礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)方法

鄭歡歡 高燕

（榆林學(xué)院信息工程學(xué)院 陜西省榆林市 719000）

1 礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

礦井無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感網(wǎng)絡(luò)主要是由監(jiān)控區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)等模塊構(gòu)成。結(jié)合礦井安全的要求，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)要求能覆蓋整個(gè)礦井，其中監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集終端有通信信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)，它們是礦井無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部分，主要完成對(duì)礦井環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到服務(wù)器，同時(shí)還要能夠?qū)崟r(shí)確定井下人員的位置信息，以及工作人員能夠利用通信設(shè)備與安全檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行通信。信息采集終端的功能是將采集的信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，最后將各種信息進(jìn)行匯總傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在具體的通信過(guò)程中，不僅要將礦井內(nèi)的環(huán)境信息、工作人員的位置信息上傳到監(jiān)控中心，還需要與礦井下的工作人員建立無(wú)線通信聯(lián)系。具體的礦井無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議技術(shù)

針對(duì)礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用了MAC 協(xié)議，來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)沖突，減少網(wǎng)絡(luò)通信的延遲，提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信效率。

2.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

針對(duì)礦井下通信感應(yīng)節(jié)點(diǎn)較多，容易引起網(wǎng)絡(luò)擁擠與沖突、消耗節(jié)點(diǎn)能量、導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信延遲，影響礦井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，采用MAC 通信協(xié)議機(jī)制，運(yùn)用競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)來(lái)解決數(shù)據(jù)傳輸沖突的問(wèn)題，并利用PN 碼的GOLD 數(shù)據(jù)排列序列對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)碼庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的給每一個(gè)參與通信的信道分配能識(shí)別身份的序列碼，在接收端通過(guò)檢測(cè)序列碼就能獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)包，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行平行性、相關(guān)性檢測(cè)，通過(guò)解碼處理，完成數(shù)據(jù)的接收處理，具體如圖2 所示。在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，在接收端設(shè)置的閾值大于處理的數(shù)據(jù)包設(shè)定時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包即為所接收的數(shù)據(jù)，如果設(shè)定的值較小時(shí)，就容易發(fā)生沖突，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)共用一個(gè)序列碼，接收節(jié)點(diǎn)只能逐個(gè)按照相關(guān)性對(duì)排列的序號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)間調(diào)度表，然后按照授權(quán)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)，從而完成整個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸與接收。

2.2 通信協(xié)議性能

在完成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議后，需要驗(yàn)證MAC 協(xié)議的性能。利用仿真平臺(tái)對(duì)礦井的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬，構(gòu)建了長(zhǎng)15m 的通信巷道，并在內(nèi)部署1 個(gè)無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)，在礦井的深處布置100 個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，這樣在礦井中就形成了101 個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在1 個(gè)時(shí)隙發(fā)送大小為20B 的數(shù)據(jù)包，分析改進(jìn)的MAC 通信協(xié)議的性能，在數(shù)據(jù)接收的過(guò)程時(shí)間延遲對(duì)比中，改進(jìn)的MAC 通信協(xié)議有著明顯的不同，如圖3 所示。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信處于不飽和狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的沖突較少，二者保持在同一水平上，但隨著發(fā)送的數(shù)據(jù)包不斷增加時(shí)，不同節(jié)點(diǎn)之間的競(jìng)爭(zhēng)明顯加強(qiáng)，由圖3 可以看出，改進(jìn)的MAC 通信協(xié)議的時(shí)間延遲基本不變，采用MAC 協(xié)議能夠明顯的提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信效率。

圖1：礦井無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯集結(jié)構(gòu)

圖2：數(shù)據(jù)傳輸中平行相關(guān)性檢測(cè)結(jié)構(gòu)

圖3：兩種通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延遲比較

3 礦井無(wú)線傳感器路由協(xié)議

路由協(xié)議是保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感通信的關(guān)鍵，由于礦井環(huán)境地形狹長(zhǎng)、通信節(jié)點(diǎn)眾多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，?duì)信號(hào)的傳輸提出了更高的要求，根據(jù)礦井的特點(diǎn)，降低節(jié)點(diǎn)通信的能量，延長(zhǎng)通信節(jié)點(diǎn)的服務(wù)時(shí)間的路由算法，才能完成無(wú)線通信的基本要求。

3.1 路由協(xié)議設(shè)計(jì)

由于礦井的環(huán)境與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的環(huán)境不同，需要跨層整體設(shè)計(jì)，綜合網(wǎng)絡(luò)通信的延遲、環(huán)境狹長(zhǎng)的缺點(diǎn)，才能獲得最優(yōu)性能。在設(shè)計(jì)礦井無(wú)線傳感路由時(shí)，選用LEACH 層次路由協(xié)議，能夠適應(yīng)狹長(zhǎng)的礦井環(huán)境，也能快速的建立路由，使得構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)比較便捷、快速，形成穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，但如果采用LEACH 構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，而隨機(jī)篩選出的簇頭如果遠(yuǎn)離基站，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中容易產(chǎn)生能耗過(guò)大的情況。因此，需要對(duì)LEACH 協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到降低礦井下節(jié)點(diǎn)能耗的目的，同時(shí)還要滿足礦井通信的要求，在LEACH 協(xié)議的中分簇方案中引入距離因子，對(duì)分簇的閾值進(jìn)行調(diào)整，提高基站遠(yuǎn)距離的分簇，為提高通信效率，在各簇的平均剩余能量中引入簇頭競(jìng)爭(zhēng)方式，能有有效地保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3.2 路由協(xié)議性能

針對(duì)改進(jìn)后的路由協(xié)議，利用MATLAB 仿真平臺(tái)模擬礦井環(huán)境，選擇合適的參數(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，主要是對(duì)改進(jìn)的LEACH 協(xié)議的合理性與優(yōu)越性進(jìn)行驗(yàn)證。在礦井區(qū)域中構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)120m、寬15m 的通信信道，根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的要求，部署240 個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，并將通信的基站設(shè)置在狹長(zhǎng)區(qū)域外10m 位置處，在測(cè)試時(shí)，發(fā)送大小為2000B 的數(shù)據(jù)包，同時(shí)發(fā)送的大小為100B 的路由包，在通信的過(guò)程中，測(cè)試路由傳輸數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行情況。測(cè)試中通信節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)簇頭的變化情況，具體地測(cè)試如圖4 所示，可以看出，采用傳統(tǒng)的路由協(xié)議，簇頭通過(guò)路由的能力較低，也就會(huì)造成通信的擁擠，利用改進(jìn)的LEACH 路由協(xié)議時(shí)，明顯的改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較少，而且網(wǎng)絡(luò)延遲也比傳統(tǒng)的LEACH路由協(xié)議要減少很多，且改進(jìn)后的LEACH 路由協(xié)議曲線比較平滑，表明在網(wǎng)絡(luò)通信中，信號(hào)的傳輸比較穩(wěn)定，也能較好地適應(yīng)礦井的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)于移動(dòng)通信的信號(hào)效果也比較好。

圖4：路由協(xié)議性能中簇頭的存活對(duì)比分析

3.3 礦井無(wú)線傳感器定位技術(shù)

構(gòu)建礦井無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是能有效的對(duì)礦井內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，為提高礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信、計(jì)算、存儲(chǔ)能力，準(zhǔn)確地對(duì)礦井內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行定位，需要重新設(shè)計(jì)可靠的算法，才能滿足通信系統(tǒng)的要求，如果采用傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，雖然能夠滿足通信的要求，但是無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，設(shè)計(jì)實(shí)用、可靠的定位算法十分必要，才能滿足具體的需要。

（1）定位算法設(shè)計(jì)。針對(duì)礦井下的環(huán)境特征，可以對(duì)RSSI 算法進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)信號(hào)衰減的情況，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，來(lái)控制礦井內(nèi)信號(hào)傳輸動(dòng)態(tài)衰減的情況，由于礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也采用的是RSSI 算法，大多傳感節(jié)點(diǎn)都具有RF 發(fā)射能力，在礦井內(nèi)的50m 范圍定位內(nèi)，采用RSSI 算法都能滿足要求。因此，在具體的設(shè)計(jì)中，采用RSSI 定位算法，可以快速的對(duì)礦井下的目標(biāo)進(jìn)行定位，RSSI 定位算法雖然成本低，也比較容易實(shí)現(xiàn)，但算法的穩(wěn)定性比較差，容易受環(huán)境的影響較大，特別是在礦井環(huán)境下，容易導(dǎo)致測(cè)距誤差變大。通過(guò)對(duì)RSSI 定位算法進(jìn)行改進(jìn)，以提高測(cè)距的穩(wěn)定性，通過(guò)利用路徑衰減模型計(jì)算方法，用礦井實(shí)際環(huán)境的動(dòng)態(tài)路徑衰減指數(shù)取代RSSI 算法中原有的經(jīng)驗(yàn)路徑衰減指數(shù)，擴(kuò)大定位算法中的路徑衰減指數(shù)，進(jìn)行定位計(jì)算，以保證數(shù)據(jù)定位的結(jié)果穩(wěn)定。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)礦井的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用鏈?zhǔn)降乳g距部署，并將間距進(jìn)行合理的設(shè)置，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連續(xù)編號(hào)為…、S-2、S-1、S、S+1、S+2…，并將相鄰的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間距離設(shè)置為D，詳細(xì)記錄每一個(gè)節(jié)點(diǎn)i 的RSSI 均值，然后就可以利用公式計(jì)算出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的閾值，如果某個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的鄰近節(jié)點(diǎn)的RSSI均值超過(guò)了設(shè)定的閾值，就可以十分方便的計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的通信路徑衰減指數(shù)β，具體的計(jì)算方法如下：

（2）改進(jìn)定位算法性能測(cè)試。為了對(duì)定位算法改進(jìn)后的性能進(jìn)行測(cè)試，采用MATLAB 仿真平臺(tái)對(duì)該算法進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)礦井的區(qū)域環(huán)境進(jìn)行模擬定位仿真，在測(cè)試將改進(jìn)的算法與傳統(tǒng)的RSSI 算法進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試的過(guò)程中，將礦井下的通信信標(biāo)節(jié)點(diǎn)按20m 等間距均勻部署，結(jié)合礦井的定位要求，保證每個(gè)通信的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)至少可與鄰近4 個(gè)節(jié)點(diǎn)通信相鄰，要求它們之間的通信方向衰減相同，才能保證通信的穩(wěn)定性，在測(cè)試時(shí)，分別在礦井巷道寬度為5、10、15m 的位置部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)兩種算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)在礦井巷道寬度為5m 時(shí)，傳統(tǒng)的SRRI 定位算法的誤差在2.8m 以上，準(zhǔn)確率在74.2%作用，而改進(jìn)的RSSI 定位算法的定位能夠控制在1m 的范圍內(nèi)，準(zhǔn)確的概率達(dá)到了95.78%，這充分的說(shuō)明改進(jìn)的RSSI 定位路由算法效率較好，可以明顯提升定位性能，有利于提高礦井無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

將礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)互連一體，對(duì)提高礦井施工的安全性具有十分重要的作用，根據(jù)礦井安全監(jiān)控平臺(tái)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合礦井區(qū)域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，對(duì)礦井中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行分析，為提高通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題等進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的算法能夠滿足通信要求的要求，從而能夠有的實(shí)現(xiàn)礦井現(xiàn)場(chǎng)人員的定位與礦井施工安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控。