（通信与信息系统专业论文）煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实现与互联.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：我国煤矿自然条件复杂，开采条件也极端多变，现有的有线监控系统很难 对煤矿所有区域进行监测，这些都给煤矿安全生产带来极大的困难。矿井中可能 存在着瓦斯、煤尘等各种灾害，需要对煤矿环境的多种参数进行监测才能预防煤 矿事故的发生。为了对煤矿环境进行大范围多样化的信息监测，本论文设计了煤 矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实现与互联。设计了无线传感器网络 可靠的数据采集机制，利用互联的方式扩大了无线传感器网络的覆盖范围，把无 线传感器网络接入宽带的w i m a x 系统，方便了w i m a x 移动用户对无线传感器 网络的访问与管理。 在可靠的无线传感器监测网络方面，利用网格型拓扑结构部署无线传感器网 络，设计了链路质量辅助的最小跳数多路径路由机制。无线传感器监测网络结合 了周期巡检与中断两种工作方式，可以对煤矿环境进行长期的信息监测，并且对 超限参数进行中断预警以将事故消灭在萌芽状念。无线传感器网络是一个自组织、 动态的网络，- 其拓扑结构会因节点的失效动态变化，为该无线传感器监测网络设 计了简单的拓扑结构管理办法。 无线传感器网络的互联包括两个方面，一是无线传感器网络之间的互联，二 是无线传感器网络与w i m a x 系统的互联。为每个无线传感器网络i 殳计了w s n 控 制单元，多个w s n 控制单元利用j x t a 平台互联形成m e s h 例络，扩大了无线传 感器网络的覆盖范围。无线传感器网络与w i m a x 系统的互联利用w s n w i m a x 网关术实现，w s n 。w i m a x 剀火一力而负责与w i m a x 系统f l j ) j j ，、进行迎信，另 一方面通过j x t a 平台与w s n 控制单元传输消息。文中详细设计了w s n 控制单 元与w s n w i m a x 网关的实现过程及消息传输机制。 本沦文最后对煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实现与互联进行 了完整的测试。实验室环境测试了无线传感器网络网络的部署、数据采集等功能； 煤矿环境测试了数据采集及节点的通信距离等；测试结果表明网络能够实现预期 的目标，可以对各种参数进行周期性的豁测。无线传感器网络的瓦联测试了 w i m a x 用户和传感器节点之问端到端的通信过程，并对软件处理时延与j x t a 网 络的往返时延进行了测试与分析，测试结果表明了互联设计的合理性与科学性。 关键词：多参数监测；无线传感器网络；路由机制；数据采集；拓扑管理；w i m a x 系统；j x t a 平台；互联 分类号：t d 6 7 6 ；t n 9 1 5 9 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h en a t u r e a 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 ，a l s ot h ee x i s t i n gw i r e dm o n i t o r i n gs y s t e mc a l lh a r d l ym o n i t o r a l lr e g i o n so ft h ec o a lm i n ew h i c hi n c r e a s ei n s e c u r i t yo fc o a lm i n ee x p l o i t a t i o n t h e r e a r ev a r i o u sd i s a s t e r si nc o a lm i n e ，s u c ha sg a s ，c o a ld u s t i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o r i n g t h o s ep a r a m e t e r st op r e v e n tt h eo c c u r e n c eo fc o a lm i n ea c c i d e n t r e a l i z a t i o na n d i n t e r c o n n e c t i o no fw i r e l e s ss e n s o rm o n i t o r i n gn e t w o r kw i t hm e s hs t r u c t u r ea n dm u l t i p a r a m e t e r si nc o a lm i n ee n v i r o n m e n ti sd e s i g n e di nt h ep a p e r f o ri m p l e m e n t i n gl a r g e s c a l ea n dd i v e r s i f i e di n f o r m a t i o ni n c o a lm i n e f i r s t l y , r e l i a b l e d a t ac o l l e c t i n g m e c h a n i s mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sd e s i g n e d a n dt h e ni n t e r c o n n e c t i n g m u l t i w s n si su s e dt oe n l a r g ei t sc o v e r a g e a f t e rt h a t ，a c c e s s i n gm u l t i w s n st o w i m a x s y s t e mr e a l i z e sw i m a x u s e rc o n v e n i e n tv i s i t i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka s p e c t ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sd e p l o y e da sm e s h s t r u c t u r ea n dl i n kq u a l i t ya i d e dl e a s th o pm u l t i p a t hr o u t i n gm e c h a n i s mi sd e s i g n e d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o m b i n et w ow o r k i n gm o d eo fp e r i o d i cm o n i t o r i n ga n d i n t e r r u p tf o rt h ep u r p o s eo fl o n gt i m e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n ga n de a r l yw a r n i n g o v e r 1 i m i t e dp a r a m e t e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sas e l f - o r g a n i z a t i o na n dd y n a m i c n e t w o r ka n di t sn e t w o r kt o p o l o g y s t r u c t u r ev a r i e sm o m e n t a r i l y t h e r e f o r ea m a n a g e m e n tm e t h o do fn e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r ei sd e s i g n e df o rt h ew i r e l e s ss e n s o r m o n i t o r i n gn e t w o r k i n t e r c o n n e c t i o no fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kc o n t a i n st w oa s p e c t s ，o n ei s i n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a n dt h eo t h e ri si n t e r c o n n e c t i o n b e t w e e nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dw i m a xs y s t e m w s nc o n t r o lu n i ti sd e s i g n e d f o rs i n g l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，a n dt h e nw ei n t e r c o n n e c tm u l t iw s n c o n t r o lu n i t s t of o r mm e s hn e t w o r kb yj x t ap l a t f o r me n l a r g i n gt h ec o v e r a g eo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k w s n w i m a xg a t e w a yi sd e s i g n e dt oa c c e s sm u l t iw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t ow i m a xs y s t e m w s n 。w i m a xg a t e w a yi sr e s p o n s i b l ef o rc o m m u n i c a t i o nw i t h w i m a xu s e ra n de x c h a n g i n gm e s s a g ew i t hw s nc o n t r o lu n i tb yj x t ap l a t f o r m r e a l i z a t i o np r o c e s sa n dm e s s a g et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fw s nc o n t r o lu n i ta n d w s n w i m a xg a t e w a yi sd e s i g n e di nt h ep a p e r a tl a s t ，w eh a v eac o m p l e t et e s tf o rr e a l i z a t i o na n di n t e r c o n n e c t i o no fw i r e l e s s s e n s o rm o n i t o r i n gn e t w o r k w et e s tn e t w o r kd e p l o y i n ga n dd a t ac o l l e c t i n gi n v l i 北京交通大学硕士学位论文 l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t w ea l s ot e s ti n f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n dd i s t a n c eb e t w e e n s e n s o r sn o d e si nc o a lm i n e t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r kh a s a c h i e v e dt h ee x p e c t e dt a r g e tw h i c hi st h en e t w o r kc a nm o n i t o r m u l t i - p a r a m e t e ro fc o a l m i n ep e r i o d i c a l l ya n dc a nw a r nw h e nt h ed a t ao v e i t u n i nt h ei n t e r c o n n e c t i o na s p e c to f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t h ee n d - t o e n dc o m m u n i c a t i o nf r o m 、矾m a xu s e rt ow i r e l e s s s e n s o rn o d ei st e s t e d m o r e o v e r , w et e s ts o f t w a r ep r o c e s sd e l a ya n dj x t a r o u n d t r i p t i m e ( r t t ) t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i c k e y w o r d s ：m u l t ip a r a m e t e r 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 k ；r o u t i n g m e c h a n i s m ；d a t ac o l l e c t i n g ；t o p o l o g ym a n a g e m e n t ；w i m a xs y s t e m ；j x t ap l a t f o r m ； i n t e r c o n n e c t i o n c l a s s n o ：t d 6 7 6 ；t n 9 15 9 v i 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：习i 冠硎 签字日期： 扣刁年多月，e l 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：习j 虬唰 签字日期：如口了年b 月j r 导师签名： 签字f i 期：o 日 n u 锣阳 ，、秒 p 叶丫m 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。在此衷心感谢两年来杨维 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间，张德珍、牛春雷、林宇、方概等同学在我的 实验室工作中给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母及亲属，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选题的背景和意义 我国是煤炭资源最为丰富的国家之一，查明煤炭储量1 3 万亿吨，预测煤炭总 资源量为5 5 7 万亿吨。2 0 0 8 年我国煤炭产量完成2 7 1 6 亿吨，同比增加1 9 3 亿吨，同 比增长7 6 5 【1 1 。总体看来，我国煤炭工业发展的前景是很好的。同时也应该看到， 我国煤炭生产大都采用地下作业，时时会有顶板压力、瓦斯、煤尘、水、火等自 然灾害的威胁：而且由于作业条件复杂多变和管理失控等原因，还会发生机械电 气、运输提升和爆破等其他事故。煤矿一旦发生事故就会造成人员伤亡，据统计 我国煤矿产量占世界的3 l ，但是煤矿死亡人数却占了世界煤矿死亡人数的 7 9 【2 1 。造成这种情况的主要原因有以下两方面： 1 ) 煤矿自然条件复杂，与各主要产煤国家相比，中国的煤炭赋存条件较差。 主要特点是：埋藏深，煤层稳定性相对较差，地质构造复杂，水、火、瓦斯、煤 尘、顶板等自然灾害因素都比其他国家煤矿多【3 j 。 2 ) 现有的煤矿井下有线监测系统只能延伸到煤矿的巷道内，与工人生命息息 相关的采煤区的作业面仍然是一个监测盲区【4 】。而且有线监控系统本身受布线区域 的限制，当某一结点出现故障，会使局部区域失去j i l l i d l 0 能力；并蜀还存在命线复 杂、监测点和网络结构相对固定，灵活，陆不足且扩展性差，系统部：署和维护成本 高等缺点。 所以，现有的有线监测系统i 艮雉埘煤矿叫i 境进行大范的信息雌测，需要采 用先进的无线技术对其进行改造。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带柬了信息感知的一场变革。基于 z i g b e e 协议的无线传感器网络布点灵活，可根据煤矿井下实际情况析j 置、更换监 测点，弥补了有线豁测系统的缺点。 影响矿井生产的因素很多，主要有三个灾害因素：即瓦斯爆炸、水灾和井下 起火，这三个灾害中瓦斯爆炸尤为常见，并且是三灾害的首害。它的破坏作用极 大，是- 8 i 瓦斯、煤尘、大火混合型的爆炸灾害【5 】。掘进面和工作面瓦斯涌出的大 小随地理情况、煤的生成情况不同而异，情况异常复杂，规律很难找到，解决这 个问题的有效办法就是随时测出工作地点的瓦斯含量。利刚多种传感器同时监测 煤矿环境的各种参数信息，当监测到超限数据时，首先报警提醒工作人员注意， 然后对特定区域断电停止生产，避免产生瓦斯爆炸的火花，等待瓦斯随风排除后 北京交通大学硕士学位论文 再进行生产，这样就可以把事故消灭在萌芽状态。 煤矿环境结构复杂，通常只是在主巷道铺设有线电缆，支巷道空间狭小，方 向不固定，这些都给煤矿环境监控系统设计带来了困难。无线传感器网络覆盖范 围较小，而且在巷道的拐角处通信效果不好，如果能够互联多个无线传感器网络 扩大其覆盖范围，就可以对煤矿环境进行大范围多样化的信息监测。 管理人员对煤矿环境无线传感器监测网络的访问局限于本地，借助其他广域 网，如2 g 或3 g 移动网络、i n t e m e t 网络等，可以实现对无线传感器网络的远端访 问 6 1 。w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作 性) 系统有足够的带宽和速率，通过w i m a x 网络实现远端访问无线传感器网络 对w i m a x 系统的性能几乎没有影响，并且有利于向语音、数据与视频相结合的 综合监控系统发展。 1 2煤矿监控系统研究现状 目前对无线传感器网络的研究主要集中在几个方面，一是与具体应用场合相 结合的无线传感器网络的拓扑结构、路由机制及工作方式等提高网络性能方面的 研究；二是无线传感器网络的管理、控制及安全方面的研究；三是无线传感器网 络与其他网络异构融合方面的研究。 将无线传感器网络应用于煤矿监控系统具有重大的理论意义和极大的现实意 义。煤矿瓦斯监测尢线传感器网络与有线监控系统相结合应用在煤矿安全监控系 统，已经在困外的研究中取得显著的实际成果【7 】i 引，典型的煤矿瓦斯综合豁控系统 已被捉 j ，_ j 构如图1 1 所，一叫。 谷 图l l 煤矿瓦斯综合监控系统结构图 f i g 1 一lt h es t l l j c t u r eo fs y n t h e t i cs y s t e mf o rg a sm o n i t o r i n gi nc o a lm i n e 2 引言 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。在地形比较开阔的主巷道区域，架设有线光纤骨干网，对于这些较 为开阔地带的瓦斯监控采用有线监控的方式。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分站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，采用无线传感器网 络。传感器节点采集周围的瓦斯信息，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。 该煤矿瓦斯无线综合监控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。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，跟踪矿井中各地段、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。该煤矿瓦斯无线综合监控 监测系统采用有线和无线监测相结合，并且与局域网、互联网相连，可以实现本，、 地监控和远程监控。这种综合的煤矿瓦斯无线监控系统对于当前煤矿多参数监控 系统的研究具有很大的参考意义。 1 3本论文的主要研究工作 本论文设计的煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实现与互联利用 网格型无线传感器豁测网络对煤矿环境多种参数进行实时监测，能够对煤矿环境 各参数进行周期性的监测，并且针对超限参数进行预警以将煤矿瓦斯煤尘爆炸事 故消灭在萌芽状态。由于z i g b e e 协议通信距离短、覆盖范围小，论文通过互联多 个无线传感器网络扩大其监测范刚，利用w s n w i m a x 网关实现了无线传感器网 络接入w i m a x 系统，方便了w i m a x 移动用户获取无线传感器网络监测的信息。 本论文的主要研究工作贯穿了煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实现 与互联的整个过程，它们之i u j 的关系如图l 一2 所示。 3 北京交通人学硕十学位论文 图1 2 论文的主要研究工作 f i g 1 - 2m a i nw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o n 由图可知，本论文的主要工作分为两个部分，第一部分是煤矿环境网格型多 参数无线传感器监测网络的实现，包括无线传感器网络的部署、路由机制、数据 采集与无线传感器网络的管理四个部分；第二部分是多个无线传感器网络的互联 设计，主要包括两方面的内容，一是通过j x t a 平台互联w s n 控制单元实现了多个 无线传感器网络互联；二是通过w s n w i m a x 网关把多个无线传感器网络接入 w i m a x 系统实现了无线传感器网络与w i m a x 系统的互联。下面就每个部分进行 详细的介绍。 无线传感器网络 不同应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议 必然会订较人差别。可以说l 冬感器刚络足存特定应门 ，i 亍景下，以定的网络模型 规划的一组传感器节点的集合】。利用z i g b e e 技术组成的无线个域网( w p a n ) 网 络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量【1 2 】。在个w p a n 网络 中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备( f u l lf u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) ，另一种是简化功能的设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。z i g b e e 网络按照节点执行的功能把节点分为协调器，路由器和端设备，协调器和路由器 一般是f f d ，端设备町以是f f d 或r f d 。各种功能不同的节点互相配合，形成功能 齐全的无线传感器网络。 网络的部署 根据应用的需求，z i g b e e 技术支持两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和对 等的拓扑结构。根据这两种基本的网络拓扑结构演变成的网络监控系统有层次型 和网格型的无线传感器网络。文献【l3 】提出了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。分簇式链状的拓扑结构适应矿井支巷道地形狭长的 4 引言 特点，端节点和簇首节点可以采用人工的方式进行灵活的配置，同时可以根据变 化的监测需求随时增减簇的数量，进而实现对煤矿瓦斯参数的无缝监测。但是层 次型结构存在数据传输路径单一，当网络中某个簇首节点被破坏后会影响到后续 加入网络的簇节点监测数据的传输。文献【1 4 1 设计了一种网格型煤矿瓦斯监测无线 传感器网络，其网络结构如图1 3 所示。 图l 一3 网格型无线传感器网络结构 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t hm e s ht o p o l o g y 由图1 3 可见，该网格型无线传感器网络连成了张网，具有可靠性高、覆盖 区域大和扩展性强等优点。网络所采集的数据可以在多个方向上灵活传输，传输 路径不唯一，可以更好的降低节点位置变化或个别链路和传感器：1 了点失效对数据 成功传输的影响，也不会凶1 1 _ 匕引起网络的分立。这在一定程度上提高了l 叫络信息 传输的可靠性，保障了监测工作的进行。 | 大i 此本文设计的煤矿环境多参数无线传感器临洲网络采用文献 h 】设计的网格 型拓扑结构既可以使网络覆盖到很大区域，同时i j 。以保证瓦斯、温度、湿度与气 体浓度等多种煤矿环境重要参数的传输。煤矿环境网格型多参数无线传感器监测 网络中，协调器负责网络的建立和维护，控制命令的发送与监测参数的接收，并 且负责与w s n 控制单元进行通信；增强型端设备和普通型端设备接有多种传感器， 负责各种参数的采集和发送；路由器允许其他节点通过它关联到网络，负责对端 设备采集到的数据进行路山和消息转发并把端设备的数据传输给协调器。 路山机制 路由机制是无线传感器网络关键的支撑技术，路由协议负责将数据分组从源 节点通过叫络转发到目的节点，主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节 点l f i j 的优化路径，将数据分组沿着优化路径j 下确转发【l5 1 。路由成本的度量方法有 跳数、链路成本、时延、带宽等，而跳数和链路成本又是反映网络性能最主要的 因素，多路径的路由能够在很大程度上增加路由的可靠性。针对煤矿无线传感器 5 北京交通人学硕+ 学位论文 监测网络要求高可靠性的应用特点，本论文设计了链路质量辅助的最小跳数多路 径路由机制。 数据采集 无线传感器网络的基本功能是数据采集，为无线传感器网络设计了周期巡检 的工作方式以对煤矿环境进行长期的信息监测；针对超限参数设计了中断唤醒工 作方式以对煤矿环境突发事故进行预警。 用两种工作方式相结合的数据采集机制， 控制与管理 煤矿环境多参数无线传感器监测网络采 能够对煤矿环境进行长期准确的监测。 为无线传感器网络设计了无线传感器网络控制终端以对网络进行综合的管 理。无线传感器网络控制终端具有液晶显示模块和键盘控制模块，通过r s 2 3 2 接口 与协调器进行通信，可以显示无线传感器网络监测的信息并对其进行简单的管理。 无线传感器网络是自组织的网络，拓扑结构的稳定是其可靠工作的前提，而 节点状态的不可知性使得网络拓扑结构随时都有可能变化。本文设计了一种简单 的网络拓扑结构的管理机制，利用节点间的关系建立初始的拓扑结构并监测节点 的状态以及时掌握网络拓扑结构的变化。 无线传感器网络互联设计 无线传感器网络的互联包括两方面的含义，一是多个无线传感器网络之间的 互联；二是无线传感器网络与w i m a x 系统的互联。为每个无线传感器网络设计了 w s n 控制单元与它们之间的信息传输方式，实现了对煤矿环境大范围的信息监测； 利用w s n w i m a x 网关把多个无线传感器网络接入w i m a x 系统实现了异种网络 之1 1 | | j 的数据传输，方便了w i m a x 用户获取无线传感器网络的信息。 w i m a x 系统包括网管设帑、基站( b s ) 、接力站( r s ) 和用户站( s s ) 等 网络实体。基站负责w i m a x 网络与核心网络的连接，用户终端设备( t e ) 通过s s 或者r s 接入w i m a x 系统。一方面w s n w i m a x 网关能够访问并控制多个无线传感 器网络，可以直接在w s n w i m a x 网关查看无线传感器网络监测的参数信息；另 一方面w s n w i m a x 网关提供通过用户站s s 接入w i m a x 系统的功能，使用 w i m a x 移动终端的管理人员能够通过w s n w i m a x 网关获得煤矿坏境的实时数 据，重要的信息还可以直接发送到相关人员的手机上。 煤矿环境一利，可行的部署多个无线传感器豁测网络与互联设备的方法足把 w s n w i m a x 放置在矿井地面出口，井下放置w s n 控制单元并且在需要监测参数 的位置部署传感器节点。图1 4 为无线传感器监测网络与互联设计在煤矿环境的应 用示意图。 6 引言 井上井下 r $ 2 3 2r $ 2 3 2 = w s 磊n = i 忑w s n，1控制单元。! l a y e r2 。- _ w s n si n t e r c o n n e e t i o n 主巷道 一1 p f 丽制莉n 一一一w s n 一二二、二：二：二r $ 2 3 2 图1 _ 4 无线传感器监测网络与且联没计在煤矿环境的应用 f i g 1 - 4a p p l i c a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rm o n i t o r i n gn e t w o r ka n di n t e r c o n n e c t i o ni nc o a lm i n e 由图可知，煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络与互联设计分为三层 结构，第一层是w i m a x 用户，包括w s n w i m a x 网关和其他w i m a x 终端设备， w s n w i m a x 网关相当于一个普通的w i m a x 用户；第二层是多个无线传感器网 络的互联，包括w s n w i m a x 网关和多个w s n 控制咀元；第三层是无线传感器 网络，协调器根 ：| 墨命令在传感器网络内部收集监测参数，与w s n 控制单元之问通 过r s 2 3 2 串口进行数据传输。 p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 网络是一种分命式系统，可以信息共享，使用少量的带宽 从而节省计算机资源。多个传感器网络使用p 2 p 结构形成m e s h 网络【1 6 】，这样数据 在多个节点之i 日j 路由使得网络能够覆盖很大的范围。本论文多个无线传感器网络 之问的叵联基于p 2 p 网络的概念，每个无线传感器网络代表p 2 p 网络中的一个对 等体，许多对等体形成了一个p 2 p 网络。在陔p 2 p 网络巾，w s n w i m a x 网关负 责与w i m a x 系统相连，w s n 控制单元是普通的时等体。 s u n 公司推出的j x t a 平台，首要目的就是提供一个平台，在这个平台上有 p 2 p 刚络所必须的基本功能。除此之外，j x t a 还致力于解决已有p 2 p 系统的一些 问题：协同性、平台独立性与通用性【l 。j x t a 独立于编程语言、传输平台和丌发 平台，并且允许任何数字设备接入，而不仅仅局限于p c 机或者某一特定平台。本 文无线传感器网络互联采用j x t a 平台形成p 2 p 网络，对等体之问的通信采用 j x r r a 的管道。 7 北京交通人学硕士学位论文 l w s n w i m a x 网关 w s n w i m a x 网关能够访问多个无线传感器网络，并且负责把多个无线传感 器网络接入w i m a x 系统。在w i m a x 用户看来，w s n w i m a x 网关相当于一个 普通的w i m a x 用户，只是可以提供传感器监测服务。w s n w i m a x 网关负责 w i m a x 用户的w s n 控制单元之间的通信，首先需要将w i m a x 用户的数据收集 命令发送到目的传感器网络；并把传感器网络采集的数据发送到请求该数据的 w i m a x 用户。 w s n 控制单元 w s n 控制单元用于控制和管理单个无线传感器网络，负责和其他w s n 控制 单元和w s n w i m a x 网关的通信。w s n 控制单元负责与w s n w i m a x 网关和协 调器进行通信，与w s n w i m a x 网关通过j x t a 平台通信，与协调器通过r s 2 3 2 接口传输数据。众多的w s n 控制单元组成了一个m e s h 网络，使得无线传感器网 络可以覆盖到很大范围，论文主要设计w s n 控制单元之间可靠的路由与数据传输 机制。 总的来讲，本论文所设计的煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实 现与互联本着开放性、先进性、可靠性、经济性、可扩展性和实用性【1 8 】等基本原 则，井下可以方便的增加无线传感器网络，井上可以扩展接入其他网络，并且使 用有足够带宽和速率的w i m a x 系统，可以很方便的扩展为数据、语音和视频相结 合的煤矿综合监控系统。 1 4 论文的组织 本论文设计的煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实现与互联包括 两部分内容，一是网格型多参数无线传感器监测网络的设计与实现：二是无线传 感器网络之间及其与w i m a x 系统的互联。无线传感器监测网络的没计是煤矿环境 无线监测取代有线蛉测的基础，多个无线传感器网络的互联实现了大范凼的煤矿 环境监测，多个无线传感器网络接入宽带的w i m a x 系统符合煤矿环境多媒体信息 监测的发展趋势。 全文共分为五章，各章的手要内容如下： 第一章引言。主要介绍了选题背景与煤矿监控系统的研究现状以及本沦文研 究的主要内容：包括我国煤矿安全生产的现状，针对现有的有线监控系统的存在 的问题提出了改进的几个方面，即用无线取代有线，利用互联扩大范围。本论文 的主要内容是这些改进的设计与实现。 第二章无线监测节点软硬件与无线传感器网络互联平台设计。硬件设计部分 引言 包括以p i c l 8 f 4 6 2 0 为中心的母板以及以c c 2 4 2 0 为中心的r f 板，通过与多种传感器 相连形成无线监测节点；软件平台部分讲述- j z i g b e e 技术及多个无线传感器网络 互联的j x t a 平台，尤其是对j x t a 的网络组织结构进行了详细的分析。 第三章网格型多参数无线传感器监测网络设计。本文设计的多参数监测无线 传感器网络主要包括网络的建立、路由机制、数据采集机制与无线传感器网络的 管理四个方面的内容。网络的建立主要介绍了协调器建立网络、节点加入网络的 过程与对应的地址分配策略；在基于最小跳数路由协议的基础上提出了路由机制 改进算法，采用链路成本和最小跳数相结合的路由成本度量方法并且实现了多路 径的路由机制；为煤矿环境多参数信息的采集设计了周期巡检与中断两种工作方 式，针对周期巡检工作方式论述了本文设计的周期巡检时序，端节点对参数的采 集以及监测参数的融合策略；设计了基于单片机的无线传感器网络控制终端与无 线传感器网络拓扑结构的管理策略。无线传感器网络的测试包括实验室环境和煤 矿环境两个部分，实验室环境测试包括网络的部署、数据采集与管理等几个方面， 并且分析了实验结果；煤矿环境测试数据的采集和传感器节点之间的通信距离， 进一步测试了网络的性能。 第四章无线传感器网络互联设计。无线传感器网络的互联包括两个内容，一 是多个无线传感器网络之间的互联，二是多个无线传感器网络与w i m a x 系统的互 联。煤矿环境网格型多参数无线传感器监测网络的实现与互联涉及无线传感器网 络、w s n w i m a x 网关币n w s n 控制单元三个实体：第三章详细设计了网格型多参 数无线传感器l 监测网络o 第四章首先设计了多个无线传感器网络利用j x t a 平台互 联形成对等网络的过程，其中w i m a x 用户通过分层的地址模式访问无线传感器网 络，对等休之1 1 l j 利用箭道进行通信；其次详细没计了w s n w i m a x 网关和w s n 摔 制单元的实现过程。测试部分使用s o c k e t 模拟w i m a x 用户收发数据，对多个无线 传感器网络互联设计进行可行性测试与性能分析，论证了设计的合理性。 第五章结论。对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 9 北京交通人学硕士学位论文 2 无线监测节点软硬件与无线传感器网络互联平台设计 本文针对煤矿环境多参数无线传感器监测网络特定的应用背景，设计了与其 相匹配的硬件平台和软件系统。无线监测节点的硬件设计部分详细阐述了节点各 部分的功能，重点介绍了传感器与节点的连接方式；无线传感器网络的软件平台 讲述了z i g b e e 协议的基本概念；无线传感器网络互联采用j x t a 平台，详细介绍 了j x t a 协议栈结构与网络组织形式。 本章的结构安排如下：第一节论述了传感器节点的硬件结构，设计了传感器 与无线通信模块的互联进而形成无线监测节点；第二节讲述了无线传感器网络所 使用的软件平台与z i g b e e 协议的基本知识；第三节阐述了无线传感器网络互联的 j x t a 平台；第四节是对本章内容的小结。 2 1无线监测节点的硬件设计 无线监测节点由处理器模块、无线通信模块、能量供应模块和传感器模块四 部分组成，如图2 1 所示【1 9 】。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他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感 器节点进行无线通信，交换摔制消息和收发采集的数据；能量供应模块为传感器 节，i i 提供运行所需的能量，通常采用微型电池【l5 j ；传感器模块负责j l c 测区域内信 息的采集和数据转换。 传感器模块 处理器模块 无线通信模块 i ；传感器! 一a d 转换器 ； 嚣争| i 网络卜m a e 一坚零器引 一_ - 二，二i 二二一! - 。 一? 一一- ：一- ：- r - 二王二_ _ - 二。j 一一一一- 一一一一：。 能量供腑模块 斟2 - 1 无线监测1 ，点体系结构 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo faw i r e l e s sm o n i t o r i n gn o d e 无线监测常点作为一个完整的微型计算机系统，应具备低功耗、低成本、灵 活性与双向传递数拆：和控制信息等特性【2 0 】。 根据上述要求，无线监测节点的处理器模块选用美国m i c r o c h i p 公司的 p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机，具有功耗低、集成度高、体积小和成本低的特点；无线通信 模块采用c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 射频芯片，其工作频率为2 4 g h z ，具有完整的 l o 无线监删口点软硬件与无线传感器网络且联平台设汁 z i g b e e 协议栈。在实验宣可能的测试条件f t 涉及到的传感器有瓦斯传感器 m c l l 2 ，温度传感器l m 3 5 ，湿度传感器h m i 和q m - n g i 型广谱气敏传感器。此 外每个节点还包括一个7 r 发扳，具有电源接几、程序烧写r 1 、r s 2 3 2 端巾h 机p i c i8 f 4 6 2 0 与射频芯片c c 2 4 2 0 通过s p i 方式相互通信，p i c l 8 f 4 6 2 0 聚用土模 武，c c 2 4 2 0 果吲从横式节点硬件结构枷l 翠l2 - 2 昕示 2 1 i处理器模块 刚2 - 2 传感器。i i 点硬什纠构 f i 9 2 - 2h a r d w a r es r 1 1 c t u u eo f s e n s o rn o d e 处删器f 5 1 块蛆求j j j e 低，n 较帆们处州述t ! ! ：椰能山j ； i 婴人： 湍w 1 感 器节点，所以价格也要相对便宜。处理器模块作为无线传堪 | 节点的计算核心【“i ， 所有的设备控制、任务调度、能量计算、功能协i | 【j 、通信协议、数据整和数据 转储程序都将存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。p 节关重要。p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机媳型供咆咆爪为33v ，其年要资源如罔2 - 3 所示。 北京交通人学硕士学位论文 图2 - 3p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机主要资源 f i g 2 3t h em a i nr e s o u r c