在礦井環(huán)境監(jiān)測" title="環(huán)境監(jiān)測">環(huán)境監(jiān)測中通常需要對礦井風(fēng)速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、硫化氫和二氧化碳等參數(shù)進行檢測。現(xiàn)有的監(jiān)控檢測系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)設(shè)通信線路，傳遞監(jiān)測信息。生產(chǎn)過程中礦井結(jié)構(gòu)在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對通信線路的延伸和維護提出了很高的要求。一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個監(jiān)測系統(tǒng)就可能癱瘓。為解決上述問題，本文提出使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進行礦井環(huán)境的監(jiān)測監(jiān)控。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行環(huán)境監(jiān)控有三個顯著的優(yōu)勢：(1)傳感器節(jié)點" title="傳感器節(jié)點">傳感器節(jié)點體積小且整個網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控環(huán)境的人為影響很??；(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量大，分布密度高，每個節(jié)點可以檢測到局部環(huán)境詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有采集數(shù)據(jù)全面，精度高的特點；(3)無線傳感器節(jié)點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進行較為復(fù)雜的監(jiān)控。傳感器節(jié)點還具有無線通信的能力，可以在節(jié)點間進行協(xié)同監(jiān)控^[1]。節(jié)點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠重新編程和重新部署，對環(huán)境變化、傳感器網(wǎng)絡(luò)自身變化以及網(wǎng)絡(luò)控制指令做出及時反應(yīng)。即使礦井結(jié)構(gòu)遭到破壞，仍能自動恢復(fù)組網(wǎng)，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的這些特點特別適用于礦井環(huán)境監(jiān)測。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu)
　　傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量的傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)。各個傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點進行逐跳傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測信息。各個節(jié)點協(xié)作完成監(jiān)測任務(wù)。
　　應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點結(jié)構(gòu)、軟硬件工作環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和定位機制都必須滿足礦井環(huán)境監(jiān)測要求。在礦井環(huán)境監(jiān)測過程中，隨機分布的傳感器節(jié)點定期地將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)(如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、風(fēng)速、井內(nèi)溫度和濕度等)發(fā)送到井外的匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點通過光纖、互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點即人工控制臺和自動控制臺。人工控制臺對數(shù)據(jù)進行分析處理，實時準確監(jiān)測井下環(huán)境指標，及時發(fā)布預(yù)警消息。
1.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　一種適用于礦井環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層為部署在礦井工作面上的傳感器節(jié)點，向上依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)和基站。根據(jù)礦井規(guī)模，基站信息還可以通過Internet連接到礦井環(huán)境監(jiān)測中心。為獲得準確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點的部署密度通常比較大，并且部署在若干個不相鄰的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)(如若干個礦井工作面)，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負責協(xié)同各個傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點信息的局部網(wǎng)絡(luò)?；矩撠熕鸭瘋鬏斁W(wǎng)絡(luò)送來的所有數(shù)據(jù)，發(fā)送到Internet，并將傳感數(shù)據(jù)的日志保存到本地數(shù)據(jù)庫中。對于大規(guī)模礦井環(huán)境集中監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器節(jié)點搜集到的數(shù)據(jù)通過Internet傳送到中心數(shù)據(jù)庫存儲。中心數(shù)據(jù)庫提供遠程數(shù)據(jù)服務(wù)，科研人員可以通過接入Internet的終端使用遠程數(shù)據(jù)服務(wù)，對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理。

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)
　　礦井環(huán)境監(jiān)測最基本的要求是及時有效地傳遞信息，發(fā)布預(yù)警消息，保證井下安全。為此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。完全的網(wǎng)狀拓撲控制要消耗傳感器節(jié)點較多能量，為了在滿足網(wǎng)絡(luò)連通的前提下，盡可能地節(jié)約能量，在礦井的每個工作面部署的大量節(jié)點中選取少數(shù)節(jié)點作為骨干網(wǎng)節(jié)點，打開其通信模塊，關(guān)閉非骨干節(jié)點的通信模塊，由骨干節(jié)點建立一個網(wǎng)狀全連通網(wǎng)絡(luò)來負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，也在很大范圍內(nèi)節(jié)約了能量。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　骨干節(jié)點需要調(diào)節(jié)非骨干節(jié)點的工作，負責數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗相對較大。通常由網(wǎng)絡(luò)自身周期性地監(jiān)測各傳感器的能量狀態(tài)，并自動更換骨干節(jié)點來均衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點能量消耗。選取所有節(jié)點中能量大于某一設(shè)定值的少數(shù)幾個節(jié)點作為骨干節(jié)點，其余節(jié)點選取離自己距離最近的骨干節(jié)點作為自己的控制節(jié)點。如果礦井工作面距離較遠，或工作面數(shù)目多，可以在每個工作面專門部署一個能量較強的節(jié)點作為該工作面骨干節(jié)點的骨干節(jié)點，完成工作面之間的信息傳輸。
2 節(jié)點的軟硬件結(jié)構(gòu)
2.1 硬件結(jié)構(gòu)
　　節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示^[1]，傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點，處理采集到的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，采用微型電池。

　　通過擴展板的方式加載一個專用的傳感器板，板上載有瓦斯?jié)舛?、濕度、風(fēng)速、一氧化碳和二氧化碳等多種傳感器，可在多種傳感器間進行選擇和切換，滿足不同的監(jiān)測任務(wù)。
　　主控制器是Atmel公司的一個8位低功耗微控制器ATMEGA128L，相對于其他通用的8位微控制器來說，它具有更加豐富的資源和極低的能耗。它具有片內(nèi)128KB的程序存儲器(Flash)，4KB的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM，可外擴到64KB）和4KB的E²PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，UART﹑SPI﹑I2C總線接口。JTAG口為開發(fā)和調(diào)試提供了方便的接口，除了正常操作模式外，它還具有6種不同等級的低能耗操作模式，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對節(jié)能的需求。無線收發(fā)器CC1000是為低電壓無線通信的應(yīng)用場合設(shè)計的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發(fā)器，通過外圍接口線路相連，完成節(jié)點硬件部分的構(gòu)造和功能。
2.2 軟件結(jié)構(gòu)
　　TinyOS是面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，它采用高效的基于事件的執(zhí)行方式，使用組件模型以實現(xiàn)高效率的模塊化、構(gòu)造組件型應(yīng)用軟件。上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號通知事件的發(fā)生，最底層的組件直接跟硬件打交道。支持多跳通信的傳感器應(yīng)用程序的組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。針對硬件電路和應(yīng)用需要，增加了外圍硬件的驅(qū)動，主要是對傳感器的控制與數(shù)據(jù)的采樣。