煤矿井下无线传感器网络的研究.pdfVIP

·110· 工矿自动化 煤矿井下无线传感器网络的研究 徐钊王珠玲辛建锴 (中国矿业大学信电学院江苏徐州221008) 【摘要】 目前煤矿井下各种监控网络的传感器接入不灵活和跟进不方便等，仍然是系统的瓶 颈。通过对无线传感器网络体系结构的分析发现，运用它可使上述问题得到很好地解决。针对其在煤 矿井下应用的规律，提出了在掘进工作面、回采工作面、采空区和灾变区等环境中的典型应用方案， 讨论了诸如电磁干扰小的频段选择、动态重组能力、高效节能算法和有线Sink网关等特殊要求。进而 分析系统实现时需要解决的几个关键技术：超宽带无线传输技术、动态自组织路由技术、主干传输网 和Sink网关技术。 【关键词】 无线传感器网络动态自组织路由超宽带煤矿主干传输网 1 引 言 2无线传感器网络体系和结点结构 目前国内煤矿安全和生产监控等各种信息 一个典型的无线传感器网络的体系结构包 的采集和传输网络。基本上都是分支树型的主从 括分布式传感器结点(群)、Sink结点、传输网络 式结构：在控制中心设置主站。井下现场设置多 和监控中心用户界面等【2】。如图1所示。在无线 个测控分站。分站与每个传感器之间分别敷设专 传感器网络中，结点可通过飞机布撒，人工布置 用电缆，通过4～20mA或200～1000Hz的模拟信等方式，大量部署在感知对象内部或者附近。这 号传输信息，分站采集信息并转换成数字方式后 些结点通过自组织方式构成无线网络，以协作的 传送给主站。传感器接入不灵活、在煤矿工作面 方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信 实现跟进不方便等缺点。成为监控信息采集和传 息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采 输的瓶颈。 集，处理和分析。这种以自组织形式构成的网络， Sensor 通过多跳中继方式将数据传回Sink结点。最后 无线传感器网络(WSN．Wireless Networks)是当前国际上学术界和产业界共同关借助Sink链路将整个区域内的数据传送到远程 注的前沿研究热点【1】。它综合了传感技术、无线 控制中心进行集中处理。通常的传感器结点由电 通信技术和分布式信息处理技术等。能够通过各 池供电，一般需要连续工作3个月以上。因此发 类集成化的微型传感器相互协作，实时、全方位 射功率要被严格控制，只有很小的发射范围，而 地监测被测对象，感知的信息可由自组织的无线 Sink结点具有较高的电能，发射能力较强，可以 通信网络、以多跳中继的方式传送到监控中心。 把数据发回远程监控中心结点。 煤矿井下特别是工作面移动生产设备多。工作条 传感器结点的基本组成和功能包括如下几 件复杂，用传统方式对工作面安全参数进行监 个单元t3]：传感单元(由传感器和模数转换功能模 测，需要敷设大量电缆，这些电缆随着开采工作 块组成)、中央处理单元(由嵌入式系统构成，包 面的推进不断移动，经常会被砸断，影响监测连 括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元 续性，维护也十分不便。利用无线传感器网络可 (由无线收发模块组成)、以及电源部分，如图2 以克服以上困难，实现对煤矿工作面瓦斯、一氧 所示。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位 化碳、风力和温度等参数的实时监测。研究低成 系统、移动系统等。 本、高可靠的煤矿无线传感器网络，将大大提高 3煤矿井下无线传感器网络的典型应用方案和 煤矿安全监测和瓦斯预警的水