试验研究煤矿监测系统无线传感器网络的设计

1、 试验研究煤矿监测系统无线传感器网络的设计 目前煤矿环境监控系统大多采纳有线和固定传感器组成的网络,由于工作面的不断推动,存在着监测盲区。无线传感器网络采纳无线通信手段,可应用于布线和电源供应困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染的区域、环境被破坏的区域或敌对区域),一些临时场合(如发生自然灾难时,固定通信网络被破坏)和一些工作地点常常变换的区域(如矿井采煤附井)等。由于无线传感器网络不需要任何固定网络的支持,具有快速绽开、抗毁性强等特点。本文争论一个适合在矿区运用的低功耗无线传感器网络的设计,主要传感器网络的网络结构、采纳的通信协议和传感器节点的设计。 1网络结构 无线传感器网络是由大量

2、的小型传感器节点组成,采纳无线数据传输方式的,用来监视物理环境和相关现象并向观看者或者处理中心报告测量结果的网络。 无线传感器网络主要有两种结构:集中式掌握结构和分布式结构。集中式结构的一般节点比较简洁,而中心节点设备简单。集中式结构的掌握也简洁,整个网络由主节点掌握根据商定好的挨次进行运作,但节点的要求比较高。而分布式结构中,依据节点数目的多少,又可分为平面结构和分层结构构建。平面结构的网络比较简洁,全部结点的地位公平,所以又可以称为对等式结构,其平面结构如图1-a所示。它的缺点是可扩充性差,每一个结点都需要知道到达其它全部结点的路由,维护这些动态变化的路由信息则需要大量的掌握消息。 在分层

3、结构中,网络可划分为多个簇。 每个簇由一个簇头(黑点)和多个簇成员(白点)组成。这些簇头形成了高一级的网络。在分层结构中,簇头结点负责簇间数据的转发,而簇成员只负责数据的采集。这大大削减了网络中路由掌握信息的数量,因此具有很好的可扩充性。分层结构中网络具有自组织性,相对来说比较敏捷,但是通信比较繁琐,掌握麻烦。设计对环境进行监测的无线传感器网络,节点之间的通信和传感数据本身并不是特别重要,而对数据进行分析,使终端用户可以猎取被监视环境的相关大事并通过肯定的算法对环境变化进行猜测才是最重要的。因此本设计采纳一种集中式的主从结构。这个结构相当于分层结构的一种改进。由于网络的自组织需要很大的开销,而

4、且简单消失泛洪等问题,所以依据本设计中需要监测的环境地点是确定的这一特点,可以通过固定一般节点ID号的方法,确定了网络的组织和连接。 2通信协议为了降低节点的设计简单度,同时加快保证通信的速度,本设计不采纳传统的网络中TCP/IP协议。 整个网络中放弃路由环节,改由主节点掌握整个网络的有序运行。考虑环境监测的目的,所以对数据的加密和网络平安协议的掌握也可以削减许多。在网络正常运行状态下,各节点都处于接收状态。由主节点每隔一段时间向各个节点发起通信恳求(掌握帧)。当一般节点接收到的掌握帧,假如信息中的地址信息和自己的ID号(一般节点事先通过拨位开关或者程序固化的方式确定自己的ID号)相同时,此节

5、点转入发送模式,将信息(数据帧)发送给主节点,而ID信息不同的节点则连续监听接收。同时,主节点在发送完掌握帧后就转入接收状态,等待响应。当其接收完一般节点的全部信息后,发送一个掌握帧给一般节点,以确定接受到信息,同时结束整个通信过程。另外,考虑到灾难猜测信息监测的特点,有些时候一般节点要求发送一些紧急信息。所以设计时考虑到可以允许一般节点发起通信。例如状况紧急时,一般节点必需将报警信息(消息帧)立刻发回主节点,以便实行相应的措施。主节点和一般节点之间通信传输的信息帧有3种格式:1为数据帧,2为掌握帧,3为消息帧。三种帧三种帧信息中,数据帧和信息帧由一般节点放射,主节点接收。而掌握帧是由主节点放射,一般节点接收。掌握帧分为4段,第一段说明使用4个bit的字节用来说明帧的类型,其次段用来表示信息发送的目的地址段,由于网络属于小型的,所以使1byte就可以了。第三段属于报警信息,使用2byte长度。第四段属于检验段。消息帧也分为4段,第一段说明使用四位用来说明帧的类型,其次段用来表示信息发送的目的地址段,第三段属于掌握信息,掌握信息的长度也事先确定了,这样可以简化通信的难度,使用2byte长度。第四段属于检验段。数据帧分为5段,第一段说明使用四位用来说明帧的类型,其次段用来表示信息发送的目的地址段,第三段属于