在礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)" title="環(huán)境監(jiān)測(cè)">環(huán)境監(jiān)測(cè)中通常需要對(duì)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(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)有的監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)設(shè)通信線路，傳遞監(jiān)測(cè)信息。生產(chǎn)過(guò)程中礦井結(jié)構(gòu)在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對(duì)通信線路的延伸和維護(hù)提出了很高的要求。一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可能癱瘓。為解決上述問(wèn)題，本文提出使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行礦井環(huán)境的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控有三個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：(1)傳感器節(jié)點(diǎn)" title="傳感器節(jié)點(diǎn)">傳感器節(jié)點(diǎn)體積小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)控環(huán)境的人為影響很??；(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)到局部環(huán)境詳細(xì)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(diǎn)；(3)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有一定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的監(jiān)控。傳感器節(jié)點(diǎn)還具有無(wú)線通信的能力，可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控^[1]。節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和無(wú)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(duì)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(shí)反應(yīng)。即使礦井結(jié)構(gòu)遭到破壞，仍能自動(dòng)恢復(fù)組網(wǎng)，傳遞信息，為礦難救助等提供重要信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的這些特點(diǎn)特別適用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)。
1 無(wú)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(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐跳傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)信息。各個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。
　　應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、軟硬件工作環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和定位機(jī)制都必須滿(mǎn)足礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。在礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)定期地將監(jiān)測(cè)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(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)光纖、互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)即人工控制臺(tái)和自動(dòng)控制臺(tái)。人工控制臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)井下環(huán)境指標(biāo)，及時(shí)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(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個(gè)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(diǎn)，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(guò)Internet連接到礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)中心。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度通常比較大，并且部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)(如若干個(gè)礦井工作面)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)?；矩?fù)責(zé)搜集傳輸網(wǎng)絡(luò)送來(lái)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?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)于大規(guī)模礦井環(huán)境集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)搜集到的數(shù)據(jù)通過(guò)Internet傳送到中心數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。中心數(shù)據(jù)庫(kù)提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)，科研人員可以通過(guò)接入Internet的終端使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)最基本的要求是及時(shí)有效地傳遞信息，發(fā)布預(yù)警消息，保證井下安全。為此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。完全的網(wǎng)狀拓?fù)淇刂埔膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)較多能量，為了在滿(mǎn)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(gè)工作面部署的大量節(jié)點(diǎn)中選取少數(shù)節(jié)點(diǎn)作為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)其通信模塊，關(guān)閉非骨干節(jié)點(diǎn)的通信模塊，由骨干節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)網(wǎng)狀全連通網(wǎng)絡(luò)來(lái)負(fù)責(zé)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　骨干節(jié)點(diǎn)需要調(diào)節(jié)非骨干節(jié)點(diǎn)的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗相對(duì)較大。通常由網(wǎng)絡(luò)自身周期性地監(jiān)測(cè)各傳感器的能量狀態(tài)，并自動(dòng)更換骨干節(jié)點(diǎn)來(lái)均衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量消耗。選取所有節(jié)點(diǎn)中能量大于某一設(shè)定值的少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)作為骨干節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)選取離自己距離最近的骨干節(jié)點(diǎn)作為自己的控制節(jié)點(diǎn)。如果礦井工作面距離較遠(yuǎn)，或工作面數(shù)目多，可以在每個(gè)工作面專(zhuān)門(mén)部署一個(gè)能量較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)作為該工作面骨干節(jié)點(diǎn)的骨干節(jié)點(diǎn)，完成工作面之間的信息傳輸。
2 節(jié)點(diǎn)的軟硬件結(jié)構(gòu)
2.1 硬件結(jié)構(gòu)
　　節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示^[1]，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，處理采集到的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)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(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，采用微型電池。

　　通過(guò)擴(kuò)展板的方式加載一個(gè)專(zhuān)用的傳感器板，板上載有瓦斯?jié)舛取穸?、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(jìn)行選擇和切換，滿(mǎn)足不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)。
　　主控制器是Atmel公司的一個(gè)8位低功耗微控制器ATMEGA128L，相對(duì)于其他通用的8位微控制器來(lái)說(shuō)，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(chǔ)器(Flash)，4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM，可外擴(kuò)到64KB）和4KB的E²PROM。此外，它還有8個(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器，UART﹑SPI﹑I2C總線接口。JTAG口為開(kāi)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(jí)的低能耗操作模式，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)能的需求。無(wú)線收發(fā)器CC1000是為低電壓無(wú)線通信的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發(fā)器，通過(guò)外圍接口線路相連，完成節(jié)點(diǎn)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(shí)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(duì)下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號(hào)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(duì)硬件電路和應(yīng)用需要，增加了外圍硬件的驅(qū)動(dòng)，主要是對(duì)傳感器的控制與數(shù)據(jù)的采樣。