無線自組網(wǎng)在煤礦上的應(yīng)用

摘 要：隨著RFIC技術(shù)的發(fā)展，無線射頻芯片得到了廣泛的應(yīng)用，傳感器、智能儀表無線化成為未來發(fā)展的主流。礦用傳感器由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，無線傳感器與傳統(tǒng)的有線傳感器相比具有無需布線、安裝方便、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：WaveMesh；無線自組網(wǎng)；路由協(xié)議；同步休眠；異步休眠

引言

隨著RFIC技術(shù)的發(fā)展，無線射頻芯片得到了廣泛的應(yīng)用，傳感器、智能儀表無線化成為未來發(fā)展的主流。礦用傳感器由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，無線傳感器與傳統(tǒng)的有線傳感器相比具有無需布線、安裝方便、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。WaveMesh是針對于低功耗、低成本的無線移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議，該協(xié)議定義了鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇橥耆植际健Φ鹊木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

1 無線自組網(wǎng)簡介

Wave Mesh采用專有路由協(xié)議，能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)中的路由冗余，具有優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)自愈性、穩(wěn)定性和極佳的數(shù)據(jù)吞吐量，所有的設(shè)備上電即工作，支持多級(jí)路由和幾萬節(jié)點(diǎn)的超大組網(wǎng)規(guī)模。物理層采用了很多先進(jìn)的無線通信技術(shù)如跳頻、自適應(yīng)速率、無線喚醒（非前導(dǎo)碼和單音）、交織糾錯(cuò)編碼等；鏈路層采用防碰撞機(jī)制，具有優(yōu)異的抗干擾能力。擁有靈活的休眠技術(shù)，所有的組網(wǎng)設(shè)備都可以休眠，有同步和異步兩種休眠模式。

2 無線自組網(wǎng)的特點(diǎn)

無線自組網(wǎng)具備分布式對等網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)容量大、多級(jí)路由、節(jié)點(diǎn)任意移動(dòng)、功耗低、自適應(yīng)速率、健壯和自愈性好等特點(diǎn)。

3 無線自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線路由協(xié)議

經(jīng)過很多年的實(shí)際應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)積累，WaveMesh協(xié)議針對不同的典型行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，形成了一系列的協(xié)議簇，如針對于無線抄表、傳感網(wǎng)絡(luò)、智能農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制等行業(yè)應(yīng)用推出的AMR協(xié)議；針對大規(guī)模超低功耗的移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用設(shè)計(jì)的CSN協(xié)議等。

3.2 休眠控制

3.2.1 異步休眠

異步休眠模式下，無線模塊會(huì)周期性地自動(dòng)醒來一個(gè)很小的時(shí)隙去監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的無線信號(hào)，在必要時(shí)進(jìn)入正常工作模式。在此模式中，休眠時(shí)間片和監(jiān)聽時(shí)間片的比值被稱為睡醒比。如圖2。

3.2.2 同步休眠

同步模式下無線模塊的休眠時(shí)間片是嚴(yán)格同步的，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間片誤差要求小于5ms。時(shí)間片的同步通過同步休眠廣播報(bào)文實(shí)現(xiàn)，該報(bào)文會(huì)在每個(gè)工作時(shí)間片結(jié)束時(shí)刻由集中器或網(wǎng)關(guān)向全網(wǎng)逐級(jí)進(jìn)行廣播。同步休眠廣播報(bào)文攜帶本次休眠時(shí)間片的長度。如圖3。

4 無線自組網(wǎng)在煤礦上的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)（如圖4）

煤礦行業(yè)相較于其他行業(yè)來說，井下環(huán)境較為復(fù)雜，使用條件也較為苛刻。從井下環(huán)境的特殊性、工程施工及后期維護(hù)等方面考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3層設(shè)計(jì)方案。無線傳感器安裝在巷道、采面或其它需要檢測的地方，監(jiān)測子站用于接收無線傳感器數(shù)據(jù)并通過RS485方式與無線采集分站通訊，同時(shí)監(jiān)測子站的電源由無線采集分站供應(yīng)。這么做的好處是隨著采面的回踩，工程維護(hù)人員只需移動(dòng)監(jiān)測子站和無線傳感器即可，避免了頻繁取電、移動(dòng)電源等。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸模型

4.2.1 階梯式傳輸（如圖5）

階梯式傳輸類似于異步喚醒，但兩者之間存在不同。建立在喚醒時(shí)間、接收發(fā)射控制流程之上，由于各級(jí)節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間不同，可保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中任一時(shí)間單位只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)而其他節(jié)點(diǎn)處于接收數(shù)據(jù)模式，從而最大程度避免數(shù)據(jù)碰撞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于如何精確控制各級(jí)節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)增加減少節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)順序發(fā)生變化時(shí)，傳輸網(wǎng)絡(luò)如何最快的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑，保證數(shù)據(jù)正常傳輸而不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路中斷。

4.2.2 同步休眠傳輸（如圖6）

基于同步休眠機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)同步喚醒后進(jìn)入正常時(shí)間片工作流程，喚醒時(shí)間誤差小于5ms，休眠時(shí)間片通過集中器或網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一管理。

4.3 智能化

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化是指借助各種傳感器、微控制器、無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳至監(jiān)控主機(jī)。主機(jī)通過分析各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)并根據(jù)事先設(shè)定好的事件處理邏輯，進(jìn)行一定的作業(yè)流程。實(shí)現(xiàn)在無人工參與的情況下處理事件的能力。

4.4 實(shí)時(shí)可靠性

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)可靠性對整個(gè)系統(tǒng)來說非常重要。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過尋址相鄰的節(jié)點(diǎn)，自主尋找路徑，避讓故障節(jié)點(diǎn)，自主跳傳，數(shù)據(jù)備份、應(yīng)答、休眠喚醒、對時(shí)和信號(hào)沖突避免與糾錯(cuò)等機(jī)制。多徑傳輸和節(jié)點(diǎn)跳傳可以保證數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)效性，并降低功耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性和安全性。確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.4.1 多徑傳輸

如圖7所示，從A到B有多條路徑可以到達(dá)且沒有閉環(huán)回路、允許多條路徑相交。每個(gè)節(jié)點(diǎn)多會(huì)選擇盡可能多節(jié)點(diǎn)作為自己的下一跳路由，數(shù)據(jù)報(bào)文可以在多條路徑之間動(dòng)態(tài)切換，能夠并行傳輸。

4.4.2 節(jié)點(diǎn)跳傳

在煤礦應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)樹形監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。如采面支柱的壓力監(jiān)測或巷道頂?shù)装宓膲毫ΡO(jiān)測等。如圖8所示，在每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的無線覆蓋范圍內(nèi)都有兩個(gè)可以與之直接通訊的無線節(jié)點(diǎn)。此種做法可以保證，其中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，不會(huì)對周圍節(jié)點(diǎn)造成干擾，依然可以保證無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)正常的上傳，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和健壯性。

5 結(jié)束語

經(jīng)過上述無線自組網(wǎng)的理論分析與研究，基于MaveMesh架構(gòu)的無線自組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在非煤各行業(yè)應(yīng)用，并取得了初步的成果。但在煤礦應(yīng)用才起步不久，探索一條適應(yīng)煤礦應(yīng)用的道路需要結(jié)合煤礦自身的應(yīng)用特點(diǎn)和使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。該技術(shù)在降低礦方維護(hù)量、施工量和靈活性上都有著突出的優(yōu)點(diǎn)。無線自組網(wǎng)為煤礦井上井下網(wǎng)絡(luò)一體化奠定了基礎(chǔ)，但同時(shí)還存在一些問題，比如電源管理、功耗控制、智能化方面依然存在不足，需要在不斷應(yīng)用和探索中逐步完善。

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作者簡介：嚴(yán)春（1963-），男，江蘇常州人，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：煤礦井下傳感器、數(shù)據(jù)采集分站及安全監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)等。