試驗研究煤礦監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡的設計

1、 試驗研究煤礦監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡的設計 目前煤礦環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采納有線和固定傳感器組成的網(wǎng)絡,由于工作面的不斷推動,存在著監(jiān)測盲區(qū)。無線傳感器網(wǎng)絡采納無線通信手段,可應用于布線和電源供應困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域(如受到污染的區(qū)域、環(huán)境被破壞的區(qū)域或敵對區(qū)域),一些臨時場合(如發(fā)生自然災難時,固定通信網(wǎng)絡被破壞)和一些工作地點常常變換的區(qū)域(如礦井采煤附井)等。由于無線傳感器網(wǎng)絡不需要任何固定網(wǎng)絡的支持,具有快速綻開、抗毀性強等特點。本文爭論一個適合在礦區(qū)運用的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡的設計,主要傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結構、采納的通信協(xié)議和傳感器節(jié)點的設計。 1網(wǎng)絡結構 無線傳感器網(wǎng)絡是由大量

2、的小型傳感器節(jié)點組成,采納無線數(shù)據(jù)傳輸方式的,用來監(jiān)視物理環(huán)境和相關現(xiàn)象并向觀看者或者處理中心報告測量結果的網(wǎng)絡。 無線傳感器網(wǎng)絡主要有兩種結構:集中式掌握結構和分布式結構。集中式結構的一般節(jié)點比較簡潔,而中心節(jié)點設備簡單。集中式結構的掌握也簡潔,整個網(wǎng)絡由主節(jié)點掌握根據(jù)商定好的挨次進行運作,但節(jié)點的要求比較高。而分布式結構中,依據(jù)節(jié)點數(shù)目的多少,又可分為平面結構和分層結構構建。平面結構的網(wǎng)絡比較簡潔,全部結點的地位公平,所以又可以稱為對等式結構,其平面結構如圖1-a所示。它的缺點是可擴充性差,每一個結點都需要知道到達其它全部結點的路由,維護這些動態(tài)變化的路由信息則需要大量的掌握消息。 在分層

3、結構中,網(wǎng)絡可劃分為多個簇。 每個簇由一個簇頭(黑點)和多個簇成員(白點)組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡。在分層結構中,簇頭結點負責簇間數(shù)據(jù)的轉發(fā),而簇成員只負責數(shù)據(jù)的采集。這大大削減了網(wǎng)絡中路由掌握信息的數(shù)量,因此具有很好的可擴充性。分層結構中網(wǎng)絡具有自組織性,相對來說比較敏捷,但是通信比較繁瑣,掌握麻煩。設計對環(huán)境進行監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡,節(jié)點之間的通信和傳感數(shù)據(jù)本身并不是特別重要,而對數(shù)據(jù)進行分析,使終端用戶可以獵取被監(jiān)視環(huán)境的相關大事并通過肯定的算法對環(huán)境變化進行猜測才是最重要的。因此本設計采納一種集中式的主從結構。這個結構相當于分層結構的一種改進。由于網(wǎng)絡的自組織需要很大的開銷,而

4、且簡單消失泛洪等問題,所以依據(jù)本設計中需要監(jiān)測的環(huán)境地點是確定的這一特點,可以通過固定一般節(jié)點ID號的方法,確定了網(wǎng)絡的組織和連接。 2通信協(xié)議為了降低節(jié)點的設計簡單度,同時加快保證通信的速度,本設計不采納傳統(tǒng)的網(wǎng)絡中TCP/IP協(xié)議。 整個網(wǎng)絡中放棄路由環(huán)節(jié),改由主節(jié)點掌握整個網(wǎng)絡的有序運行?？紤]環(huán)境監(jiān)測的目的,所以對數(shù)據(jù)的加密和網(wǎng)絡平安協(xié)議的掌握也可以削減許多。在網(wǎng)絡正常運行狀態(tài)下,各節(jié)點都處于接收狀態(tài)。由主節(jié)點每隔一段時間向各個節(jié)點發(fā)起通信懇求(掌握幀)。當一般節(jié)點接收到的掌握幀,假如信息中的地址信息和自己的ID號(一般節(jié)點事先通過撥位開關或者程序固化的方式確定自己的ID號)相同時,此節(jié)

5、點轉入發(fā)送模式,將信息(數(shù)據(jù)幀)發(fā)送給主節(jié)點,而ID信息不同的節(jié)點則連續(xù)監(jiān)聽接收。同時,主節(jié)點在發(fā)送完掌握幀后就轉入接收狀態(tài),等待響應。當其接收完一般節(jié)點的全部信息后,發(fā)送一個掌握幀給一般節(jié)點,以確定接受到信息,同時結束整個通信過程。另外,考慮到災難猜測信息監(jiān)測的特點,有些時候一般節(jié)點要求發(fā)送一些緊急信息。所以設計時考慮到可以允許一般節(jié)點發(fā)起通信。例如狀況緊急時,一般節(jié)點必需將報警信息(消息幀)立刻發(fā)回主節(jié)點,以便實行相應的措施。主節(jié)點和一般節(jié)點之間通信傳輸?shù)男畔?種格式:1為數(shù)據(jù)幀,2為掌握幀,3為消息幀。三種幀三種幀信息中,數(shù)據(jù)幀和信息幀由一般節(jié)點放射,主節(jié)點接收。而掌握幀是由主節(jié)點放射,一般節(jié)點接收。掌握幀分為4段,第一段說明使用4個bit的字節(jié)用來說明幀的類型,其次段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,由于網(wǎng)絡屬于小型的,所以使1byte就可以了。第三段屬于報警信息,使用2byte長度。第四段屬于檢驗段。消息幀也分為4段,第一段說明使用四位用來說明幀的類型,其次段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于掌握信息,掌握信息的長度也事先確定了,這樣可以簡化通信的難度,使用2byte長度。第四段屬于檢驗段。數(shù)據(jù)幀分為5段,第一段說明使用四位用來說明幀的類型,其次段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于