基于WSN的煤矿安全监控系统的研究

田达

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司 山西省左云县 037100）

1 引言

如何提高井下煤矿作业的安全性是关乎国计民生的大事。目前，国内大部分矿井作业检控系统都是部署的有线环境，伴随矿采的深入，有线网络会限制系统的扩展，降低部署的灵活性，导致覆盖率降低等。采用无线传感网可以一定程度上解决这些问题，ZigBee 协议的数据传输效率较高，同时具有能耗低、协议简单、成本低廉、扩展性高等优势。相比于当前的矿下检测单元，无线传感网的自组网能力使得网络更小型化，更适合大规模部署。因此，本文将采用ZigBee 无线传感器网络，应用于煤矿安全信息系统的设计中。基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统结构如图1 所示。

2 系统设计

2.1 节点设计

终端单元主要载体是CC2530，搭载温度、湿度传感器、CO 传感器等，基础模块包括无线射频、电源模块、天线以及复位开关等。基于该主板的传感器单元的硬件结构如图2 所示。该终端预留外接电源接口和UART 端口外部LPC1756 板是为了提高扩展性。

大多数无线射频模块的数据传输协议是IEEE802.15.4。从降低开发成本、缩减开发时长和难度、减少功耗、提高接收灵敏度等方面考虑，本文最后选择了基于CC2530 的ZigBee 2007 业内规范的加强型8051MCU 与RF 收发模块，它的发射功率大约为1mW，接收敏捷度大约为-94dBm，出错率是1%，非运行状态下电流损耗不超过0.6uA。2.4GHz 下的数据传输速率可达240KB/s，这些指标能够覆盖系统性能需求。

不同于终端节点，网关需要协调与控制中心之间的协作，因而本文有必要在硬件设计基础上添加另一个通信端口，因为该产品并不单单只接入专用计算机、单片机等模块，所以此端口会被大范围应用。因此，选择RS-232 和USB 接口会比较合适。Sink 单元的硬件构成如图3 所示。

上述单元是Sink 单元所在主板的硬件结构，极个别情况下，应用程序也允许将它视为一个常规节点；UART 接口的RF 模块能够插入该电源接口，该单元的CC2530 射频结构作为一个集群节点模块，上述图中构成并没有搭载任何的传感器；主板上构造的网络接口连接接入以太网。GSM 单元主要运用GPRS 或4G 数据传输能力，如果能够接入终端传感器网络或者热点，则可以远程控制或远程数据分析。

2.2 路由协议设计

矿下由于特殊的地理环境，所部署的WSN 会不同于传统网络协议，需要综合跨层设计，以尽可能提高性能。矿井狭长结构决定了其无线传感网比较适合采用LEACH 层次路由协议，可以较快构建路由，然而LEACH 协议中随机选择的簇头节点如果距离基站较远，其能耗会更大。

图1：无线传感器网络结构

图2：CC2530 传感器单元硬件组成

图3：Sink 节点硬件结构

本文改进了LEACH 协议，一定程度上降低了网络整体能耗，使之更适合矿井作业。为了降低簇头负载，在分簇时引入距离因子，使得可以随时地调整分簇参数值，达到越靠近基站分簇数目越少的效果，同样地，距离越远，分簇相对越多。而且，新的算法会关联簇的平均剩余能量，将其加入簇头选举策略中，算法规则是只有剩余能量大于簇的平均剩余能量的单元才有资格竞选簇头，这种竞赛机制既均衡了网络能耗，也确保了网络能更加稳健。图4 描述了优化后的LEACH 协议的几个核心流程。

表1：RSSI 算法改进效果比对

由于实际条件有限，本文决定采用MATLAB 仿真平台来模拟分析矿井环境下的LEACH 协议改进前后的性能变化效果。在120*10m2长方形场所内随机部署了240 个节点，其中基站节点部署在长方形区域外大约10m 位置，协议每次发送大小为2k bit 的数据包，路由包大小为100 位。图5 描述的是仿真实验中的剩余节点数目变化过程，从图中得知，优化后的LEACH 协议中节点能量耗尽的时刻比一般的LEACH 路由协议要晚一些，曲线梯度变化较为平滑，可以推测优化后的网络在煤矿等复杂场地下会更为稳健。

2.3 矿下无线传感器网络定位

一般地，矿下无线传感器网络节点在通讯、计算、容量等方面都与服务器有所不足，不能将常规的无线网络定位方式应用于矿下节点定位。因此，设计适合矿井环境特点的定位算法意义重大。

2.3.1 定位算法设计

由于RF 发射能力是大部分矿井无线传感器网络节点都具备的基础能力，且考虑到RSSI 定位算法可有效定位精度为50m 内，所以本文决定运用RSSI 算法来实现井下定位。RSSI 定位算法具有不少优点，比如成本低廉，实现简单，但是其缺点是容易受环境影响，导致测距与实际差距比较大。基于此，本文用矿井实际环境中的有效的动态路径衰减参数来替换常规的路径衰减指数经验值，应用于路径衰减模型，来测量移动节点与信标节点之间的距离，定位结果更为精确。

首先等间距部署矿下信标节点，并依次编号：...,S-2,S-1,S,S+1, S+2,...其中D 代表信标节点间的距离，RSSIi代表节点i 的RSSI 均值。一旦信标节点接收到的相邻节点的RSSI 均值超过了预置的阈值，则用下列公式替换原有的路径衰减指数β：

2.3.2 改进定位算法精度

本文仍采用MATLAB 仿真平台来模拟分析矿井环境下的定位算法，并与一般的RSSI 定位算法进行精度对比。实验中，信标节点依次20m 等间距部署，这种部署方式可保证每个信标节点至少能与相邻的4 个节点通信，矿井巷子宽度依次调整为5、10、15m，优化前后仿真结果比对如表1 所示。在矿井巷子宽度为5m 时，优化后的RSSI 算法的定位误差在1.5m 内的概率达到了95.78%，而一般的RSSI 算法只有74.38%，表明优化后的RSSI 算法能够较大幅度地提升定位性能。

3 结语

本文首先分析了矿下作业安全监控系统应用需求，研究并优化了传统的无线传感器网络中的数据传输效率、路由、定位精度等问题。矿井安全监控系统硬件构成主要包括智能、廉价、功耗低的无线传感器节点以及Zigbee 无线传感网。整个系统围绕无线传感器网络组网技术，具有较好的灵活性、可维护性和可扩展性。本文最后在MATLAB 仿真平台上进行了网络部署与协议性能、算法精度比对。仿真结果表明，优化后的无线传感器网络在数据传输、节点能耗、网络生存周期等方面有所改进，同时定位精度提升较为显著，对矿下安全监控有一定的应用价值。