面向矿井安全监测的无线传感器网络设计

李丰杰 徐守志 徐 波

（三峡大学 计算机与信息学院，湖北 宜昌 443002）

目前，矿井安全监测系统主要以有线方式实现参数监测与信息传输任务，存在布线复杂，网络结构相对固定，不能满足掘进工作面延伸的动态变化要求，通信线路容易损坏，维护成本高等一系列问题［1］.现有的有线监测系统大部分均通过CAN总线的方式实现矿井下的安全监测［2］.随着传感技术、MEMS技术、无线通信技术、分布式信息处理技术的发展，无线传感器网络快速部署、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点使其为井下安全监测提供了有效的技术手段和途径，尤其是多跳路由的信息传输方式可克服因巷道弯曲、倾斜等因素造成的无线信号严重损耗问题.现有一些监测系统通过有线与无线相结合的方式来实现矿井下的安全监测［3－4］，还有一些矿井监测系统利用无线传感器网络收集数据，然后通过GPRS的方式将数据传输至远程控制中心来实现安全监测［5］.另外，对于巷道内的网络设计考虑的方面也有诸多不同，有通过链式分簇的方式构建的层次型无线传感器监测网络［6］，也有针对线型无线传感器网络能耗研究提出的节能型网络节点部署策略［7］，还有针对巷道内的无缝覆盖及节点的连通率研究提出的节点部署策略［8－10］.

在上述背景下，本文首先根据系统的需求对总体系统结构进行了设计，然后针对节点失效方面结合矿井中几种巷道结构进行相应的网络结构设计，并在已有的软硬件平台上进行了相应的模拟实验.

1 系统需求及总体结构设计

1.1 系统需求

为实现对矿井下环境参数的实时安全性监测，设计满足如下要求的监测系统：①对矿井下瓦斯、CO2等影响井下安全的环境参数进行自动采集、实时传输和集中处理；②用户能够实时查看参数值的变化情况及井下各传感器节点的运行状态；③系统应具有较高的性价比、可靠性、灵活性及扩展能力，且在升级、布线、供电及安装使用方面能够方便地进行维护.

1.2 系统总体结构

图1所示为矿井安全监测系统的总体结构，矿井下无线传感器网络采用的是一种分簇结构，各个簇根据矿井下支巷道结构的不同会有一定的差异，每个分簇包含一个协调器节点和若干监测节点且自成一个独立的网络，各监测节点均具有路由功能，各分簇的协调器节点与控制中心采用WIFI无线网络连接.

图1 矿井监测系统总体结构

1.3 各组成部分的功能定义

监测节点一方面通过各种传感器感知矿井下的环境参数并对其进行周期采样、分析和发送，另一方面对下一级的监测节点发送过来的数据包进行转发.为了降低监测节点的功耗，对于标量数据可进行多次采样，然后将采样的结果进行打包后再发送到协调器节点.

协调器节点对分簇子网的通信进行相关管理（包括监控分簇内各监测节点的运行及接收存储簇内监测节点传送的采样数据包），并对其进行汇总、分析及格式转换等处理后发送到无线网络，另外还能够对控制中心发送过来的指令解析后实现相关运行参数的调整.

控制中心通过无线网络接收协调器节点传送过来的数据并对其进行分析，若环境参数超出安全范围则进行预警操作，并能提供网络状态监控、拓扑结构查看、节点工作参数设定等功能，使用户可实时监测井下的安全状况并采取适当措施.

2 无线传感网络设计

矿井下巷道结构较复杂，主要可分为3种类型：垂直巷道、倾斜巷道和水平巷道.巷道总体可看成是一种线型结构，且巷道内存在各种运输设备，布置节点时选择将传感器节点布设在巷道的顶部且呈线型分布.

另外巷道内部分区域环境条件恶劣，该区域的节点因环境因素导致失效的可能性较大.由于各监测节点具有失效重连的功能（如图2所示），所以在关键区域采用一种防止节点失效的部署方法，即在关键区域布置相应的冗余转发节点.如果某节点失效，失效节点的前后两个节点的距离仍在节点的通信范围之内，能够重新组网传送数据包，这样就能够保证不会因单个节点的失效而导致这种链式网络的瘫痪.

图2 监测节点失效时网络恢复流程

根据巷道特征，矿井巷道结构可以分为直线巷道、直角弯道、障碍物巷道和倾斜巷道4种类型.对每一种类型设计相应的节点布置方法保证关键区域网络的健壮性，节点按照结构特征布置如图3所示.

图3 4种巷道结构的监测节点布置

在以上4种巷道结构中，按照监测节点的工作流程，当网络中的任一节点失效后，失效节点的前后两个节点仍然在通信范围之内，能够继续传输数据.其中障碍物巷道模型的节点2和节点3布置在巷道侧壁，倾斜巷道模型的节点2和节点7布置在巷道侧壁.

3 相关实验及结果

3.1 模拟实验

根据上述设计的节点覆盖方法，分别对4种巷道结构进行模拟实验.实验采用一个协调器节点及两个监测节点，监测节点可以充当路由节点.模拟实验中网络结构分为单点直连和增强转发两种方式.单点直连方式下，监测节点直接向协调器节点发送数据，传输距离接近传输极限.增强转发方式是根据相应的巷道模型，适当增加中间路由节点.

1）直线巷道模拟.单点直连结构是将一个协调器节点和一个监测节点在走廊中放置成一条直线，两个节点间的间距为70m.增强转发结构是在单点直连结构的中间放置一个路由节点转发数据包，节点间的距离为35m.

2）直角弯道模拟.单点直连结构是将协调器节点与监测节点放置在楼层拐角的两侧，两节点距拐角均为4m.增强转发结构是在单点直连结构的拐角处放置一个路由节点.

3）障碍物巷道模拟.单点直连结构是将协调器节点与监测节点分别放置在实验室铁门的两侧，监测节点距铁门5m，协调器节点距铁门为10m.增强转发结构是在铁门处（绕过铁门）放置一个路由节点进行数据包的转发.

4）倾斜巷道模拟.单点直连结构是将协调器节点放置在楼层的楼梯处，监测节点放置在下两层的楼梯处，两节点相距15m.增强转发结构是在单点直连结构的中间层放置一个路由节点转发数据包.

按照上述的4种结构的布置方法分别进行实验模拟，每种结构进行5组实验，每组实验对单点直连与增强转发两种网络结构分别发送800个数据包，测试4种巷道结构下两种通信方式的丢包率对比结果如图4所示.

从上述的实验结果可以看出，4种巷道结构下，增强转发方式下的丢包率均低于单点直连方式，且在直角弯道和障碍物巷道模拟时效果较明显，故可以得出加入相应的路由节点降低了网络的丢包率，提高了网络的通信质量.

图4 丢包率对比图

3.2 能耗仿真分析

针对上述模拟实验中的单点直连和增强转发两种网络结构方式，使用NS2分别对两种部署结构进行仿真，设置通信半径r为70m，能量模型为shadowing，每个节点的初始能量为1.25J，发送数据包消耗能量为0.082 5W，接收数据包消耗能量为0.075 9 W.单点直连结构的场景中线型布置4个节点，节点间距为70m，增强转发结构的场景中线型布置7个节点，节点间距为35m，仿真从30s开始至30min结束，得到整个网络的能耗比随时间的变化关系如图5所示.

图5 能耗比对比图

其中能耗比指网络消耗的能量与总能量之比.从以上结果可以看出，两种网络结构的能耗比随时间的增长呈线性关系，随时间的增长增强转发方式的能耗比小于单点直连方式.增强转发方式虽增加了节点的数量，但是降低了网络的能耗比，在一定程度上延长了网络的生命周期.

4 结 语

无线传感器网络技术为解决井下安全监测问题提供了有效的技术手段和途径.然而矿井巷道的复杂环境给整个网络节点的部署及数据的有效传输产生了很大的影响，而且可能因关键区域的某个节点失效而造成整个网络的瘫痪.本文针对节点失效问题结合4种巷道结构提出了相应的网络传输的转发策略，同时利用现有软硬件平台对4种巷道结构进行了相应的模拟实验，对单点直连与增强转发两种网络结构进行了丢包率测试及能耗仿真分析，结果表明采用增强网络转发策略的节点部署降低了网络的丢包率及能耗比，提高网络传输性能的同时延长了网络的生命周期.

［1］ 景兴鹏，王伟峰，成连平，等.矿井安全无线监控系统的研究［J］.煤炭工程，2010（2）：112－114.

［2］ 廖忠明，徐秀红，彭小军.一种基于CAN总线的煤矿远程监控系统［J］.煤炭技术，2012，31（1）：97－98.

［3］ 高明明，杨贵洲.基于无线网络的矿井安全监控系统设计［J］.辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30（6）：837－840.

［4］ 李 峥，苗曙光.ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用［J］.仪表技术与传感器，2010（8）：57－59.

［5］ 李 辉，张晓光，高 顶，等.基于Zigbee的无线传感器网络在矿井安全监测中的应用［J］.仪表技术与传感器，2008（4）：33－35.

［6］ 杨 维，王 彬.矿井巷道层次型无线监测无线传感器网络的实现［J］.煤炭学报，2008，33（1）：94－98.

［7］ 袁辉勇，赵晓廉，谢 东.线型无线传感器网络的节点部署策略［J］.计算机工程与应用，2010，46（7）：86－88.

［8］ 田 丰，王 飞，刘华艳，等.一种线型无线传感器网络部署策略［J］.传感技术学报，2011，23（11）：1633－1637.

［9］ Sung Tienwen，Yang Chusing.An Adaptive Joining Mechanism for Improving the Connection Ratio of ZigBee Wireless Sensor Networks［J］.International Journal of Communication Systems，2010，23（2）：231－251.

［10］徐兴东.一种基于混沌策略的无线传感器网络的分簇路由协议［J］.中南民族大学学报：自然科学版，2011，30（4）：90－93.