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摘要：本文針對煤礦井下作業環境復雜、通信難等情形，改進了以往的煤礦無線傳感器網絡，設計并實現了一種新的煤礦安全監控系統。本文重點研究了井下無線傳感器網絡在路由協議、定位、能耗等方面的改進，最后運用仿真平臺驗證改進結果。實踐表明，優化后的無線傳感器網絡能更大程度地降低網絡節點的能耗，提高礦下節點的定位精度，具有一定的應用價值。

關鍵詞：wsn；ZigBee；無線傳感器網絡；定位

1引言

如何提高井下煤礦作業的安全性是關乎國計民生的大事。目前，國內大部分礦井作業檢控系統都是部署的有線環境，伴隨礦采的深入，有線網絡會限制系統的擴展，降低部署的靈活性，導致覆蓋率降低等。采用無線傳感網可以一定程度上解決這些問題，ZigBee協議的數據傳輸效率較高，同時具有能耗低、協議簡單、成本低廉、擴展性高等優勢。相比于當前的礦下檢測單元，無線傳感網的自組網能力使得網絡更小型化，更適合大規模部署。因此，本文將采用ZigBee無線傳感器網絡，應用于煤礦安全信息系統的設計中。基于無線傳感器網絡的煤礦安全監控系統結構如圖1所示。

2系統設計

2.1節點設計

終端單元主要載體是CC2530，搭載溫度、濕度傳感器、CO傳感器等，基礎模塊包括無線射頻、電源模塊、天線以及復位開關等。基于該主板的傳感器單元的硬件結構如圖2所示。該終端預留外接電源接口和UART端口外部LPC1756板是為了提高擴展性。大多數無線射頻模塊的數據傳輸協議是IEEE802.15.4。從降低開發成本、縮減開發時長和難度、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業內規范的加強型8051MCU與RF收發模塊，它的發射功率大約為1mW，接收敏捷度大約為-94dBm，出錯率是1%，非運行狀態下電流損耗不超過0.6uA。2.4GHz下的數據傳輸速率可達240KB/s，這些指標能夠覆蓋系統性能需求。不同于終端節點，網關需要協調與控制中心之間的協作，因而本文有必要在硬件設計基礎上添加另一個通信端口，因為該產品并不單單只接入專用計算機、單片機等模塊，所以此端口會被大范圍應用。因此，選擇RS-232和USB接口會比較合適。Sink單元的硬件構成如圖3所示。上述單元是Sink單元所在主板的硬件結構，極個別情況下，應用程序也允許將它視為一個常規節點；UART接口的RF模塊能夠插入該電源接口，該單元的CC2530射頻結構作為一個集群節點模塊，上述圖中構成并沒有搭載任何的傳感器；主板上構造的網絡接口連接接入以太網。GSM單元主要運用GPRS或4G數據傳輸能力，如果能夠接入終端傳感器網絡或者熱點，則可以遠程控制或遠程數據分析。

2.2路由協議設計

礦下由于特殊的地理環境，所部署的WSN會不同于傳統網絡協議，需要綜合跨層設計，以盡可能提高性能。礦井狹長結構決定了其無線傳感網比較適合采用LEACH層次路由協議，可以較快構建路由，然而LEACH協議中隨機選擇的簇頭節點如果距離基站較遠，其能耗會更大。本文改進了LEACH協議，一定程度上降低了網絡整體能耗，使之更適合礦井作業。為了降低簇頭負載，在分簇時引入距離因子，使得可以隨時地調整分簇參數值，達到越靠近基站分簇數目越少的效果，同樣地，距離越遠，分簇相對越多。而且，新的算法會關聯簇的平均剩余能量，將其加入簇頭選舉策略中，算法規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選簇頭，這種競賽機制既均衡了網絡能耗，也確保了網絡能更加穩健。圖4描述了優化后的LEACH協議的幾個核心流程。由于實際條件有限，本文決定采用MATLAB仿真平臺來模擬分析礦井環境下的LEACH協議改進前后的性能變化效果。在120*10m2長方形場所內隨機部署了240個節點，其中基站節點部署在長方形區域外大約10m位置，協議每次發送大小為2kbit的數據包，路由包大小為100位。圖5描述的是仿真實驗中的剩余節點數目變化過程，從圖中得知，優化后的LEACH協議中節點能量耗盡的時刻比一般的LEACH路由協議要晚一些，曲線梯度變化較為平滑，可以推測優化后的網絡在煤礦等復雜場地下會更為穩健。

2.3礦下無線傳感器網絡定位

一般地，礦下無線傳感器網絡節點在通訊、計算、容量等方面都與服務器有所不足，不能將常規的無線網絡定位方式應用于礦下節點定位。因此，設計適合礦井環境特點的定位算法意義重大。

2.3.1定位算法設計由于RF發射能力是大部分礦井無線傳感器網絡節點都具備的基礎能力，且考慮到RSSI定位算法可有效定位精度為50m內，所以本文決定運用RSSI算法來實現井下定位。RSSI定位算法具有不少優點，比如成本低廉，實現簡單，但是其缺點是容易受環境影響，導致測距與實際差距比較大。基于此，本文用礦井實際環境中的有效的動態路徑衰減參數來替換常規的路徑衰減指數經驗值，應用于路徑衰減模型，來測量移動節點與信標節點之間的距離，定位結果更為精確。首先等間距部署礦下信標節點，并依次編號：...,S-2,S-1,S,S+1,S+2,...其中D代表信標節點間的距離，RSSIi代表節點i的RSSI均值。一旦信標節點接收到的相鄰節點的RSSI均值超過了預置的閾值，則用下列公式替換原有的路徑衰減指數β：

2.3.2改進定位算法精度本文仍采用MATLAB仿真平臺來模擬分析礦井環境下的定位算法，并與一般的RSSI定位算法進行精度對比。實驗中，信標節點依次20m等間距部署，這種部署方式可保證每個信標節點至少能與相鄰的4個節點通信，礦井巷子寬度依次調整為5、10、15m，優化前后仿真結果比對如表1所示。在礦井巷子寬度為5m時，優化后的RSSI算法的定位誤差在1.5m內的概率達到了95.78%，而一般的RSSI算法只有74.38%，表明優化后的RSSI算法能夠較大幅度地提升定位性能。

3結語

本文首先分析了礦下作業安全監控系統應用需求，研究并優化了傳統的無線傳感器網絡中的數據傳輸效率、路由、定位精度等問題。礦井安全監控系統硬件構成主要包括智能、廉價、功耗低的無線傳感器節點以及Zigbee無線傳感網。整個系統圍繞無線傳感器網絡組網技術，具有較好的靈活性、可維護性和可擴展性。本文最后在MATLAB仿真平臺上進行了網絡部署與協議性能、算法精度比對。仿真結果表明，優化后的無線傳感器網絡在數據傳輸、節點能耗、網絡生存周期等方面有所改進，同時定位精度提升較為顯著，對礦下安全監控有一定的應用價值。

參考文獻

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作者：田達 單位：晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司