用于矿井环境监测的无线传感器网络

　　摘　要： 提出了利用无线传感器网络进行矿井环境探测的方法，给出了适用于矿井环境探测的无线传感器网络的网络框架、拓扑结构和网络协议。

　　在矿井环境监测中通常需要对矿井风速、矿尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路，传递监测信息。生产过程中矿井结构在不停变化，加之有些坑道空间狭小，对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信链路发生故障，整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题，本文提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。使用无线传感器网络进行环境监控有三个显著的优势：(1)传感器节点体积小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对监控环境的人为影响很小；(2)传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以检测到局部环境详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有采集数据全面，精度高的特点；(3)无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控。传感器节点还具有无线通信的能力，可以在节点间进行协同监控[1]。节点的计算能力和无线通信能力使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应。即使矿井结构遭到破坏，仍能自动恢复组网，传递信息，为矿难救助等提供重要信息。无线传感器网络自身的这些特点特别适用于矿井环境监测。

1 无线传感器网络的框架结构

　　传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量的传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式组成网络。各个传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点进行逐跳传输，经过多跳后路由到汇聚节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测信息。各个节点协作完成监测任务。

　　应用于矿井环境监测的无线传感器网络，其系统结构、拓扑结构、节点结构、软硬件工作环境、网络协议和定位机制都必须满足矿井环境监测要求。在矿井环境监测过程中，随机分布的传感器节点定期地将监测到的数据(如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、井内温度和湿度等)发送到井外的汇聚节点。汇聚节点通过光纤、互联网或卫星将数据传输到管理节点即人工控制台和自动控制台。人工控制台对数据进行分析处理，实时准确监测井下环境指标，及时发布预警消息。

1.1 网络系统结构

　　一种适用于矿井环境监测的传感器网络系统结构如图1所示。这是一个层次型网络结构，最底层为部署在矿井工作面上的传感器节点，向上依次为传输网络和基站。根据矿井规模，基站信息还可以通过Internet连接到矿井环境监测中心。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度通常比较大，并且部署在若干个不相邻的监测区域内(如若干个矿井工作面)，从而形成多个传感器网络。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。基站负责搜集传输网络送来的所有数据，发送到Internet，并将传感数据的日志保存到本地数据库中。对于大规模矿井环境集中监测系统，传感器节点搜集到的数据通过Internet传送到中心数据库存储。中心数据库提供远程数据服务，科研人员可以通过接入Internet的终端使用远程数据服务，对数据进行进一步的分析处理。