基于矿井的无线传感器网络自适应MAC协议的设计与研究.doc

基于矿井的无线传感器网络自适应MAC协议的设计与研究 全日制硕士学位论文申请人姓名李俊霞指导教师张长森学位类别工学硕士专业名称通信与信息系统研究方向现代通信技术河南理工大学计算机科学与技术学院二一三年六月基于矿井的无线传感器网络自适应C MAC协议的设计与研究学河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文基于矿井的无线传感器网络自适应MAC协议的设计与研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名:年年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名导师签名年月日年月日日TD655密级公开UDC39单位代码10460基于矿井的无线传感器网络自适应MAC协议的设计与研究Design andResearch ofSelf-Adaptive MAC protocol forWireless SensorNetwork Usedfor Mine申请人姓名李俊霞学位类别工学硕士专业名称通信与信息系统研究方向现代通信技术导师张长森职称教授提交日期xx.044答辩日期xx.06河南理工大学致谢硕士三年，感触颇深！我的经历与现在很多同学不同，读书工作成家再读书是我的经历。 工作了那么久，又一次作为学生去教室上课，感觉真的很好，仿佛是又回到了美好的学生时代。 虽然工作、家庭、学习三方面都要照顾，有些辛苦，但还是发自内心的珍惜现在的读书机会。 非常感谢在这期间关心、帮助、和指导过我的老师、同学以及身边的好朋友！尤其要感谢我的导师张长森老师，张老师在学术上见解独到、治学严谨、感知敏锐、思维开阔，工作兢兢业业，认真细致，让我受益匪浅！张老师在我们研一确认导师以后，就给我们确定了设计题目，让我们在以后的学习中有目标可循。 每周的汇报制度对我们的学习也起了非常好的督促作用。 在汇报过程中，他总是能从我们的只言片语中指出我们的不足，给我们很好的启发。 在此，特向张老师表示衷心的感谢！对于在论文写作过程中给予帮助的同学，我在此深表谢意！最后，我要感谢我的家人和朋友，感谢他们对我的关心和支持，感谢他们为我的物质生活作出的无私奉献和浓浓亲情。 I摘要我国是一个产煤大国、用煤大国，与西方发达国家相比，我国采矿安全状况不容乐观。 每年发生的突发事故和伤亡人数都不在少数，煤矿安全也一直是人们和政府关注的重点。 矿井环境复杂，地理条件特殊，把具有快速展开、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点的无线传感网络（WSN）用于矿井监控和信息传输就成为了学术界关注的新热点。 针对将WSN网络用于矿井的问题，展开的研究已经取得一部分成果，但都没有将WSN网络与应急救灾通信联系起来。 从WSN网络MAC协议目前研究成果来看，这些MAC协议都不是针对这种应用环境设计的。 针对这种情况，本文选定以下两方面研究内容 一、构建基于Ether和WSN的矿井监控与应急通信网络。 这种矿井监控与应急通信网络有两种工作模式正常生产时，以工业以太网为井下信息传输主干网，以无线传感器网络为辅助通信网络，实现矿井信息可靠传输（这里的矿井信息包括环境参数的检测，井下人员的定位信息，设备的检测）；当发生矿难或有线通信网络中断时，由带有两种接口的网关节点唤醒WSN网络，快速形成EtherWSNEther体系结构，自动构建矿井应急救援通信系统，优先传送人员定位信息，实现地面与井下通信，提高救援效率。 二、针对这种特殊应用环境，设计一种自适应、高效、扩展性强的无线传感网络MAC层协议。 采取在不同工作模式下，根据数据类型动态调整竞争机制，以实现两种工作模式自动切换。 根据这种机制，在正常工作模式下，语音数据优先级最低；应急救灾工作模式下，语音数据最先得到传递；采用由SINK节点充当簇头，周期性发布同步信息（SYNC）的机制，实现网络内节点统一调度，以减少控制信息、降低节点能耗和数据传输延迟。 并在OMNET仿真环境下实现自适应MAC协议，通过分析网络端到端延时、网络生存期、网络吞吐量性能参数仿真结果可知，与S-MAC协议相比，自适应MAC协议在这些方面都有不同程度的提高，设计的自适应MAC协议达到了设计目标。 1999年，河南平顶山韩庄矿务局二矿“8.24”特大瓦斯煤尘爆炸，死亡55人，重伤5人；2000年，徐州大黄山矿“1.11”透水事故，死亡20人；xx年，吉林某矿冒顶透水，死亡21人；江苏某矿井下爆炸，死亡92人煤矿井下环境复杂，工序多，作业点分散人员流动性大，突发事故多，如何提高煤矿生产安全性一直是人们关注的焦点。 同时，国家对煤矿安全的重视也可从政策上窥见一斑，在xx年8月9日，发布的关于所有煤矿必须立即安装和完善井下通讯、压风、防尘供水系统的紧急通知中，为完善煤矿通讯、压风、防尘供水系统提供了详细的标准。 xx年8月26日，国家安全生产监督总局下发了177号安监总管文件，在文件中对于非煤矿山信息管理系统应具有的功能提出了明确要求。 建设一套既能满足平时矿井通信、监测功能，在突发性的事件发生时又能发挥应急通信功能的系统，是矿山企业所急需的。 当前，无线传感网络技术是国际学术界和产业界共同关注的前沿研究热点，国内外的研究工作者对无线传感网络技术在矿井安全监控中的应用也开展了大量的研究工作。 目前，国内外已投入使用的井下安全监控无线传感与通信系统主要集中在以下几个方面对人员和设备位置的监控，应急救灾通信，调度和通信。 但是现有的矿井监控系统（包括基于RFID思想的移动目标监控和基于微小区概念的移动通信系统），在实际应用中仍存在以下问题在矿难发生后，以有线网络为骨干网的通信系统一旦中断，所具备的定位、跟踪与通信的功能就会失效，受困人员无法与指挥中心取得联系。 而且现有的应急救援通信系统信息传输范围仅限于地面指挥中心井下指挥中心救援队员之间，并没有包括最需要通信的被困人员。 他们和外界沟通渠道中断，外界无法快速得知他们的具体位置和所处环境状况，给救援带来很大困难。 在采掘工作面上，监控系统功能单一，不能全面检测环境参数；并且采掘工作面的瓦斯传感器布设经常跟不上掘进速度，造成了大量的监测死角和安全隐患。 如果能构建一个无线传感河南理工大学硕士学位论文2网络，平时作为人员信息监测、环境参数、设备监测的辅助网络；当有线网络中断时，唤醒局部WSN网络，形成Ether-WSN-Ether的信息传输通路，就可以很大程度提高应急通信的可靠度，大大降低在突发事件发生时人员的伤亡。 构建这种矿用监控与通信的信息传输网络是本文的研究内容之一。 从已有的WSN网络MAC协议看，这些MAC层协议都不是针对这种应急通信网络系统，和针对矿井下环境复杂，监测数据多，动态性强的特点设计的，那么设计一种自适应、高效、扩展性强的MAC协议是非常必要的。 这也正是本文的另一个研究内容。 1.2无线传感器网络研究现状最初，对无线传感器网络的研究源自军事应用需求，随着WSN网络优势日益凸显，WSN网络被广泛的应用到各个领域。 1.2.1国外WSN研究现状从21世纪开始，无线传感器网络引起了各国军事部门、工业界和学术界的极大关注，美国及其他发达国家相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划，其标志性的研究计划和成果主要有以下几项12SensorIT计划此计划由DARPA在1998年发起，研究内容涵盖两方面一是构建反应式网络系统以满足，在战场高度动态环境下，快速进行任务分配和查询的需求；二是研究无线传感器网络协作信息处理技术以充分发挥WSN网络的信息收集的优势。 WINS计划该计划仍由美国资助，起止时间19931999，研究内容涉及到各个方面包括传感器节点结构的设计，网络协议设计和监测理论的研究。 SMART DUST计划1999xx年，由DARPA/MTO MEMS资助，由加州大学伯克利分校UCB承担；结合MEMS技术和集成电路技术，主要研究使用太阳能供电，以光为通信介质，体积不超过1立方毫米的自治传感器节点。 Sea Web计划1999xx年由美国空间和海上作战系统中心承担；水声通信的特殊应用环境给通信协议的设计带来很大困难，该项目研究内容是应用于水声通信特殊应用环境的WSN组网技术。 AMPS计划19961999年，由美国麻省理工学院承担，研究内容包括设计一个具有低能耗、自组网、可以重构特点的无线传感器网络；设计出了低功耗的AMPS- 1、AMPS-2系列传感器节点；并提出了一种异构网络的协议LEACH协议。 1绪论3PicoRadio计划1999xx年，仍然是加州大学伯克利分校承担的计划，主要研究内容是设计中等规模的一种专用无线网络，网络由成本低廉，低功耗的传感器节点组成。 设计的专用无线网络采用的关键技术有在物理层采用直接序列扩频技术，在MAC层采用载波监听多路访问技术（CSMA）。 CitySense计划xxxx年由美国哈弗大学和BBN承担，主要的研究内容是用网络监控城市的天气和环境污染，目标是打造世界上第一个能够在整个城市范围内实时传送传感器数据的无线网络。 由美国资助发起的标志性计划除以上的还有，加州大学伯克利分校UCB承担的NEST计划，和惠普公司承担的“地球中枢系统”计划。 由欧盟资助发起的计划有EYES计划、ARTEMIS计划、第七框架计划ICTxxxx年工作计划。 除了以上所说的标志性计划研究成果以外，国外关于无线传感器网络的研究还取得了其他方面的进展。 如美陆军的“灵巧传感器网络通信”计划、“无人值守地面传感器群”“战场环境监视系统”等；非军事方面的，如xx年英特尔公司伯克利研究实验室和加州大学伯克利分校合作将第二代传感器网络布设于缅因州大鸭岛上，实现对野生动物及栖居地无入侵式及无破坏式的环境监测。 1.2.2国内WSN网络研究现状虽然无线传感器网络的研究最初是针对军事需求提出的，但随着研究的深入，无线传感器网络的优势和价值日益显著，时至今日，除军事应用以外，无线传感器网络的应用已经扩展到环境、卫生、医疗保健、空间探索、目标追踪、入侵检测、气候监测、灾难救援和商业贸易等等各个方面我国也十分重视无线传感器网络的产业的研究及发展，主要的无线传感器网络研究项成果和计划有在基础研究方面，提出了一系列的算法、体系，特别是随即布设传感网、MESH传感网、残缺受限分布式任务分配、传感网盲源分离、协同融合、目标跟踪、目标定位等；在重要传感器方面，自主开发MEMS振动传感器、MEMS声响传感器、MEMS红外传感器，光纤传感器，声阵列传感器，形成了以MEMS传感器为主、复合多信息探测的小型化传感器系列。 在专业网络研究方面，已经实现了各种无线传感网络和公共网络、卫星网络的加密互联。 自xx年到xx年，国家自然科学基金资助无线传感网络研究的项目数量和资助金额呈逐年大幅度提升的趋势。 xx年发布的河南理工大学硕士学位论文4国家中长期科学和技术发展规划纲要(xx-2020)将传感器网络与智能信息处理和自组织网络技术作为信息技术的前沿方向。 xx年启动了国家自然科学基金项目“月球探测系统的建模、传感、导航和控制基础理论及关键技术研究”，同年，由香港科技大学倪明选教授主持的国家973项目“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”项目启动，宁波中科开发了GAINS系列节点。 我国众多的高校和研究机构都投入了大量的人力和财力开展无线传感网络的研究，也都取得了不同层次的研究成果。 在煤矿应用方面，Pradeep K.Mohanty和Moise Ndoh提出在煤矿井下大巷中利用无线传感网络实现煤矿工人的跟踪定位及井下环境监测3。 “基于GI和WSN的矿山井下定位与应急联动系统”，是由中国科技大学承担，由国家发展改革委员会资助的研究项目，该项目的研究内容主要是，将WSN网络用于实现对井下人员的实时定位，并与自然灾害预警系统相关联，提高矿山应急能力。 “煤矿瓦斯传感技术和预警信息系统基础理论与关键技术研究”，是xx年由国家自然科学基金重点资助，该项目的研究内容是，将现有的有线煤矿安全监控系统与WSN网络相结合，形成一个新的监控、信息传输平台，完成对井下自然环境参数的采集、处理和传输的功能。 无线传感器网络在新一代网络中扮演着具有关键性，甚至决定性的角色，作为一种新的信息获取、计算模式，推动科技发展和社会进步，目前已成为国际竞争的焦点和制高点，甚至关系到国家政治经济社会安全。 发展具有自主知识产权的无线传感网络技术，对我国的可持续发展、生态环境和水资源监测、提高煤矿安全、改善井下作业环境等方面都有着重大意义4。 1.3研究内容及论文结构1.3.1研究内容本文研究内容有两方面，一是构建基于Ether和WSN的矿井监控与应急通信网络。 这种网络有两种工作模式正常生产时，以工业以太网为井下信息传输主干网，以无线传感器网络为辅助网络，实现矿井信息的可靠传输（这里的矿井信息包括环境参数的检测，井下人员的定位信息，设备的检测）。 如果发生矿难或有线网络通信中断，WSN网络要快速形成EtherWSNEther体系结构，自动构建矿井应急救援通信系统，优先传送人员定位信息，实现地面与井下的通信联络，提高救援效率。 第二个研究的内容就是为应用于这种特定条件下的无线传感网络设计一种自适1绪论5应、高效、扩展性强的MAC层协议。 根据以上特定应用环境，所设计的MAC协议要满足以下要求1）自适应性和能量有效性。 这里应用的WSN网络和一般无线传感网络不同，WSN网络分为正常工作模式和应急救灾通信模式。 正常工作模式下，WSN作为环境参数、设备检测、人员定位信息的辅助监控网络；当有线通信网络中断时，无线传感器网络要通过无线接入点快速构成无线链路确保信号传输，实现应急救灾通信模式。 这就要求所设计的MAC协议要具有自适应性，可以及时地在这两种工作模式之间切换。 同时，因为是救灾通信模式所以要保证通信的连通性，这就要求设计的MAC协议一定要注重能效性。 2）扩展性要好。 目前所用的采矿工作面的环境参数监控系统有两个缺点其一，功能单一；其二，采矿工作面随时间一直变化，而目前的环境参数监控系统跟不上这种变化。 因为WSN网络节点具有放置灵活，可以自组织等优点，可以把WSN网络用于工作面完成环境参数、设备参数的检测，以及人员信息的采集。 这就要求所设计的MAC协议要有较强的网络扩展性，跟得上网络节点的快速变化。 3）对不同类型数据优先级的处理。 当两种工作模式转换时，要考虑数据传输的优先级问题。 应急救灾通信模式时，本来优先级最低的语音信号，这时就要优先传递。 1.3.2论文结构论文共分六章内容第一章，主要内容包括本课题的研究背景和研究意义；概括了国内外WSN网络研究现状，及在煤矿开采上的应用研究现状；介绍了本文研究的主要内容和论文结构。 第二章，主要内容介绍了现有的矿用信息传输、监控网络的使用现状，并总结了现有矿用信息传输、监控系统的缺点；结合矿井的特殊应用环境，在现有的以太网基础上，设计了一种基于WSN网络的矿井监控与应急通信系统；用在这里的WSN网络有两种工作模式，正常工作模式和应急救援工作模式。 第三章，简单介绍了WSN网络MAC协议设计的一些问题，包括MAC协议的分类，设计目标；详细分析了几种典型的WSN网络MAC协议，包括所采用的机制和各自的优河南理工大学硕士学位论文6缺点；并对现有的WSN网络的MAC协议做了分析总结，指出现有的MAC协议并不适用在第二章中的特殊应用环境。 第四章，针对第二章设计的矿井监控与通信系统，设计了一种自适应MAC协议。 主要内容有自适应MAC协议的前提条件、设计思路、所采用的机制、帧结构。 本协议以竞争方式接入信道，采用统一调度机制，由SINK节点统一发送调度信息，以减少控制信息，降低能耗。 设计了带有优先级的数据帧，并根据数据优先级的不同，动态改变竞争机制以达到不同工作模式的切换，减小时延。 第五章，在Om仿真环境下，针对两种网络拓扑，对设计的自适应MAC协议进行了仿真。 得出网络生命周期，端到端的时延，网络吞吐量性能参数的仿真结果，并将仿真结果，与S-MAC协议进行比较分析。 第六章，对所做工作进行总结概括，并指出不足之处及以后工作计划。 1.4小结本章简单介绍了本课题的研究背景，以及本课题所做工作的意义；分析总结了无线传感器网络国内外研究现状；并给出了本文主要研究内容及论文结构安排。 2基于Ether和WSN的矿井信息传输体系架构72基于Ether和WSN的矿井监控与应急通信网络设计煤矿井下生产工序多，作业点分散，人员流动性大，工作环境恶劣。 尽管井下安全监控与通信系统的应用已经比较普及，在保障煤矿安全生产中发挥着重要作用，但仍存在以下问题迫切需要解决井下监控点数量有限，重点区域存在大量监控死角；传感器接入不灵活、无法实现快速跟进。 目前煤矿安全监控系统主要以有线方式实现参数监测与信息传输，一旦有线网络发生故障或遭到破坏，整个系统完全瘫痪，影响矿井安全生产，发生矿难时也无法马上实施井下人员的定位和搜救。 因此，设计一种结构灵活、适应性强、信息传输可靠的煤矿井下安全监控系统，对于更好的实现矿井监测、救灾通信显得极为重要。 而无线传感网络（wirelesssensorworks，WSN）具有快速展开、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，完全可以做为井下无线通信网络的理想选择。 因此，将无线传感器网络技术引入井下煤矿安全监控系统，实现移动目标（人员、机车等）的定位、跟踪和通信，以及环境参数的移动检测，全面提升矿井安全生产效率和防灾、抗灾、救灾能力，是当前煤矿安全生产一项十分重要的课题，具有非常重要的现实意义。 本章的主要内容就是针对煤矿井下的特殊环境及应用要求，对如何架构基于Ether和WSN的矿井监控与应急通信网络展开讨论。 2.1矿井安全监控、通信系统概述2.1.1矿井安全监控与通信的工业现状20世纪60年代，国外开始研制矿井监控系统，世界主要产煤国（如前苏联、德国、波兰、英国、美国等）从60年代开始，不断地把各种监测、监控新技术应用到矿井安全生产上。 当前，无线传感网络技术是国际学术界和产业界共同关注的前沿研究热点，国内外的研究工作者对无线传感技术在煤矿井下安全监控中的应用也开展了大量的研究工作。 例如，美国早在20世纪七八十年代就对电磁波在井下巷道中的传输特性进行了大量的研究，并取得了一定的成果。 国内近年来在该领域的研究也颇为活跃。 总体上讲目前国内外的研究工作者已经探索了多种井下无线通信技术应用的可能性，并成功研发了一些井下无线通信系统。 但是，由于井下生产环境复杂，无线电信号在巷道内传播时，易受到巷道弯曲、分支、井下支护等多种因素的影响，难以实现远距离传输，目前，国内外已投入使用的井下安全监控无线传感与通信系统主要集河南理工大学硕士学位论文8中在以下几个方面 1、对人员和设备位置的监控。 北京美达嘉润数码安全技术有限公司引进的L3系统、美国安菲斯公司研制的T/T井下人员跟踪系统，以及南京北路自动化系统有限公司生产的KJ222(A)煤矿人员管理系统1等就属于这类系统。 这种系统仍然以现有的工业以太网或现场总线为基础，采用射频识别（Radio FrequencyIdentification，RFID）技术或者借鉴RFID的思想来实现。 在矿井内以一定间隔布置固定的射频接口设备，一旦矿井人员进入到射频接口的通信范围内，射频接口设备就通过矿井人员身上佩戴的射频发射器发射的无线信息，获取移动目标的ID代码，并将该信息通过有线信息传输平台传送至地面监控中心，实现对井下人员的定位和跟踪。 2、应急救灾通信。 目前抢险救灾通信设备有有线、无线和自适应的应急救灾通信设备等种类。 北京中西集团生产的TK4-KTW2型矿用救灾无线电通信系统5、河南中煤电气有限公司生产的PED井下无线急救通讯系统6等。 就属于无线救灾应急通信设备，该系统由井上指挥中心、井下指挥中心井下临时基站、便携机组成，井上指挥中心、井下无线基站之间的通信采用有线方式连接，井上、井下指挥中心之间的话音信号通过两芯电缆传送，井下无线基站与便携的无线信号设备之间的语音信号以无线形式实现传输。 这样就实现了井下人员与井上指挥中心的通信。 3、调度和通信。 将地面蜂窝移动通信技术移植到煤矿井下，将井下巷道划分成各个小的通信区域，利用双工无线电通信系统进行移动语音通信。 例如，北京达因瑞康科技有限责任公司的KTL109矿用多信道无线调度通讯系统7、英国DAC公司的紧急报警通信系统、波兰EMAG广播通信系统等。 2.1.2现有矿井监控系统存在的问题目前，现有的矿井监控系统为无线通信技术在井下的应用奠定了良好的基础，但在实际应用中仍存在以下问题 1、所有以有线网络为骨干网的通信系统（包括基于RFID思想的移动目标监控和基于微小区概念的移动通信系统），在矿难发生后一旦有线网络通信中断，定位、跟2基于Ether和WSN的矿井信息传输体系架构9踪与通信的功能失效，受困人员无法与指挥中心取得联系。 而在矿难中井下人员的定位和搜救是最为迫切的任务，救援队如果能够在尽可能短的时间内找到被困人员、与他们进行通信联络、了解井下环境状况，将极大提高救援效率，挽救被困矿工的生命。 2、应急救援通信系统仅在地面指挥中心井下指挥中心救援队员之间展开，没有包括最需要通信的被困人员，他们无法和外界沟通，外界也无法得知他们的具体位置和所处环境状况。 3、系统功能单一，采掘工作面的瓦斯传感器布设经常跟不上掘进速度，造成了大量的监测死角和安全隐患。 2.1.3WSN应用于矿山的研究现状在煤矿应用方面，Pradeep K.Mohanty和Moise Ndoh提出在煤矿井下大巷中利用无线传感网络实现煤矿工人的跟踪定位及井下环境监测3。 “基于GI和WSN的矿山井下定位与应急联动系统”，是由中国科技大学承担，由国家发展改革委员会资助的研究项目，该项目的研究内容主要是，将WSN网络用于实现对井下人员的实时定位，并与自然灾害预警系统相关联，提高矿山应急能力。 “煤矿瓦斯传感技术和预警信息系统基础理论与关键技术研究”，是xx年由国家自然科学基金重点资助，该项目的研究内容是，通过WSN网络与现有的有线煤矿安全监控系统相结合，实现井下自然环境参数的采集、处理和传输。 文献8提出了一种矿井巷道层次型无线传感器网络。 这种网络由多个簇依次相联而构成，每个簇包含一个簇首和多个端节点。 但该思想没有考虑与现有监控系统的结合问题，也没考虑应急通信问题。 文献9分析了煤矿井下无线传感网络通信技术面临的问题，对无线传感网络的通信协议提出了修改建议，为提高网络效率和可靠性，提出了跨层管理协议的设计方法。 文献10介绍了基于嵌入式微处理器S3C4510B和嵌入式操作系统VxWorks实现矿井无线传感器网络接入网关的关键技术和具体方法。 如，文献11提出了一种基于GPRS和Zigbee协议的无线传感器网络综合监控系统的设计方案；文献12中提出基于无线传感器网络技术的煤矿视频监控系统的想法；文献13中提出了一种基于无线传感器网络和嵌入式平台的监测预警系统的设想；文献14中提出了利用无线传感器网络进行矿井环境探测的设想；文献15中提出利用无线传感器网络结合CAN总线通信技术，实现对井下环境及生产参数的实时监测和智能预警；文献16中河南理工大学硕士学位论文10应用Adhoc技术设计了矿井无线传感器网络系统；文献17提出了一种基于IEEE802.15.4传输协议的无线传感器网络技术的瓦斯浓度监测系统。 这些研究成果对如何使用WSN技术改造煤矿现有系统进行了有益的探索，但这些文献都没有考虑将WSN监测功能与应急通信功能统一起来作为一个应急通信系统进行规划和设计。 矿井巷道呈带状分布、环境复杂、事件具有突发性，如何避免因为矿难等不可预测事件造成网络通信中断，井下通信系统仍能够提供可靠的应急通信服务，这是一个迫切需要解决的技术难题。 所以考虑到无线传感器网络具有放置灵活、扩展简便、移动性强和自组织等特点，将现有的工业以太网有线通信网络的基础上，融合WSN，架构一种矿井监控与应急通信网络很有研究的必要。 2.2基于Ether和WSN的矿井监控与应急通信网络体系设计目前矿山所用的通信、监控系统，多数采用工业以太网或现场总线有线网络，并且在煤矿生产中也发挥了很大作用。 但有线网络仅能在比较宽阔的区域布设，支巷道空间狭小，方向不固定，有线布设很困难。 另外，在煤矿井下，特别是分支通信所在的场所空间都比较狭小，条件较差，人员及运输工具的通行常会造成传输电缆损坏或者扯断，导致有线通信中断。 而无线传感器网络具有节点放置灵活、无线自组网、可以应对目标移动性强的特点。 因此，研究如何将无线传感网络与现有的有线网络融合实现环境监测、救灾通信的功能具有实际的意义。 2.2.1应用需求分析地理环境特殊煤矿井下地理环境与地面环境有很大不同，大致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。 主巷道区域地形比较开阔，支巷道空间狭小，方向不固定，总体来讲在巷道内，区域呈现带状；煤矿工作面隧道是有限空间，相对来讲呈平面状；虽然环境复杂但是人员都可以近距离的安装设备。 需求比较特殊 1、环境参数具有突变、不可预测性。 矿井自然灾害主要会发生在以下几个方面顶板冒落，自然发火、气体灾害、火灾、透水等。 造成重大灾害的主要原因有三个瓦斯爆炸、突水和井下起火，这三个灾害中尤其是瓦斯爆炸最常见，且其危害性是三大自然灾害的首害。 它的破坏作用极2基于Ether和WSN的矿井信息传输体系架构11大，如果是瓦斯、煤尘、大火混合型的爆炸则灾害性更大。