田達(dá)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西省左云縣 037100）

1 引言

如何提高井下煤礦作業(yè)的安全性是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大事。目前，國(guó)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(wú)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(jiǎn)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(wú)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(wú)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?；跓o(wú)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(wú)線射頻、電源模塊、天線以及復(fù)位開關(guān)等?；谠撝靼宓膫鞲衅鲉卧挠布Y(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(wú)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(zhǎng)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ZigBee 2007 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(guò)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)決定了其無(wú)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。

圖1：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2：CC2530 傳感器單元硬件組成

圖3：Sink 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

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。

表1：RSSI 算法改進(jìn)效果比對(duì)

由于實(shí)際條件有限，本文決定采用MATLAB 仿真平臺(tái)來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)方形區(qū)域外大約10m 位置，協(xié)議每次發(fā)送大小為2k bit 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(guò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位

一般地，礦下無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(jiǎn)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?；诖?，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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(yǔ)

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(wú)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以及Zigbee 無(wú)線傳感網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)圍繞無(wú)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(wú)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。