组传感器节点的集合。因此，针对煤矿瓦斯监测这一具体应用 背景，为无线传感器节点设计了相匹配的硬件结构和软件系统。 2 1 硬件结构 由第l 章的内容可知，无线传感器节点的硬件结构一般由传感器模块、处理 器模块、无线通信模块和能量供应模块4 部分组成【6 】，其硬件体系结构如图2 - 1 所 示。要求节点各个组成部分的性能必须是协调和高效的，各个模块实现技术的选 择需要根掘实际的应用要求而进行权衡和取舍。此外为了进一步完善节点的功能， 同时是节点的各个部分有机的组合在一起，还要考虑相应的外围模块和节点开发 板的设计。 在煤矿瓦斯监测工作中，无线传感器网络主要布置在开采面或地形不规则的 支巷道内，随着开采面的推进和有线监控系统扩建工作的进行，需要转移无线传 感器节点的布置区域，这就要求无线传感器节点体积小重量轻，可被方便的携带 和移动，为此，在基本硬件结构基础上，针对煤矿瓦斯监测工作的特点，设计了 相应的无线传感器节点的硬件结构。 一”一。一一”。、。1。1、_一。一传感器模块处理器模块无线通信模块 一一一j 厂哪l 一一一! 传感器 单片机 一射频芯片 “一一1 。o 一一1 一o 。一。i j ：一j ：二：二：二二二二：二_ = 。l ：二二型 能量供应模块 幽2 - 1 传感器节点硬件结构示意圈 f i g 2 1t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f s e n s o rn o d e 2 1 1 传感器模块 所设计的无线传感器网络属于网络化的传感器系统，可以减少单点测量可能 造成的瞬念误差和单点环境变量激变可能造成的系统监测数据错误，从而可降低 煤矿瓦鲰监测两格型无线传感器网络节点的设计 对传感器精度的片面要求。因此对于本煤矿监测应用来说，可以选用精度较低的 瓦斯传感器作为传感器模块，这更有利于节点能耗和成本的降低。 m j c 4 3 o l 型催化元件如图2 - 2 所示，工作电压为3 0 - x 0 1 v ，工作电流为 1 2 0 a ：1 0 m a ，具有较少的能耗。该传感器根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元 件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇到瓦斯等可燃性气体时检测元件电阻升 高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件 起参比及温湿度补偿作用。基本测试电路如图2 3 所示。该传感器具有响应速度快、 元件工作稳定、可靠、测量精度高、重现性好、调校周期长和寿命长的特点。可 在温度为o 4 0 、相对湿度为4 5 - 7 5 和大气压力为8 0 11 6 k p a 的环境下工作， 因此可以适应煤矿内的环境。 图2 - 2m i c 4 3 o l 型催化元件 f i g 2 2m j c 4 3 0 l c a t a t y t i c + e l e m e n t 出 图2 - 3 基本测试电路 f i g 2 3f u n d a m e n t a lt e s t i n gc i r c u i t 出于在所设计的4 中网络节点中只有普通型和增强型端设备负责瓦斯数据的 采集，因此设计只有这2 种端设备具有传感器模块。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 2 处理器模块 处理器模块是无线传感器节点的计算核心 7 1 ，所有的设备控制、任务调度、能 量计算、功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持 下完成，所以处理器的选择在传感器节点设计中是至关重要的。 m i c r o c h i p 公司生产的p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机其体积不到6 5 m m 3 ，便于携带，如图 2 4 所示。供电电压范围2 ，0 5 5 v ，拥有6 4 k b 的| = j j 存存储器，可存储最多3 2 7 6 8 个 单字指令。其程序存储器可耐受1 0 0 0 0 0 次擦写，e e p r o m 的增强型闪存单元则可 耐受1 0 0 0 0 0 0 次擦写，在不刷新的情况下数据保存时间在4 0 年以上。p i c l 8 f 4 6 2 0 单 片机具有一个含有7 5 条p i c l 8 p q 核指令的标准指令集，和一个含有优化递归或软件 堆栈代码的8 条新指令的扩展指令集。该单片机具有运行、空闲和休眠三种功耗管 理模式，空闲模式时电流可降至2 ，5 “a ，休眠模式时电流可降至1 0 0 n a 。这些工作 模式提供了多种选择，可在资源受限的应用中节省能耗。当p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机处 于休眠或空闲模式时，可通过中断和复位两种方式退出，进入工作模式。此外， 改单片机具有增强型可寻址u s a r t 模块，支持r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信。 幽2 - 4p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机 f i g 2 - 4p i c l 8 f 4 6 2 0s i n g l e c h i p p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机具有体积小、功耗低、集成度高和成本低等特点，适用于 煤矿瓦斯监测无线传感器网络的应用，因此选用此款单片机作为传感器节点的处 理器模块。 2 1 3 无线通信模块 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，并且收发数据的功耗要比较低【8 】。 c h i p c o n 公司生产的c c 2 4 2 0 射频芯片，其工作频率为2 4 g h z ，采用直接序列 扩频方式和o q p s k 调制方式，数据速率达2 5 0 k b p s ，码片速率达2 m c h i p s ，低电 流消耗( r x ：1 9 7 4 m a ，t x ：1 7 4 m a ) ，采用2 1 3 6 v 低电压供电，抗邻频道干扰能 煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络节点的设计 力强( 3 9 d b ) 并具有高接收灵敏度( - 9 4 d b m ) ，此外支持i e e e 8 0 2 1 5 4 所规定的 帧格式生成、同步插入、1 6 b i t c r c 校验和电源检测等功能，具有集成度高、体积 小等特点【9 | - 【10 1 。 利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小、适于电池长期供电。 具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。因此，对于煤矿瓦斯监 测工作来说，可选用c c 2 4 2 0 射频芯片作为无线传感器节点的无线通信模块。 2 1 4 能量供应模块 以上3 种模块的能耗都较小，所需供电电压都在9 v 以内，不需要采用电量较 大的能量供应模块。考虑到不同的模块对电源有不同的要求，可采用两种供电模 块分别进行供电的方式。对于p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机和c c 2 4 2 0 射频芯片可统一采用 电压较高的电源作为供电模块，而对于m j c 4 3 o l 型瓦斯传感器则可采用电压较 低的供电模块。由无线传感器网络的特点可知，供电模块是上述4 种模块中更换 最为频繁的模块，可供选择的范围比较广泛，如普通干电池、蓄电池或稳压电源 等，可满足不同的应用要求。所设计的无线传感器网络中有4 种类型的节点，功 能各不相同，因此可结合每种节点的特点选择合适的供电模块。 对于协调器来说，作为无线网络与有线网络的网关节点，距离有线监控网络 距离较近，因此可以采用稳压电源的方式供电。而路由器主要负责数据路由和网 络扩展，且没有传感器模块，因此可采用普通9 v 碱性电池供电，考虑到路由器的 功能较复杂，其能耗可能较高，因此若条件允许可采用蓄电池进行供电。2 种端设 备具有传感器模块，因此要用两种能量供应模块分别供电。可采用普通9 v 碱性电 池对单片机和射频芯片进行供电，而采用电流较小的普通1 5 v 电池对瓦斯传感器 进行供电。 在煤矿瓦斯监测的应用中，工作人员可以定期的检查节点的工作情况，因此 采用电池供电的方式为无线传感器节点提供电源，其低电量的问题可通过定期更 换的方式解决，并可以保持节点体积小重量轻的特点。 2 1 5 节点开发板 选择好上述这些模块以后，还需要将它们有机地组合在一起，使无线传感器 节点可以j 下常的工作，并便于对无线传感器节点进行开发，设计采用开发板的形 式连接这些模块。 北京交通大学硕士学位论文 考虑到处理器模块和无线通信模块是传感器节点的主要部分，且一般不会更 换，因此将这两个模块组装在一个小型的开发板上，此小型开发板有两种型号i 型和i i 型，如图2 5 和图2 -