試驗(yàn)研究煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1、 試驗(yàn)研究煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 目前煤礦環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采納有線和固定傳感器組成的網(wǎng)絡(luò),由于工作面的不斷推動(dòng),存在著監(jiān)測(cè)盲區(qū)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采納無(wú)線通信手段,可應(yīng)用于布線和電源供應(yīng)困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染的區(qū)域、環(huán)境被破壞的區(qū)域或敵對(duì)區(qū)域),一些臨時(shí)場(chǎng)合(如發(fā)生自然災(zāi)難時(shí),固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)和一些工作地點(diǎn)常常變換的區(qū)域(如礦井采煤附井)等。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持,具有快速綻開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文爭(zhēng)論一個(gè)適合在礦區(qū)運(yùn)用的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),主要傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、采納的通信協(xié)議和傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量

2、的小型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,采納無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式的,用來(lái)監(jiān)視物理環(huán)境和相關(guān)現(xiàn)象并向觀看者或者處理中心報(bào)告測(cè)量結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有兩種結(jié)構(gòu):集中式掌握結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)的一般節(jié)點(diǎn)比較簡(jiǎn)潔,而中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單。集中式結(jié)構(gòu)的掌握也簡(jiǎn)潔,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點(diǎn)掌握根據(jù)商定好的挨次進(jìn)行運(yùn)作,但節(jié)點(diǎn)的要求比較高。而分布式結(jié)構(gòu)中,依據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少,又可分為平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建。平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)潔,全部結(jié)點(diǎn)的地位公平,所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu),其平面結(jié)構(gòu)如圖1-a所示。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差,每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其它全部結(jié)點(diǎn)的路由,維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息則需要大量的掌握消息。 在分層

3、結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)可劃分為多個(gè)簇。 每個(gè)簇由一個(gè)簇頭(黑點(diǎn))和多個(gè)簇成員(白點(diǎn))組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。在分層結(jié)構(gòu)中,簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),而簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。這大大削減了網(wǎng)絡(luò)中路由掌握信息的數(shù)量,因此具有很好的可擴(kuò)充性。分層結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)具有自組織性,相對(duì)來(lái)說(shuō)比較敏捷,但是通信比較繁瑣,掌握麻煩。設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)之間的通信和傳感數(shù)據(jù)本身并不是特別重要,而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使終端用戶可以獵取被監(jiān)視環(huán)境的相關(guān)大事并通過(guò)肯定的算法對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行猜測(cè)才是最重要的。因此本設(shè)計(jì)采納一種集中式的主從結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于分層結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)。由于網(wǎng)絡(luò)的自組織需要很大的開(kāi)銷,而

4、且簡(jiǎn)單消失泛洪等問(wèn)題,所以依據(jù)本設(shè)計(jì)中需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境地點(diǎn)是確定的這一特點(diǎn),可以通過(guò)固定一般節(jié)點(diǎn)ID號(hào)的方法,確定了網(wǎng)絡(luò)的組織和連接。 2通信協(xié)議為了降低節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單度,同時(shí)加快保證通信的速度,本設(shè)計(jì)不采納傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中TCP/IP協(xié)議。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中放棄路由環(huán)節(jié),改由主節(jié)點(diǎn)掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有序運(yùn)行?？紤]環(huán)境監(jiān)測(cè)的目的,所以對(duì)數(shù)據(jù)的加密和網(wǎng)絡(luò)平安協(xié)議的掌握也可以削減許多。在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)下,各節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。由主節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信懇求(掌握幀)。當(dāng)一般節(jié)點(diǎn)接收到的掌握幀,假如信息中的地址信息和自己的ID號(hào)(一般節(jié)點(diǎn)事先通過(guò)撥位開(kāi)關(guān)或者程序固化的方式確定自己的ID號(hào))相同時(shí),此節(jié)

5、點(diǎn)轉(zhuǎn)入發(fā)送模式,將信息(數(shù)據(jù)幀)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn),而ID信息不同的節(jié)點(diǎn)則連續(xù)監(jiān)聽(tīng)接收。同時(shí),主節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完掌握幀后就轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),等待響應(yīng)。當(dāng)其接收完一般節(jié)點(diǎn)的全部信息后,發(fā)送一個(gè)掌握幀給一般節(jié)點(diǎn),以確定接受到信息,同時(shí)結(jié)束整個(gè)通信過(guò)程。另外,考慮到災(zāi)難猜測(cè)信息監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),有些時(shí)候一般節(jié)點(diǎn)要求發(fā)送一些緊急信息。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮到可以允許一般節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信。例如狀況緊急時(shí),一般節(jié)點(diǎn)必需將報(bào)警信息(消息幀)立刻發(fā)回主節(jié)點(diǎn),以便實(shí)行相應(yīng)的措施。主節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)之間通信傳輸?shù)男畔?種格式:1為數(shù)據(jù)幀,2為掌握幀,3為消息幀。三種幀三種幀信息中,數(shù)據(jù)幀和信息幀由一般節(jié)點(diǎn)放射,主節(jié)點(diǎn)接收。而掌握幀是由主節(jié)點(diǎn)放射,一般節(jié)點(diǎn)接收。掌握幀分為4段,第一段說(shuō)明使用4個(gè)bit的字節(jié)用來(lái)說(shuō)明幀的類型,其次段用來(lái)表示信息發(fā)送的目的地址段,由于網(wǎng)絡(luò)屬于小型的,所以使1byte就可以了。第三段屬于報(bào)警信息,使用2byte長(zhǎng)度。第四段屬于檢驗(yàn)段。消息幀也分為4段,第一段說(shuō)明使用四位用來(lái)說(shuō)明幀的類型,其次段用來(lái)表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于掌握信息,掌握信息的長(zhǎng)度也事先確定了,這樣可以簡(jiǎn)化通信的難度,使用2byte長(zhǎng)度。第四段屬于檢驗(yàn)段。數(shù)據(jù)幀分為5段,第一段說(shuō)明使用四位用來(lái)說(shuō)明幀的類型,其次段用來(lái)表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于