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1、第2 8 卷第4 期增刊2 7 年4 月仪器仪表学报C h i n e s eJ o u m a lo fs c l c n t l f i c1 n s t r 恤n t基于无线传感器网络的V 0 1 2 8N 忱4A n r 2 0 0 7煤矿安全监控系统研究钱建生，孙彦量(中国矿业大学信息与电气工程学院徐州2 2 1 0 0 8)摘要：本文将无线传感网络(w s N s)引入煤矿安全监测和灾害预警。根据无线传感网络的体系结构和性能标准，提出了应用在煤矿安全监测中的一些特殊需求。出于传感器节点系统成本、开销、能耗、通信能力殛其通信可靠性的考虑，在I E E E 8 0 2 1 5 4 z
2、i g B e e 协议的基础上，设计实现了以0 c 2 4 3 1 和A T 9 l R M 9 2 0 0 芯片为核心的传感器节点及接入网关，系统在信标使能和信标禁止模式，关联和簇树形成平稳，网络能够有效自组织，实现对采煤工作面和掘进巷道等区域的安全监测。关键词：煤矿安全监测；自组织 无线传感器网络；掘进巷道R e s e a r c ho nc o a lm i n es a f e t ym 帅“o r i n gb a s e d 蚰w i r e l e 鲻s e n s o rn e t w o r k sQ i a nJ i a n s h e r 培，S u nY a n j
3、 i n g(抽以。，h，。”撇f Z 州n 树B 盯f m Z。o z 越U n i 俚“f 0 0，脯n f n g。“n c 加Z p 削，X 船 删船j D，(M i 凇)A b s t r a c t：I nt h i sp p e r，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k(W S N s)i si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h el e v e lo fs a f e t ym o l l i t o r i n ga n dd j s a s t e rw a r n i n gi nc o a
4、 lm i n e S e v e r a li s 5 u e sa b o u ti t sa p p l i c a t i o ni nc o a】m i n ea r ep r e S e n t e d C o n s i d e r i n gs y s t e n l a t i cc o s t，r e s o u r c ec o n s u m p t i o n，c o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y，t h eh a r d w a r eo fs e n s o r
5、a n ds i n kn o d e sb a s e do nT r sC C 2 4 3 1a n dA T M E I j sA T 9 1 R M 9 2 0 0r e s p e c t i v e l ya r ed e s i g n e da n di 如L p l e m e n t e da c c o r d i n gt oI E E E 8 0 2 1 5 4 z i g b e ep r o t o c o l s tI nb o t hb e a c o ne 1 1 a b l e d 1 0 d ea n dn o n-b e a c o ne n a b
6、l e dm o d e，a s s o c i a t i o na n dt r e ef o n I l a t i o np r o c e e ds m o o t h l ya n dt h en e t w o r kc a ns h a p eu pe f f i c i e n t l yb yi t s e l I tc a na c h i e v et h ee f f e c t i v e 蜘【o n i t o r 主n go nm i n i n gs u r f a c ea n de x c a v a t i o nr o a d w a y K e yw
7、 o r d s：C o a l 血n es a f e t ym D n i t o r i n g；a d h o c；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k；e x c a v a t i o nr o a d w a y1 引言煤矿工作面环境恶劣，自然灾害频发，移动生产设备多，工作条件复杂，现有的煤矿安全监测监控技术需要敷设大量通信电缆，而这些电缆随着生产的推进不断移动，维护十分不便，且经常会被砸断影响监测的连续性，亟需引入新技术克服这个制约煤矿安全和灾害预警水平的问题“目。无线传感器网络(w i r e l e s sS e n s o rN
8、e t、v o r k)综合了传感器技术、嵌人式计算技术，分布式信息处理技术，现代网络及无线通信技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。在采空区、工作面等煤矿安全监测的关键地带，由于其自然条件非常恶劣，布线不能随时进行，监测监控难度大，安全隐患多。利用无线传感器网络则可以克服存在的困难，实现煤矿采煤、掘进工作面、采空区瓦斯以及人员定位等无线接人检测和灾变后对环境监测系统的快速重构，提高煤矿安全监控系统在灾变条件下的残存性，建立高度可靠的煤矿安全监
9、测及灾害预警系统”。2 煤矿安全监测对W s N S 的特殊要求采煤工作面掘进巷道以及采空区的环境条件对*基金项目；国家自然科学基金重点项目资助(7 0 5 3 3 0 5 0)；江苏省科技攻关项目(B s 2 0 0 6 0 0 2)6 6 6仪器仪表学报第28 卷无线传感器网络在煤矿安全监测上的应用提出了新的要求和挑战，即资源受限、可扩展性，容错性、自组织、实时性和安全性等o 。其中，资源受限，尤其是能量有限是煤矿井下无线传感器网络的一个重要特征。由于传感器节点多采用电池供电，而且煤矿的工作环境决定了人工维护(如更换电池)难度非常大，在通常情况下，一旦部署就只能采用无人值守的方式”q。因此
10、，在煤矿特殊工作条件下，无线传感器网络的应用有着以下特点：(1)电磁环境复杂。煤矿井下尤其是工作面等处，大功率机电设备多，开停频繁，电磁环境复杂。要求传感器网络在通信上的抗干扰能力强，考虑到无线传感器网络能量低的特点，要提高系统通信的可靠性必须选择干扰小的频点和合适的信道纠错编码；(2)网络拓扑变动大，传感节点数量变动频繁。随着煤矿开拓和掘进的进行，布置传感器网络的范围也会发生变化，一些节点将被回收或随着能量的耗尽而退出网络，同时又不断有新的节点加入；(3)数据相关性大。煤矿安全监控数据具有突发性和区域相关性的特点，监控数据可以采用数据融合的办法加以传输，从而大大降低系统通信量，达到高效节能的
11、目的必须研究节能高效的具有数据融台特点传感器网络接人及路由算法；(4)煤矿安全参数一般变化比较缓慢，但是当有险情发生时局部安全参数会发生剧烈变化，需要对监测数据密集采样；(5)网络节点必须防爆、防潮，符合矿用安全标准。3无线通信技术及网络协议的选择呻在煤矿无线传感器网络中，由于环境的影响和能量耗尽，节点更容易出现故障，环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化。通常情况下，大多数w S N节点是固定不动的，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都十分有限，传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源，而传感器网络的设计目标是能源的高效使用o 。目前无
12、线传感器网络可用的无线通信技术中：I E E 髓0 2 1 1、I E E E 8 0 2 1 6 等W U 州技术以服务质量和带宽为主要目标，功耗处于次要地位，使用R T S c T s 握手机制。系统开销大 B l u e t 0 0 t h 技术主要用于短距离点到点通信，是一跳星型拓扑网络，文献L 1 0 研究表明蓝牙在散射网扩展上存在问题，不适合组建多跳网络；I E E E 8 0 2 1 5 4 是一种低功耗、低成本、低数据速率(数据于装置问对萼传输(P e 盱t o _ P e 盯)。欲使用s 1 0 I t e d 黜I A c A 通讯协议则必须在收送装置两端问先达珂同步才可以
13、办到。文献 1 2 研究表明，每次网络部署后每个设备关联尝试的次数不会超过3 次，匿此设置a M a x b s t&a m T l s 一4。图5 是在5 0 x5 0 m 和l 1 0 0 m区域分别部署2 5 和1 0 D 个节点构成的网络拓扑图，节点的无线通信距离控制在9m，速率2 5 0k h p s。(a)2 5 个节点(b)】0 0 节点圉5 网络实验拓扑圉在煤矿无线传感嚣网络中，节点在不同的时刻传输的数据量、担当的角色(数据源、转发节点等)不同；煤矿安全参数一般变化比较缓慢但是当有险情发生时局部安全参数会发生剧烈变化，需要对监测数据密集采样，这时局部无线传感器网络的数据流量会突
14、然增加；由于煤矿井下地质条件复杂，有时会使部分无线传感节点突然失效；这都要求网络及节点具备动态调整的能力。实验证明本系统具有部署后自组同和节点失败后自愈的能力，能有效阻止孤立节点的出现。6 结论w s N s 是新型的无基础设施的元线网络t 能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，自组织的，集传感器，数据处理于一体的w s N s 尤其适用煤矿环境和安全监测。在充分分析煤矿安全监测虚用对w s N s 特殊要求的基础上，通过比较选择基于I E E E 8 0 2 1 5 4 z 1 R B e c 标准建立适合煤矿特点无线传感同络的体系，并设计实现了w s N s 节点和接A
15、同关，有教的提高了数据传输的抗干扰性，同时卫减少了传统监测系统现场布线存在的各种问题，有利于煤矿安全生产顺利进行。下一步重点是要提高网络拓扑变化的自适应词整能力，确保各种情况下监测区域网络的有效覆盖和连通性，同时对灾害预警机制进行综台研究。参考文献 1 张申，T 恩杰武增煤矿井下综合业务数字网网络结构的研兜D ，煤炭学报，2 0 0 2，2 7(2)z2 婚2 1 0 2 棣制，郑红党，刘玉东，基于c A N 总线的煤矿监测监控系统研究_ J 中国矿业大学学报2 0 0 4，S 3(4)，4 2 14 2 3 3 孙利民，李建中，陈渝，等无线传感器网络 M 北京r 清华大学出版社，2 0 0
16、5 4 陈积明林瑞仲，孙优贤无线传感器网络通信体系研究 J 传感技术学报，2 0。6，1 默4)：l 坤口12 9 5 r5 RC a r d e l l0 i l v e r，舒砸r E MK，K R A N zM，e ta LAf e 舯tL v es o nm o l s t u r e rn e o r k；d P s i 酣目n df。d de v a l u a n。l l J 。I n 把H t 婚n 出J o u r l。儿x n 小”t c dS 帆s o rN e t w o r k 5，2 0 0 5 1(2)：1 4 争1 6 2 6 c H E E K I R A L
17、 L As，s I V A I 洲M 曼v d o p m e n to faw i r e I 衄s o rL L r 血b rt u n n P lm o 耐t o r i“g M U S A，M a 跖K h u s e t 拈l n H i t m eo fT。c h n 0 1 0 冀y，2 0 0 t 7 P A R K C，X【EQ c H 0 uP，s H I N 0 z u K A Mmr a d e，w l r e【e s st 让【、帖r k e ds e n s o r o r 目t n l 叶u r a lh 衄h h 删m 幻r；”E!明I 匝S e n s o r
18、 s 2 0 0 5：2 7 7 2 8 0 r8 C A R D E IM，D I D 三I m p r o y I l】g 瓠r c l e a e r l 8 0 rn e w。r kl I f e t m t h r 口1 1 9 hp o w e ra w a r eo g a n l z 甜m n J w 埘朗s N e 啪r k s，Z 0 0 5，1 l(：3 3 3 3 4 0 9 l E E Es 吐8 0 21 5 4 2 0 0 3 1w 1 耐e s 5M 甜l u m 舢c e s sC t r o【a l l dP h 粥划L a y e r5 p c c i f
19、 m t 1 1 8f o rL o wR“eW L r e l 郫BP e r s o 岫lA r e aN e t、呻r k s(L R _ W P A N B)E B 0 L ，s 蛆n 如r 出+i e 出o r g，2 0 0 3 1 0 l|Y，L E E MJ，s A 呐w lTN Ab l u e 伽t h8 阻t t e r l l e m u 怔s t r u 吐u f ef。rm m m 帕pa dh o c 时啪r k s J -I 匝EJ o u 删【o ns e l 叫A r 瞄i(u 一c a t n s，2 0 0 3，2 1(2)：2 2 92 3 9 1 1 C c 2 4 3 lS y n e n o 以 坤f o r2 4G 卜k 趣酞?I E E E8 0 2 1 5 4w i t hI n o nE【1 8 1 n e 皿o L ，C h i 口c o n，T e x 船I D s t r u m 蛐t 8 1 2 z H E N GJ。M n GJkAc o l p r d”删_ ep e 舶唧a t l c es t u 曲o fI E E E8 0 2 1 5 4 M s e 啷rN e t 盯0 r ko p e r a t a 陋，1 E E EP r e s$，W n 叫b t e 曙c k I l 亡e，2 6