无线传感器网络技术在新疆煤田火区监测中的研究

蔡忠勇, 闫 述, 铁满堂

( 1.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074；2.江苏大学,江苏 镇江212000；3.新疆煤田灭火工程局，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆是中国煤炭资源的最大后备基地。由于煤质、自然条件和人为的因素，新疆煤田自燃的严重程度也为世所罕见。经过多年的治理，据最新调查，火区的面积达到906万m2，每年燃烧损失855万t煤炭资源，燃烧排放的温室气体和大量的有毒有害气体严重地污染了大气环境。如此规模的煤火问题，引起了社会的普遍关注和高度重视。从2001年开始，中德开展了“中国煤田灭火战略”技术合作项目，引进了高精度火区勘探仪器设备和技术，开发了“新疆煤田火区信息管理和监测系统”，这些都加快了新疆煤田火灾的治理进度。依据“新疆煤田灭火规划”，到2015年将治理完毕境内所有煤田火区。届时，新疆煤田火区将进入治理后的大规模监测阶段。现在，新疆煤田火区的灭火效果监测，主要是在现场以人工的方式测量观测孔内的温度和气体，但新疆煤田火区分布点多面广，传统的监测方法效率低、实时性差。为此，需开展适合大面积、远程监测的技术手段研究，具有现代意义的无线传感器网络为此提供了可能。

1 无线传感器网络系统

具有现代意义的无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)，由布置在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协调地进行实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些数据进行处理，获得详尽、准确的信息，最后传送到需要这些信息的用户。这项技术1990年代末发端于美国，而中国对这方面的研究，首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，并作为该领域提出的五个重大项目之一(当时的项目名称：重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统)，硬件节点有宁波深联(SL)科技、北京博控(BOCON)等公司的代理产品。

2 新疆煤火无线传感器网络监测系统的研发

无线传感器网络本身的特质，使其在大面积的远程监测中，有着非常广阔的应用前景。应用无线传感器网络完成对新疆煤火的自动实时和高效的监测，将是新疆煤田灭火工程局和江苏大学今后的重要研究工作。2008年10月，我们在松树头火区成功地进行了远程数据传输试验，自此新疆煤火无线传感器网络监测系统的研发工作正式启动，这项工作分三个阶段进行：

第一阶段，选定两个已治理和正在治理中的火区，搭建小规模的无线传感器网络，将地下1.5 m深度的地层温度每隔8h自动发送到灭火工程局的监测中心服务器上。根据地层温度的变化确定煤层是否复燃，或者根据温度梯度确定燃烧方向。这项工作正在进行中。

第二阶段，逐步把监测范围向地形复杂、交通不便的火区扩展，建立大规模的无线传感器网络监测系统。

第三阶段，建立遍及全疆的无线传感器网络，对已治理、正在治理、未治理及未燃煤田进行全面监测。最终，将火情信息并入中德合作开发的“新疆煤田火区信息管理和监测系统”中去。

第一阶段的研发工作由德国GTZ公司资助，主要解决如下几个问题：

(1) 无线传感器网络远程通信。现有无线传感器节点的标称通信距离一般约为100 m ，部分节点可达300～500 m，少数节点达到1 000 m左右。但是，要将监测数据传输到远至几百公里甚至几千公里的监测中心，这个通信距离是远远不够的。无线网络的远程通信，有通过卫星、通过6LowPIM协议直接接入公网(Internet网)等方式。来自卫星的信号微弱，终端所用的天线要具有足够的增益，甚至使用侍服平台，保证天线准确地跟踪卫星，这对于资源有限的无线网络节点难以做到。能够提供较强信号的中低轨道卫星通信系统，受“铱”系统等商业运作失败的影响，尚处在发展的培育期。目前，随着光纤通信和地面蜂窝移动通信的崛起，国际、国内长途通信和陆地移动通信业务已不再属于卫星通信的主要领地。由于Internet网覆盖范围还没有达到广大的面积和偏远的地区，无线网关与网络汇聚节点通信距离仅为1 000 m左右，网关节点还得放置于距离Interne网站100 m的范围内，因此该方案也不能获得真正的远程数据传输能力。全球移动通信(Global System for Mobile Communication, GSM)以及在此基础上发展起来的通用分组无线业务(General Packet Radio Service, GPRS)，按流量计费，为远程监控这种间断、突发性的和频繁的、少量的数据传输，提供了一种高效、低成本的远程通信手段。在中国，移动网络已覆盖了95%以上的地区，东南沿海和中心城市达到了100%覆盖。

(2) 无持续能量供应的节点能耗问题。无线传感器网络节点携带能量有限，新疆煤田火区所要建立的监测网络远离基础设施、无人值守，网络节点有被畜群践踏和人为损坏的危险，要求节点是掩埋式、隐蔽式的。解决节点能量有限的问题，不能采取太阳能、风能等出露地面的可持续能源供应；还由于监测面积广大，管理人员不易到达，不宜采用一般的丢弃旧点、补充新点的方法。同样的原因，还要求在网络建立后的0.5～2年的生命周期中是免维护的。这样，就对节点的能量供应、能耗、节点的休眠、唤醒机制、监测数据的可靠传输等，提出了非常严格的要求。解决能量问题，是无线传感器技术开发中重要的研究课题，传感器网络的关键技术，如网络拓扑控制、路由协议、MAC(Medium Access Control，介质访问控制)协议等，都涉及了能量控制问题。但在当前传感器网络发展阶段，这些研究都不够完善，大部分还是理论上的研究。因此，如何开发出适合新疆煤田火区具体应用情况下的节点能耗控制协议，是我们的重要研究内容。在为节点配备了高性能的蓄电池之后，通过对节点休眠、唤醒控制机制研究，达到至少在网络建成0.5年内节点电池毋须更换，在不考虑电池自然损耗的情况下，0.5～2年内毋须更换。

(3) 网络各节点同步问题研究。在无线传感器网络这样的分布式系统中，不同的节点都有自己的本地时钟。由于不同节点的晶体振荡器存在偏差，以及温度变化、电磁干扰等，即使在某个时刻所有节点都达到时间同步，但随着时间的流逝，它们的时间也会逐渐出现偏差。时间同步对无线传感器网络的协同工作非常重要，特别是在采取了一般节点定时时钟自动唤醒机制的网络中，如果节点不能在约定的时间间隔中同时处于唤醒状态，将无法执行网络节点之间的通信，也无法执行通信时序，以至网络崩溃。因此，时间同步机制是无线传感器网络系统基础框架的一个关键机制。分布式时间同步，涉及物理时间和逻辑时间两个概念。物理时间表示人类社会使用的绝对时间，逻辑时间表达事件发生的顺序关系，是相对的。分布式系统需要一个表示整个系统时间的全局时间，全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。时间同步机制在传统网络中已经得到广泛应用。但是传统时间同步机制较少考虑计算和通信的开销，没有考虑节点的能耗。现有无线传感器网络同步算法，还未能囊括所有的具体应用条件，因此需根据要求选择和设计适合火区监测网络的同步协议，使节点间通信保持正常时顺，每次节点唤醒时，都能消除前次的时间积累误差，维持网络正常运转。

(4) 节点的隐蔽与密封。在新疆火区的无线传感器网络监测中，如何使无线传感器网络节点处于较为隐蔽的状态，减少阳光、风雨、电磁干扰、人为损坏、动物践踏等对物理节点的影响和损坏，是无线传感器网络从实验室走向实际应用中需要解决的问题之一。将节点埋在地下、天线伸出地表，是隔离气候影响、防止动物践踏和人为损坏的有效方法。节点掩埋在地下，将会有雨水浸泡和湿气侵入，为此设计了隐蔽式天线和密封式的节点，并申请了实用新型专利。

(5) 节点间通信性能的改进。无线传感器节点的通信距离是在自由空间中定义的，由于隐蔽式节点掩埋在地下，天线出露地表仅10 cm，降低了天线的辐射功率，工作频率为2.45GHz天线的最大通信距离降低到50 m 左右，极端情况下的通信距离，如雨天、地面极其潮湿环境下的通信距离还缺乏保证。天线的辐射性能要进一步改善，节点的工作频率还要进一步选择优化，以便用较少的节点获得较大的网络覆盖面积，降低无线监测网成本。除网络拓扑结构中需要的冗余外，要使节点的部属与火区监测需要的采样点相一致。

(6)数据管理与观测数据分析。无线传感器网络现场采集的温度、湿度、节点位置、观测时间等信息，将从现场远程传输到新疆煤田灭火工程局监测中心永久保存，监测中心根据温度数据的阈值确定是否发出火情警报，并采取相应措施。所设计的数据管理功能，有数据存储、查询，节点地理位置、温度趋势图等。数据库的设计，今后可以和“新疆煤田火区地理信息动态管理系统”相融合。观测数据的分析，除了有赖于对煤火发火机制的了解以外，还须分辨1.5 m深度(现在的观测孔深度)采集的温度数据是否还受到地面气温的影响，或将气温影响分离出去；或重新设定温度传感器的埋深，以便得到更准确的煤层温度变化数据。

3 结 语

无线传感器网络技术在新疆煤田火区监测中的研究，已取得较大进展，并将在实际应用中发挥重要作用。在不久的未来，煤火监测主要是观测温度和气体两个指标，但目前在新疆煤火试验性的监测中，观测的是温度信息，首先解决无线传感器网络监测中的远程数据传输、网络拓扑结构、节点休眠与唤醒、节点隐蔽等问题。今后待获得体积、性能、价格等方面适合新疆煤火监测的气体传感器后，将增加气体观测功能，使煤火监测的信息更为全面。