矿用无线传感器自组网研究

石杰

摘 要：文章介绍了一种矿用无线传感器组网技术，利用分散布置在煤矿综采工作面、运输巷道、回风巷道内的无线传感器互相协作，构成分布式网络。整个网络由1台交流供电的采集分站作为数据集中设备，负责对所有传感器的数据进行采集管理，并通过以太网或者其他方式传输到地面。

关键词：煤矿；无线传输；mesh；分布式；对等网络

中图分类号：TD679 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0010-04

Abstract： This paper introduces a kind of mine-used wireless sensor netting technology. The distributed network is formed by the cooperation of the wireless sensors distributed in the fully-mechanized coal mining face， the transportation tunnel and the return air tunnel. The whole network is composed of an alternating current（AC） power supply data collection sub-station， which is responsible for collecting and managing the data of all sensors， and transmitting the data to the ground by Ethernet or other means.

Keywords： coal mine； wireless transmission； mesh； distributed； peer-to-peer network

引言

万物互联是当前时代发展的趋势，从家用产品到工业产品无不朝着这个方向在進步。工业控制系统向着自动化、智能化、网络化方向发展，信息传输的通道也更加的多样化，无线传输的通讯方式应用更加广泛。矿用设备大到重型钻机、大型皮带，小到传感器、标识卡都可加入到井下无线网络中，通过集中转换设备接入互联网还能进行大数据管理。本文主要介绍的是专为煤矿环境设计的一种超低功耗无线传感器组网技术，整个网络除了1台采集分站需要电源供电外，其他所有设备均采用电池供电，在满足煤矿安全标准的条件下所有节点能够持续工作半年以上时间。

1 使用环境

矿山环境是一种比较特殊的情况，所有传感器沿着巷道呈一字排开，传感器间隔从10m到100m不等，矿上压力监测、瓦斯安全监控、气体监测、火灾监控等各种传感器数量较为客观，完全能够满足无线组网的硬件条件。相对于普通工业应用或者民用环境，这种测点布局更加接近理想化，可以采用更加简单的路由算法进行网络管理；不同的是煤矿应用环境下，设备取电是一大难题，受制于煤矿安全标准，传感器的低功耗要求非常严苛。为了解决上述问题，本文介绍了一种特殊的无线传感器组网方案。

2 硬件设计

整个无线网络系统由两种设备构成：传感器和采集分站。采集分站除了多出了有线上传功能外，其他硬件与传感器无异。硬件部分主要有低功耗MCU、无线收发电路、超低功耗遥控电路、稳压电路、时钟模块、显示电路构成，其原理框图如图2。

2.1 精确定时设计

整个无线传感器网络需要保持高精度的时钟同步，确保每个节点能够获得更多的休眠时间，以降低无线网络的功耗开销。此处选用PCF8563作为系统的时钟芯片，该芯片除了拥有极高的定时精度外还有低达0.25uA的休眠功耗和1.8V的供电电压，非常适用于电池供电的无线设备。

PCF8563[1]自带有秒、分、时、日、周、月、年报警，最高可以自定义秒级中断。此外，该芯片还自带8位倒计时定时器，最高可精确到4096Hz（约0.2ms）的时间片。通过报警中断与定时器计时配合，PCF8563能够将无线节点的同步唤醒偏差降低到毫秒级。

2.2 MCU及射频电路

低功耗系统的MCU必须选取带休眠功能的型号，TI的MSP430系列，ST的STM32L系列都是比较出色的低功耗MCU；也可以根据需要选取一些厂家封装好的SOC，经过深度优化的MCU加射频前端的SOC方案，在实际开发时更有优势，如TI的CC2530、CC2538、CC430等。射频电路可以根据需求选取，矿用环境选择Sub1GHz频段，传输距离更远，但传输速率较低；选择2.4GHz，传输速率相对较高，但是信号绕射能力较弱，相同功率下传输距离要逊于Sub1GHz频段。本文以CC2530为例，介绍基于2.4GHz频段的无线组网传输。

2.3 其他电路

整个硬件电路最重要的就是低功耗设计，在非必要的情况下，尽可能减少外围电路。在必须要增加电路的情况下，尽量选择带低功耗功能的器件，实在避免不了可以增加开关电路，在不需要的时候通过软件断开这部分电路的电源。

电池供电的情况下，输入端用一颗低功耗的LDO芯片稳压即可，有些芯片可能对反向电压的承受能力较弱，可以在输入端反向并联一个极低漏电流的二极管。

3 组网方案

无线传感器组网技术可以分为三个层次，从底层往上分别为：通信与组网、管理与基础服务、应用系统[2]。

3.1 通信与组网

这一部分是组网技术的基础，也是最关键的部分，主要负责随机布置的传感器节点之间的点到点、点到多点无线通讯以及自组网络，同时也向管理与服务层提供服务支持。

（1）物理层（PHY）和介质接入控制层 （MAC）

CC2530是典型的ZigBee芯片，其物理层（PHY）、介质接入控制层（MAC）是完全按照IEEE802.15.4工作小组制定的协议设计的，整个PHY层和部分MAC层功能已经集成在硬件内，只需通过嵌入式软件进行配置使用。

物理层定义了16个信道（2405MHz-2483.5MHz），信道编号为11-26，采用O-QPSK调制方式，传输速率250kbps，信道与频率的关系如下[3]：

F=2405+5（k-11）MHz

介质接入控制层主要处理物理层的无线接入，主要负责数据传输的安全性和可靠性。CC2530硬件自带帧过滤和帧校验，可以减少CPU的软件干预，缩短帧处理时间，提高数据传输的可靠性。

CC2530的无线数据帧格式如图4。

首先是检测帧引导序列和SFD，校验通过后接收帧长（LEN）。然后进行三级帧过滤，帧过滤项可以通过软件配置，主要提供：帧长度、帧版本号、地址模式、FCF、源地址和目的地址匹配等几个方面的条件过滤，详细内容可以参考CC2530的官方数据手册。

接收模式下，帧过滤通过后，无线模块按照帧长接收数据包并由硬件进行帧校验。校验结果并非以FCS序列本身值输出，而是给了1位FCS的正确性。因此接收期间FCS序列本身不写入RX FIFO，只在接收包的最后一个字节给出校验结果（如图5），在程序设计时只需读出对应位的值以判断帧校验。

（2）路由

礦用无线传感器从节点规模上相比民用或者普通工业用产品要小得多，每个采集分站负责的局部节点数量不超过100个节点，且基本呈一字排开，需要每个节点都能成为路由[4]；除采集分站（相当于协调器）可以有线供电外，其余节点必须电池供电。因此通用的ZigBee网络并不适用，故我们需要重新设计网络层。

由采集分站建立网络，首先进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，同时确定节点配置参数，如最大的子节点数量、最大层数、路由表生存期等。

传感器入网采用简易洪泛法[5]，考虑煤矿特殊环境和传感器成本，每个节点并不带GPS或其它类型的定位模块，整个链路和节点位置通过接收临节点的能量强度，通过算法进行节点定位，从而形成整个链路的定位模型。每个节点接收周围节点的无线信号，并记录下各节点到该点的信号强度。通过计算对比，估算出各节点到该点的大概距离远近（可以只需要知道远近顺序，该值无法确定方向）。根据单链路的特性，从首节点开始逐个确定下一节点的编号，每个节点从自身收到的节点信息中先去除前级已经确定的节点，再从剩下的节点中筛选出能量最强的节点作为后级节点，直至无剩余节点，则完成链路排序。（期间若有电压过低的节点可以直接跳过，并将欠压信号上传，通知用户更换电池）

首节点建立网络，其他节点逐个加入，按照后级节点的RSSI强度值进行排序，确定最终路径，简化流程示意如图6。

链路完成后，整个链路所有节点共享路径信息，同时保存临节点的能量强度和电量状况，在数据传输时根据以上条件自足选择最优前、后级节点进行传输。整个网络的路由状况是不固定的，每次传输数据后，各节点需根据接收数据包中的信息以及信号质量，更新本节点内保存的临节点链路质量信息（包含RSSI、电量等）。

新节点的加入有两种方式：

a.新节点持续发生入网请求命令，在线节点收到后将本节点的临节点信息下发各该点，新节点根据接收到的数据包内容以及返回包的能量强度，计算本节点位于链路中的位置并插入，将新链路上次给在线节点，在线节点收到后广播整个网络进行更新。此方案存在算法缺陷，单个节点返回信息可能不足以准确排序，会导致节点链路出现“回环”现象，因此在入网时可以通过两个或更多在线节点返回信息再计算路径。

b.新节点持续发送重新组网命令，在线节点收到后广播整个网络重新组网，所有节点开启洪泛模式，再次生成新的链路。此方案可靠性较高，但是网络开销大，在节点较少的时候可以使用，节点数量较多时慎用。

（3）QoS控制

QoS（Quality of Service）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力， 是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术[2]。如果网络在时间上无特别要求，一般来说不需要QoS，比如Web、电子邮件等。但是对于一些有时间限制的应用则非常重要，比如环境实时监控系统、路侧停车系统等，这些要求实时数据上传和下载，在网络拥堵的时候，必须保证数据传输不受延迟或者丢弃。

矿用无线传感器对QoS还是有一定的要求，首节点为电源供电的采集分站，负责整个网络的建立和维护，同时也负责汇聚数据的上传功能；其余节点为低功耗节点，主要负责数据采集和传递功能。在入网、数据传输、对时等数据交换时，必然会出现网络拥堵的情况，解决这一问题必须进行QoS控制。CC2530硬件集成了一项避让功能（CSMA-CA），可以加入一定的算法进行避让控制：

无线节点在发射之前先短时开启接收，侦听信道中能量强度，当能量强度超过阈值时给出避让信号，暂停发射，节点进入随机短时间的休眠状态再次进入侦听模式，若仍有无线信号，再次避让，直至信道空闲在打开发射。需要注意的是，避让时间需要以指数增加，避免在信道中有大数据包发送时，该节点频繁唤醒浪费功耗。此外在网络传输层也需对整个链路的数据流进行统筹管理，避开不必要的数据碰撞，具体介绍见3.2管理与服务。

3.2 管理与服务

管理与服务是建立在通信与组网的基础上，向系统服务提供支持的。主要是负责整个组网系统节点的时间同步及系统管理。

（1）时间同步

首先要做的精确定时，所有传感器节点自带RTC，能够提供高精度的标准时间。参见2.2节。

其次整个系统需要由完善的对时机制，采集分站提供整个系统的标准时间，所有节点入网时获取系统时间后修正本地时间，在系统休眠状态下，各节点以自身的RTC进行计时。每次系统唤醒后，数据交换过程中必须带时间信息，每个节点比对本地时间，若出现偏差及时修正，保证整个链路所有节点时间同步（偏差控制在毫级秒内）。

（2）系统管理

节点管理：对于多次无法同步唤醒的节点，系统需要从链路中将其删除，尽量避免浪费系统功耗；当节点电压过低时，需要主动上传欠压状态，通过系统软件提示客户提前更换电池，同时该节点将失去作为关键节点的资格（不存在备份路径的情况下，需继续作为跳传节点），所有节点数据的跳传尽可能避开该节点。

休眠管理：同步唤醒工作时，当本节点及后续节点完成数据上传功能后，节点立即进入休眠状态，等待下次唤醒，因此整个网络节点是异步休眠的。

3.3 应用系统

应用系统是监测系统的主要功能，前两层提供了一条可靠的无线传输平台，用户可以在系统层建立各种数据获取、报警下发、定位捕获等功能，也可以通过采集分站接入上层网络实现井下数据上传和井下设备远程管理。

参考文献：

[1]李海鸿，朱元清.实时时钟芯片PCF8563及其应用[J].国外电子测量技术，2002（5）.

[2]智能无线传感器网络系统[M].科学出版社，2006.

[3]蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[4]无线mesh网络基础[M].西安交通大学出版社，2012.

[5]移动AdHoc网络-自组织分组无线网络技术[M].电子工业出版社，2012.