WSN下的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研究
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摘要：本文針對(duì)煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、通信難等情形，改進(jìn)了以往的煤礦無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。本文重點(diǎn)研究了井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在路由協(xié)議、定位、能耗等方面的改進(jìn)，最后運(yùn)用仿真平臺(tái)驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果。實(shí)踐表明，優(yōu)化后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能更大程度地降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗，提高礦下節(jié)點(diǎn)的定位精度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：wsn；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位
1引言
如何提高井下煤礦作業(yè)的安全性是關(guān)乎國計(jì)民生的大事。目前，國內(nèi)大部分礦井作業(yè)檢控系統(tǒng)都是部署的有線環(huán)境，伴隨礦采的深入，有線網(wǎng)絡(luò)會(huì)限制系統(tǒng)的擴(kuò)展，降低部署的靈活性，導(dǎo)致覆蓋率降低等。采用無線傳感網(wǎng)可以一定程度上解決這些問題，ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸效率較高，同時(shí)具有能耗低、協(xié)議簡單、成本低廉、擴(kuò)展性高等優(yōu)勢(shì)。相比于當(dāng)前的礦下檢測(cè)單元，無線傳感網(wǎng)的自組網(wǎng)能力使得網(wǎng)絡(luò)更小型化，更適合大規(guī)模部署。因此，本文將采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于煤礦安全信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
終端單元主要載體是CC2530，搭載溫度、濕度傳感器、CO傳感器等，基礎(chǔ)模塊包括無線射頻、電源模塊、天線以及復(fù)位開關(guān)等。基于該主板的傳感器單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該終端預(yù)留外接電源接口和UART端口外部LPC1756板是為了提高擴(kuò)展性。大多數(shù)無線射頻模塊的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是IEEE802.15.4。從降低開發(fā)成本、縮減開發(fā)時(shí)長和難度、減少功耗、提高接收靈敏度等方面考慮，本文最后選擇了基于CC2530的ZigBee2007業(yè)內(nèi)規(guī)范的加強(qiáng)型8051MCU與RF收發(fā)模塊，它的發(fā)射功率大約為1mW，接收敏捷度大約為-94dBm，出錯(cuò)率是1%，非運(yùn)行狀態(tài)下電流損耗不超過0.6uA。2.4GHz下的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)240KB/s，這些指標(biāo)能夠覆蓋系統(tǒng)性能需求。不同于終端節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)需要協(xié)調(diào)與控制中心之間的協(xié)作，因而本文有必要在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上添加另一個(gè)通信端口，因?yàn)樵摦a(chǎn)品并不單單只接入專用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)等模塊，所以此端口會(huì)被大范圍應(yīng)用。因此，選擇RS-232和USB接口會(huì)比較合適。Sink單元的硬件構(gòu)成如圖3所示。上述單元是Sink單元所在主板的硬件結(jié)構(gòu)，極個(gè)別情況下，應(yīng)用程序也允許將它視為一個(gè)常規(guī)節(jié)點(diǎn)；UART接口的RF模塊能夠插入該電源接口，該單元的CC2530射頻結(jié)構(gòu)作為一個(gè)集群節(jié)點(diǎn)模塊，上述圖中構(gòu)成并沒有搭載任何的傳感器；主板上構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)接口連接接入以太網(wǎng)。GSM單元主要運(yùn)用GPRS或4G數(shù)據(jù)傳輸能力，如果能夠接入終端傳感器網(wǎng)絡(luò)或者熱點(diǎn)，則可以遠(yuǎn)程控制或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析。
2.2路由協(xié)議設(shè)計(jì)
礦下由于特殊的地理環(huán)境，所部署的WSN會(huì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要綜合跨層設(shè)計(jì)，以盡可能提高性能。礦井狹長結(jié)構(gòu)決定了其無線傳感網(wǎng)比較適合采用LEACH層次路由協(xié)議，可以較快構(gòu)建路由，然而LEACH協(xié)議中隨機(jī)選擇的簇頭節(jié)點(diǎn)如果距離基站較遠(yuǎn)，其能耗會(huì)更大。本文改進(jìn)了LEACH協(xié)議，一定程度上降低了網(wǎng)絡(luò)整體能耗，使之更適合礦井作業(yè)。為了降低簇頭負(fù)載，在分簇時(shí)引入距離因子，使得可以隨時(shí)地調(diào)整分簇參數(shù)值，達(dá)到越靠近基站分簇?cái)?shù)目越少的效果，同樣地，距離越遠(yuǎn)，分簇相對(duì)越多。而且，新的算法會(huì)關(guān)聯(lián)簇的平均剩余能量，將其加入簇頭選舉策略中，算法規(guī)則是只有剩余能量大于簇的平均剩余能量的單元才有資格競(jìng)選簇頭，這種競(jìng)賽機(jī)制既均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，也確保了網(wǎng)絡(luò)能更加穩(wěn)健。圖4描述了優(yōu)化后的LEACH協(xié)議的幾個(gè)核心流程。由于實(shí)際條件有限，本文決定采用MATLAB仿真平臺(tái)來模擬分析礦井環(huán)境下的LEACH協(xié)議改進(jìn)前后的性能變化效果。在120*10m2長方形場(chǎng)所內(nèi)隨機(jī)部署了240個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中基站節(jié)點(diǎn)部署在長方形區(qū)域外大約10m位置，協(xié)議每次發(fā)送大小為2kbit的數(shù)據(jù)包，路由包大小為100位。圖5描述的是仿真實(shí)驗(yàn)中的剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化過程，從圖中得知，優(yōu)化后的LEACH協(xié)議中節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)刻比一般的LEACH路由協(xié)議要晚一些，曲線梯度變化較為平滑，可以推測(cè)優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)在煤礦等復(fù)雜場(chǎng)地下會(huì)更為穩(wěn)健。
2.3礦下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位
一般地，礦下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在通訊、計(jì)算、容量等方面都與服務(wù)器有所不足，不能將常規(guī)的無線網(wǎng)絡(luò)定位方式應(yīng)用于礦下節(jié)點(diǎn)定位。因此，設(shè)計(jì)適合礦井環(huán)境特點(diǎn)的定位算法意義重大。
2.3.1定位算法設(shè)計(jì)由于RF發(fā)射能力是大部分礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具備的基礎(chǔ)能力，且考慮到RSSI定位算法可有效定位精度為50m內(nèi)，所以本文決定運(yùn)用RSSI算法來實(shí)現(xiàn)井下定位。RSSI定位算法具有不少優(yōu)點(diǎn)，比如成本低廉，實(shí)現(xiàn)簡單，但是其缺點(diǎn)是容易受環(huán)境影響，導(dǎo)致測(cè)距與實(shí)際差距比較大。基于此，本文用礦井實(shí)際環(huán)境中的有效的動(dòng)態(tài)路徑衰減參數(shù)來替換常規(guī)的路徑衰減指數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，應(yīng)用于路徑衰減模型，來測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，定位結(jié)果更為精確。首先等間距部署礦下信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并依次編號(hào)：...,S-2,S-1,S,S+1,S+2,...其中D代表信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離，RSSIi代表節(jié)點(diǎn)i的RSSI均值。一旦信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的相鄰節(jié)點(diǎn)的RSSI均值超過了預(yù)置的閾值，則用下列公式替換原有的路徑衰減指數(shù)β：
2.3.2改進(jìn)定位算法精度本文仍采用MATLAB仿真平臺(tái)來模擬分析礦井環(huán)境下的定位算法，并與一般的RSSI定位算法進(jìn)行精度對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)依次20m等間距部署，這種部署方式可保證每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)至少能與相鄰的4個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，礦井巷子寬度依次調(diào)整為5、10、15m，優(yōu)化前后仿真結(jié)果比對(duì)如表1所示。在礦井巷子寬度為5m時(shí)，優(yōu)化后的RSSI算法的定位誤差在1.5m內(nèi)的概率達(dá)到了95.78%，而一般的RSSI算法只有74.38%，表明優(yōu)化后的RSSI算法能夠較大幅度地提升定位性能。
3結(jié)語
本文首先分析了礦下作業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用需求，研究并優(yōu)化了傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸效率、路由、定位精度等問題。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括智能、廉價(jià)、功耗低的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及Zigbee無線傳感網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，具有較好的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。本文最后在MATLAB仿真平臺(tái)上進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)部署與協(xié)議性能、算法精度比對(duì)。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)能耗、網(wǎng)絡(luò)生存周期等方面有所改進(jìn)，同時(shí)定位精度提升較為顯著，對(duì)礦下安全監(jiān)控有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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作者：田達(dá) 單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司