礦井安全救災(zāi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1、礦井安全救災(zāi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)【摘要】：近幾年,礦難屢屢發(fā)生,讓眾多的遇難者家屬陷入無盡的悲痛之中,也讓政府的處境極為尷尬,由此引發(fā)了很多社會(huì)問題,嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。所以對(duì)于礦井安全救災(zāi)方面的研究成為現(xiàn)今一個(gè)重要的課題。目前煤礦的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能從根本上滿足井下特殊作業(yè)環(huán)境，其原因是由于井下監(jiān)控存在大量監(jiān)控死角，有線網(wǎng)絡(luò)接入不靈活且發(fā)生故障時(shí)難以處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用屬于新興技術(shù)應(yīng)用，本文主要介紹了礦井安全監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)，以及在此技術(shù)上部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型方案。而后擺出了一個(gè)礦井施工點(diǎn)的安全監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)實(shí)例。其中包括傳感器在礦井內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2、，井下臨時(shí)施工點(diǎn)自組織通信協(xié)議需要實(shí)現(xiàn)的功能以及傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。全方位介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何解決礦井臨時(shí)施工點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控問題以及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)?！娟P(guān)鍵詞】：礦井安全、監(jiān)控、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)【Abstract】：In recent years, the mine disasters occur repeatedly, many of the families of the victims get into endless sorrow , and also lets the government situation be extremely awkward, from

3、 which has caused a lot of social problems, restricted the economical further development seriously. So for the mine safety relief research now a very important issue .At present the coal mine safety monitoring system cannot fundamentally satisfy the mine shaft special work environment, The reason f

4、or this is because there are many underground monitoring surveillance blind Angles, Cable network access not flexible and is at fault handle hard.The wireless sensor network belonged to the emerging technical application in the coal mine safety supervisory system application, this article mainly int

5、roduced the mine safety monitoring sensor network technology, as well as the sensor network typical plan which deployed in this technology.But after exhibiting a mine pit construction safe monitor sensor network design example.In which including the sensor in mine pit network architecture, the mine

6、shaft temporary construction the function as well as the sensor node hardware design which needs to realize from the organization communication protocol.Omni-directional introduced how the wireless sensor network solve the mine pit temporary construction network monitor and control problem as well a

7、s its technical realization.問題背景與應(yīng)用意義我國煤礦生產(chǎn)主要是井工開采，井下生產(chǎn)工序多，作業(yè)地點(diǎn)分散，人員流動(dòng)性大，工作環(huán)境惡劣。盡管井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)比較普及，在保障煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以有線方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)與信息傳輸任務(wù)。目前，礦井安全監(jiān)控方面存在以下問題：井下監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量有限，重點(diǎn)區(qū)域存在大量監(jiān)控死角；傳感器接入不靈活、無法實(shí)現(xiàn)快速跟進(jìn)等固有缺陷，已成為煤礦井下安全監(jiān)控信息采集和傳輸?shù)钠款i；另外，一旦有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或遭到破壞，整個(gè)系統(tǒng)完全癱瘓，難以滿足安全監(jiān)控及時(shí)通信的需求。因此，煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)迫切需要一種結(jié)構(gòu)靈活

8、、適應(yīng)性強(qiáng)、布設(shè)快捷、信息傳輸可靠的安全通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨著傳感技術(shù)、MEMS技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理等技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為解決井下煤礦安全監(jiān)控問題提供了有效的技術(shù)手段和途徑。無線傳感器的快速發(fā)展、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)使其成為井下無線通信網(wǎng)絡(luò)的理想選擇，尤其是多跳路由的信息傳輸方式可克服因巷道彎曲、傾斜等造成的無線信號(hào)嚴(yán)重?fù)p耗問題。因此，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入井下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的定位、跟蹤和通信，以及環(huán)境參數(shù)的移動(dòng)檢測(cè)，全面提升礦井安全生產(chǎn)效率和防災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)的能力是當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)一項(xiàng)十分緊迫的課題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明，傳感器網(wǎng)絡(luò)可

9、用于危險(xiǎn)工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)，在煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線工作的員工將可以得到隨時(shí)監(jiān)控。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以告訴工作現(xiàn)場(chǎng)有哪些員工、在做什么以及安全保障等重要信息。長(zhǎng)期以來，我國煤礦、石化、冶金行業(yè)對(duì)工作人員安全、易燃、易爆、有毒物質(zhì)的監(jiān)測(cè)的成本一直居高不下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把部分操作人員從高危環(huán)境中解脫出來的同時(shí)，也提高了險(xiǎn)情通報(bào)的反應(yīng)精度和速度。目前，國內(nèi)外已投入使用的井下安全監(jiān)控?zé)o線傳感與通信系統(tǒng)主要集中在以下幾個(gè)方面：（1） 對(duì)人員和設(shè)備的位置監(jiān)控。（2） 應(yīng)急救災(zāi)通信（3） 調(diào)度和通信這些系統(tǒng)為無線通信技術(shù)在井下的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，在一定程度上提高了煤礦井下安全監(jiān)控與通信能力，但在實(shí)際應(yīng)用

10、中仍存在以下不足：（1）所有以有線網(wǎng)絡(luò)為骨干的通信系統(tǒng)，在礦難發(fā)生之后一旦有線網(wǎng)絡(luò)通信中斷，受困人員無法與指揮中心取得聯(lián)系，致使定位、跟蹤與通信的功能失效。（2）應(yīng)急救援通信系統(tǒng)僅在地面指揮中心井下指揮中心救援隊(duì)員之間進(jìn)行展開，沒有包括最需要通信的被困人員，他們無法與外界溝通，外界也無法得知他們的位置和所處的環(huán)境狀況。（3）系統(tǒng)功能單一，沒有實(shí)現(xiàn)多種功能的有機(jī)結(jié)合，無法充分發(fā)揮井下無線通信的優(yōu)點(diǎn)。礦井安全監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)鑒于煤礦井下安全監(jiān)控?zé)o線傳感與通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，考慮目前煤礦井下安全監(jiān)控中急需解決的問題，綜合煤礦井下安全監(jiān)控?zé)o線傳感的井下動(dòng)態(tài)信息采集、處理與傳輸模式、自組織通信協(xié)

11、議、井下采掘面及采空區(qū)和臨時(shí)施工點(diǎn)等傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的典型方案等關(guān)鍵技術(shù)，可以建立和實(shí)現(xiàn)安全可靠的復(fù)用型煤礦井下安全監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在正常情況下無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為安全監(jiān)控系統(tǒng)的移動(dòng)信息采集源，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)無死角采集、快速處理和傳輸，移動(dòng)目標(biāo)定位、跟蹤、任務(wù)分配和協(xié)調(diào)控制。在礦難情況下或井下有線通信網(wǎng)絡(luò)遭到破壞后，無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠通過自組織形成無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，保證井下信息及時(shí)準(zhǔn)確地采集與安全可靠地傳輸。 礦井傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息檢測(cè)、處理和傳輸煤礦井下開采地域廣闊，如果僅采用局部的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而沒有一個(gè)高可靠的主干傳輸網(wǎng)支撐，則井下安全監(jiān)控信息無法及時(shí)傳到地面調(diào)度指揮中心。目前國內(nèi)

12、廣泛使用的各種監(jiān)控系統(tǒng)基本是在工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上掛接測(cè)控分站，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面和井下參數(shù)采集和設(shè)備控制。從經(jīng)濟(jì)、適用角度出發(fā)，應(yīng)該在現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無線傳感器功能，現(xiàn)行監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)井下信息傳輸主干網(wǎng)的任務(wù)，在井下以一定的間隔布置帶有兩種網(wǎng)絡(luò)接口的無線接入點(diǎn)，如同普通測(cè)控分站一樣，以有線的方式融入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，另一方面它們可以與移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)交換信息。在監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，井下形成多個(gè)以無線接入點(diǎn)為中心的局部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這樣就存在唯一的中心控制點(diǎn)，并且是單跳通信，因此，可采用成熟的主從式無線網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，正常情況下井下人員和設(shè)備佩戴的無線傳感器節(jié)點(diǎn)起到移動(dòng)信息源功能，

13、整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所示。礦難事故發(fā)生或者井下通信網(wǎng)絡(luò)遭到破壞之后，井下傳感器節(jié)點(diǎn)通過對(duì)無線信道的偵聽時(shí)如果發(fā)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)通信中斷，立即啟動(dòng)自組織協(xié)議，形成無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，處理過程如下所示：前一圖所示為如果有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，則無線傳感器節(jié)點(diǎn)自組織形成臨時(shí)信息采集、傳輸及應(yīng)急通信網(wǎng)。后一圖所以為如果礦難事故發(fā)生、有線網(wǎng)絡(luò)被破壞，則無線傳感器節(jié)點(diǎn)自組織形成應(yīng)急救援通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，在大多數(shù)情況下，井下會(huì)形成幾個(gè)相互隔離的網(wǎng)絡(luò)，通常不會(huì)是一個(gè)整體。這種自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)以下功能。（1）孤島網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)被困人員之間信息交流，使得局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)人員能了解該區(qū)域環(huán)境條件較好的位置，并向該位置撤退。（2）救援人員

14、利用無線電信號(hào)搜索被困人員和人群，已經(jīng)遇難礦工佩戴的無線傳感器節(jié)點(diǎn)既可進(jìn)行信息中繼，也可以幫助搜尋遇難礦工的遺體。（3）救援指揮中心通過無線應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)可以及時(shí)掌握井下環(huán)境參數(shù)和人員分布情況，快速作出正確的搶險(xiǎn)和營救決策，及時(shí)通知井下被困人員。為了滿足以上的功能要求，傳感器節(jié)點(diǎn)需要包括下列功能組件。（1）便攜式環(huán)境參數(shù)檢測(cè)與局部信息融合。主要是檢測(cè)有害氣體濃度、氧氣濃度和溫度等。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)的無死角檢測(cè)，利用多傳感器信息融合獲得更高檢測(cè)精度和數(shù)據(jù)壓縮率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差較大的傳感器。（2）移動(dòng)目標(biāo)定位。借鑒RFID的思想實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的定位和跟蹤，定位精度取決于無線接入點(diǎn)的分布密度和無線

15、傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻通信距離。（3）無線尋呼。利用有線骨干網(wǎng)絡(luò)+無線接入點(diǎn)+無線傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任何移動(dòng)目標(biāo)的無線尋呼、任務(wù)分配和協(xié)調(diào)控制。 （4）無線對(duì)講。利用先進(jìn)的語音處理技術(shù)，將聲音信號(hào)數(shù)字化、壓縮之后，利用無線信道進(jìn)行傳輸。 （5）人機(jī)接口?？紤]到井下工作的實(shí)際情況，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的操作應(yīng)簡(jiǎn)單、直觀，盡量減少用戶的干預(yù)?？紤]到網(wǎng)絡(luò)帶寬、節(jié)點(diǎn)造價(jià)、體積和功耗等因素，上述功能采用模塊化設(shè)計(jì)，通過搭積木形式，為不同類型的人員提供相應(yīng)的功能組合。同時(shí)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)滿足低功耗、高度穩(wěn)定和高安全性的要求，采用微功耗、緊湊型、高集成度器件來縮小節(jié)點(diǎn)體積。選用本質(zhì)安全型防爆組件，通過可靠

16、的保護(hù)電路和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決可能發(fā)生的電火花和熱效應(yīng)等安全問題。 礦井傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織通信協(xié)議自組織通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)復(fù)用型、智能化煤礦井下安全監(jiān)控的核心，主要涉及物理層（PHY）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）等。l 物理層煤礦井下無線通信實(shí)質(zhì)上是借用巷道的縱向?qū)w作為波導(dǎo)，電波在巷道中傳播呈現(xiàn)導(dǎo)波特性。理論研究和實(shí)驗(yàn)均表明，利用900MHz3000MHz這一頻段可以實(shí)現(xiàn)井下徑向無線通信。井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計(jì)主要通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法，根據(jù)井下復(fù)雜環(huán)境和地質(zhì)條件對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀⒕聼o線信號(hào)傳播模型；選擇電磁干擾和煤巖壁吸收相對(duì)較小

17、的無線頻段及信道編碼方式；實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、多功能集成化的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；滿足煤礦井下高溫、高濕、高塵、高電磁干擾和爆炸性生產(chǎn)環(huán)境的工作要求。l 數(shù)據(jù)鏈路層井下應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為樹枝狀，這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置會(huì)頻繁發(fā)生變化，因而不能僅應(yīng)用基于預(yù)約的媒體訪問控制協(xié)議，而應(yīng)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、功耗、吞吐量等因素，采用基于預(yù)約的MAC協(xié)議與基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議相結(jié)合，兼顧適當(dāng)?shù)牟铄e(cuò)控制機(jī)制。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的載波偵聽多路訪問還可以進(jìn)一步引入節(jié)能和適應(yīng)節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)的措施，如無線信道周期性監(jiān)聽、反饋控制數(shù)據(jù)發(fā)送速率等。l 網(wǎng)絡(luò)層井下無線網(wǎng)絡(luò)需要為動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)提供可靠的路由選擇，而應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)屬于

18、局部線形、全局樹杈形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不同于目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，必須綜合考慮能耗、帶寬、公平性等多種因素，設(shè)計(jì)適合無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。另外，由于這樣的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)路由跳數(shù)可能很多，應(yīng)盡量避免維護(hù)龐大、多變的路由表，因而可以改進(jìn)傳統(tǒng)的洪泛協(xié)議思想，避免網(wǎng)絡(luò)控制信息和數(shù)據(jù)信息泛濫問題。l 應(yīng)用層井下無線傳感器必須根據(jù)煤礦井下的特殊環(huán)境確定傳感器網(wǎng)絡(luò)在井下的應(yīng)用模式和展開方式，針對(duì)井下不同應(yīng)用指出對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的要求。由于具體礦井的位置結(jié)構(gòu)、安全功能要求和具體指標(biāo)參數(shù)會(huì)有所不同，因而需要結(jié)合具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，并根據(jù)用戶提出的各種需求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。煤礦井下部署傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型方案煤

19、礦井下采掘工作面、采空區(qū)和特殊作業(yè)環(huán)境下的臨時(shí)施工點(diǎn)，是煤礦井下安全監(jiān)控的重點(diǎn)，也是事故多發(fā)場(chǎng)所。由于這些地點(diǎn)安全信息的有效監(jiān)控更依賴于傳感器節(jié)點(diǎn)的快速布防和動(dòng)態(tài)檢測(cè)，因而這些地點(diǎn)的有效監(jiān)控也是目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。下面重點(diǎn)以煤礦井下采掘工作面、采空區(qū)和特殊作業(yè)環(huán)境的臨時(shí)施工點(diǎn)架設(shè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，闡述煤礦井下部署傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方案及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)在這些地點(diǎn)的典型應(yīng)用方案如下圖所示。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和具體應(yīng)用環(huán)境，實(shí)際部署中還需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)很實(shí)用化的問題。（1）煤礦井下尤其是工作面等處，大功率機(jī)電設(shè)備多，起停狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁，電磁環(huán)境復(fù)雜，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量低、

20、易受干擾，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法，選擇電磁干擾和煤壁吸收相對(duì)較小的工作頻段和合適的信道編碼技術(shù)，以提高系統(tǒng)的可靠性。（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用屬于新興技術(shù)應(yīng)用，需要結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際，明確在井下的應(yīng)用場(chǎng)合和展開形式，詳細(xì)分析利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建應(yīng)急通信系統(tǒng)的可能性，這種做法在實(shí)際中可能會(huì)非常重要。（3）隨著煤礦開拓和掘進(jìn)的進(jìn)行，傳感器的布置和網(wǎng)絡(luò)范圍也不斷變化，有些傳感器被回收或者隨著能量的耗盡而退出網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)又有新節(jié)點(diǎn)不斷加入，因而高效的自組織算法和傳輸協(xié)議可以有效地保障網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重組。（4）低成本、低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是部署工作面監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的前提。隨著開采過程

21、的持續(xù)進(jìn)行，初期部署的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)煤礦采空區(qū)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，一般不能再回收利用，因而無線傳感器必須做到低成本、低功耗。（5）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括多種傳感器功能、瓦斯探測(cè)、聲光電氣熱探測(cè)等傳感器探頭，必須防爆、防潮，符合煤礦井下電氣設(shè)備通用要求，否則研制出來的系統(tǒng)不宜在井下部署和使用。礦井施工點(diǎn)的安全監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)例目前的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能從根本上滿足井下特殊作業(yè)環(huán)境。例如，采掘面的大型機(jī)械設(shè)備的移動(dòng)、主要設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢修等臨時(shí)施工點(diǎn)，不能滿足和適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的快速布防和對(duì)安全監(jiān)控信息的動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?。目前，大多使用的便攜式檢測(cè)裝置，也只能完成小范圍的測(cè)量，不能形成大范圍的監(jiān)控

22、和檢測(cè)信息的實(shí)時(shí)傳輸，致使井下臨時(shí)施工點(diǎn)成為煤礦井下安全隱患主要場(chǎng)所之一。針對(duì)礦井臨時(shí)施工點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控問題，這里以此作為應(yīng)用實(shí)例，對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和技術(shù)實(shí)施過程進(jìn)行詳細(xì)剖析。實(shí)際礦井網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)井下臨時(shí)施工點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖所示。圖中信宿節(jié)點(diǎn)放置于井下臨時(shí)施工點(diǎn)的安全監(jiān)測(cè)區(qū)域中心，無線傳感器節(jié)點(diǎn)則均勻放置在監(jiān)測(cè)區(qū)域，信宿節(jié)點(diǎn)中配置液晶顯示模塊、超限聲光報(bào)警裝置、無線通信模塊、鍵盤和存儲(chǔ)模塊，無線傳感器節(jié)點(diǎn)配備有無線通信模塊和瓦斯檢測(cè)設(shè)備，信宿節(jié)點(diǎn)由收發(fā)天線經(jīng)無線射頻通信鏈路與多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)電連接，從而構(gòu)建煤礦井下臨時(shí)施工點(diǎn)的安全監(jiān)測(cè)無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)在臨時(shí)施工點(diǎn)放

23、置好信宿節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)之后，打開所有節(jié)點(diǎn)的電源開關(guān)，信宿節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)迅速自組織成無檢測(cè)死角的無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這種無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可快速布設(shè)和組網(wǎng)，也可在多個(gè)施工點(diǎn)重復(fù)使用，關(guān)鍵是具有功能復(fù)用性的信宿節(jié)點(diǎn)，它可以使得構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。通常情況下信宿節(jié)點(diǎn)用作監(jiān)視器，內(nèi)置的顯示模塊實(shí)時(shí)顯示各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作情況。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)失效，信宿節(jié)點(diǎn)的顯示模塊就顯示失效節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)號(hào)，然后工作人員可及時(shí)更換或檢修失效節(jié)點(diǎn)，保證了井下臨時(shí)施工點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域能夠不存在檢測(cè)死角。當(dāng)?shù)V井中有異常情況發(fā)生時(shí)，信宿節(jié)點(diǎn)又可作為報(bào)警器使用，內(nèi)置的報(bào)警裝置可及時(shí)報(bào)警異常情

24、況，一旦信宿節(jié)點(diǎn)收到無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的瓦斯?jié)舛瘸鲈O(shè)定的安全界限時(shí)，報(bào)警裝置能立即報(bào)警，工作人員可及時(shí)撤離或采取有效的安全自救措施。報(bào)警裝置的報(bào)警上限可以自行設(shè)定，可以在不同的施工點(diǎn)視具體情況設(shè)定不同的安全界限。另外，信宿節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)了從無線傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)臨時(shí)施工點(diǎn)結(jié)束工作后，通過USB接口把數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，從而可以查看臨時(shí)施工點(diǎn)周圍環(huán)境的瓦斯?jié)舛?，分析瓦斯?dòng)態(tài)變化的特征，找出潛在的安全隱患。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)井下臨時(shí)施工點(diǎn)自組織通信協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)主要考慮具體的井下臨時(shí)施工環(huán)境。1. 物理層主要負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的信息采集，即臨時(shí)施工點(diǎn)周

25、圍環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，包括信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、發(fā)送和接收等任務(wù)。建議該網(wǎng)絡(luò)采用無線電波載波媒體，工作頻段為430Hz/868Hz/915MHz。2. 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體訪問控制和建立節(jié)點(diǎn)之間可靠的通信鏈路，主要由媒體訪問控制MAC組成。系統(tǒng)采用基于預(yù)先規(guī)定的媒體訪問控制協(xié)議，首先由信宿節(jié)點(diǎn)向各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)開始指令，無線傳感器節(jié)點(diǎn)偵聽到指令信息，轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)收到來自信宿節(jié)點(diǎn)的開始指令后，由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，并按ID2ms（ID為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)號(hào)）時(shí)間間隔逐個(gè)向信宿節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣能避免信道中發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)沖突，造成數(shù)據(jù)包的丟失。3. 網(wǎng)絡(luò)層主要任務(wù)

26、是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由，該網(wǎng)絡(luò)采用按需路由協(xié)議，即采用“路由請(qǐng)求/路由應(yīng)答”機(jī)制來建立路由。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要去往某個(gè)未知目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，廣播一個(gè)“路由請(qǐng)求”分組至源節(jié)點(diǎn)的所有鄰居?！奥酚烧?qǐng)求”分組包含有“廣播標(biāo)識(shí)”（Broadcast ID），保證每次廣播被唯一標(biāo)識(shí)，也能夠避免被其他節(jié)點(diǎn)多次轉(zhuǎn)發(fā)。如果在鄰居節(jié)點(diǎn)中未發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)就轉(zhuǎn)發(fā)該“路由請(qǐng)求”分組，直到“路由請(qǐng)求”分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或是到達(dá)知道去往目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)；當(dāng)“路由請(qǐng)求”分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或是知道去往目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，沿反向路由發(fā)送“路由應(yīng)答”分組。該路由協(xié)議不僅可以實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)間的單跳路由，也可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的多跳路由。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)方框圖如下圖所示。從該電路結(jié)構(gòu)圖可以看出，如果打開電池和電源開關(guān)，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器則分別從井下臨時(shí)施工點(diǎn)周圍環(huán)境采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?。從這兩種傳感器輸出的數(shù)據(jù)輸入到信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)