李豐杰 徐守志 徐 波

（三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

目前，礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要以有線方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)與信息傳輸任務(wù)，存在布線復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，不能滿足掘進(jìn)工作面延伸的動(dòng)態(tài)變化要求，通信線路容易損壞，維護(hù)成本高等一系列問(wèn)題［1］.現(xiàn)有的有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分均通過(guò)CAN總線的方式實(shí)現(xiàn)礦井下的安全監(jiān)測(cè)［2］.隨著傳感技術(shù)、MEMS技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速部署、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)使其為井下安全監(jiān)測(cè)提供了有效的技術(shù)手段和途徑，尤其是多跳路由的信息傳輸方式可克服因巷道彎曲、傾斜等因素造成的無(wú)線信號(hào)嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題.現(xiàn)有一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)有線與無(wú)線相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)礦井下的安全監(jiān)測(cè)［3－4］，還有一些礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，然后通過(guò)GPRS的方式將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心來(lái)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)［5］.另外，對(duì)于巷道內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)考慮的方面也有諸多不同，有通過(guò)鏈?zhǔn)椒执氐姆绞綐?gòu)建的層次型無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)［6］，也有針對(duì)線型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗研究提出的節(jié)能型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署策略［7］，還有針對(duì)巷道內(nèi)的無(wú)縫覆蓋及節(jié)點(diǎn)的連通率研究提出的節(jié)點(diǎn)部署策略［8－10］.

在上述背景下，本文首先根據(jù)系統(tǒng)的需求對(duì)總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后針對(duì)節(jié)點(diǎn)失效方面結(jié)合礦井中幾種巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在已有的軟硬件平臺(tái)上進(jìn)行了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn).

1 系統(tǒng)需求及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井下環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)安全性監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)滿足如下要求的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：①對(duì)礦井下瓦斯、CO2等影響井下安全的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸和集中處理；②用戶能夠?qū)崟r(shí)查看參數(shù)值的變化情況及井下各傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)；③系統(tǒng)應(yīng)具有較高的性價(jià)比、可靠性、靈活性及擴(kuò)展能力，且在升級(jí)、布線、供電及安裝使用方面能夠方便地進(jìn)行維護(hù).

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是一種分簇結(jié)構(gòu)，各個(gè)簇根據(jù)礦井下支巷道結(jié)構(gòu)的不同會(huì)有一定的差異，每個(gè)分簇包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)且自成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)均具有路由功能，各分簇的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與控制中心采用WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接.

圖1 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.3 各組成部分的功能定義

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)一方面通過(guò)各種傳感器感知礦井下的環(huán)境參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行周期采樣、分析和發(fā)送，另一方面對(duì)下一級(jí)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).為了降低監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗，對(duì)于標(biāo)量數(shù)據(jù)可進(jìn)行多次采樣，然后將采樣的結(jié)果進(jìn)行打包后再發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)分簇子網(wǎng)的通信進(jìn)行相關(guān)管理（包括監(jiān)控分簇內(nèi)各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行及接收存儲(chǔ)簇內(nèi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳送的采樣數(shù)據(jù)包），并對(duì)其進(jìn)行匯總、分析及格式轉(zhuǎn)換等處理后發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，另外還能夠?qū)刂浦行陌l(fā)送過(guò)來(lái)的指令解析后實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整.

控制中心通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析，若環(huán)境參數(shù)超出安全范圍則進(jìn)行預(yù)警操作，并能提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)查看、節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)設(shè)定等功能，使用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下的安全狀況并采取適當(dāng)措施.

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

礦井下巷道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要可分為3種類型：垂直巷道、傾斜巷道和水平巷道.巷道總體可看成是一種線型結(jié)構(gòu)，且巷道內(nèi)存在各種運(yùn)輸設(shè)備，布置節(jié)點(diǎn)時(shí)選擇將傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在巷道的頂部且呈線型分布.

另外巷道內(nèi)部分區(qū)域環(huán)境條件惡劣，該區(qū)域的節(jié)點(diǎn)因環(huán)境因素導(dǎo)致失效的可能性較大.由于各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有失效重連的功能（如圖2所示），所以在關(guān)鍵區(qū)域采用一種防止節(jié)點(diǎn)失效的部署方法，即在關(guān)鍵區(qū)域布置相應(yīng)的冗余轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn).如果某節(jié)點(diǎn)失效，失效節(jié)點(diǎn)的前后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離仍在節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)，能夠重新組網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)包，這樣就能夠保證不會(huì)因單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效而導(dǎo)致這種鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)的癱瘓.

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)流程

根據(jù)巷道特征，礦井巷道結(jié)構(gòu)可以分為直線巷道、直角彎道、障礙物巷道和傾斜巷道4種類型.對(duì)每一種類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)布置方法保證關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的健壯性，節(jié)點(diǎn)按照結(jié)構(gòu)特征布置如圖3所示.

圖3 4種巷道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置

在以上4種巷道結(jié)構(gòu)中，按照監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作流程，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)失效后，失效節(jié)點(diǎn)的前后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)仍然在通信范圍之內(nèi)，能夠繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù).其中障礙物巷道模型的節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3布置在巷道側(cè)壁，傾斜巷道模型的節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)7布置在巷道側(cè)壁.

3 相關(guān)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)覆蓋方法，分別對(duì)4種巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn).模擬實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為單點(diǎn)直連和增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種方式.單點(diǎn)直連方式下，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)直接向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸距離接近傳輸極限.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式是根據(jù)相應(yīng)的巷道模型，適當(dāng)增加中間路由節(jié)點(diǎn).

1）直線巷道模擬.單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)是將一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在走廊中放置成一條直線，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的間距為70m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)的中間放置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)間的距離為35m.

2）直角彎道模擬.單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)是將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在樓層拐角的兩側(cè)，兩節(jié)點(diǎn)距拐角均為4m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)的拐角處放置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn).

3）障礙物巷道模擬.單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)是將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別放置在實(shí)驗(yàn)室鐵門(mén)的兩側(cè)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)距鐵門(mén)5m，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距鐵門(mén)為10m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在鐵門(mén)處（繞過(guò)鐵門(mén)）放置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā).

4）傾斜巷道模擬.單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)是將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放置在樓層的樓梯處，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在下兩層的樓梯處，兩節(jié)點(diǎn)相距15m.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是在單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)的中間層放置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包.

按照上述的4種結(jié)構(gòu)的布置方法分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)對(duì)單點(diǎn)直連與增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別發(fā)送800個(gè)數(shù)據(jù)包，測(cè)試4種巷道結(jié)構(gòu)下兩種通信方式的丟包率對(duì)比結(jié)果如圖4所示.

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，4種巷道結(jié)構(gòu)下，增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式下的丟包率均低于單點(diǎn)直連方式，且在直角彎道和障礙物巷道模擬時(shí)效果較明顯，故可以得出加入相應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)降低了網(wǎng)絡(luò)的丟包率，提高了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量.

圖4 丟包率對(duì)比圖

3.2 能耗仿真分析

針對(duì)上述模擬實(shí)驗(yàn)中的單點(diǎn)直連和增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式，使用NS2分別對(duì)兩種部署結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，設(shè)置通信半徑r為70m，能量模型為shadowing，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量為1.25J，發(fā)送數(shù)據(jù)包消耗能量為0.082 5W，接收數(shù)據(jù)包消耗能量為0.075 9 W.單點(diǎn)直連結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景中線型布置4個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距為70m，增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景中線型布置7個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距為35m，仿真從30s開(kāi)始至30min結(jié)束，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗比隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示.

圖5 能耗比對(duì)比圖

其中能耗比指網(wǎng)絡(luò)消耗的能量與總能量之比.從以上結(jié)果可以看出，兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能耗比隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈線性關(guān)系，隨時(shí)間的增長(zhǎng)增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式的能耗比小于單點(diǎn)直連方式.增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)方式雖增加了節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，但是降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗比，在一定程度上延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為解決井下安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題提供了有效的技術(shù)手段和途徑.然而礦井巷道的復(fù)雜環(huán)境給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署及數(shù)據(jù)的有效傳輸產(chǎn)生了很大的影響，而且可能因關(guān)鍵區(qū)域的某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效而造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓.本文針對(duì)節(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題結(jié)合4種巷道結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)策略，同時(shí)利用現(xiàn)有軟硬件平臺(tái)對(duì)4種巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)單點(diǎn)直連與增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了丟包率測(cè)試及能耗仿真分析，結(jié)果表明采用增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略的節(jié)點(diǎn)部署降低了網(wǎng)絡(luò)的丟包率及能耗比，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的同時(shí)延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期.

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