礦井無線傳感器網絡建構方法

鄭歡歡 高燕

（榆林學院信息工程學院 陜西省榆林市 719000）

1 礦井無線傳感器網絡結構

礦井無線網絡傳感網絡主要是由監控區域、網絡匯聚節點、數據采集節點等模塊構成。結合礦井安全的要求，無線傳感網絡要求能覆蓋整個礦井，其中監控區域內的數據采集終端有通信信標節點和移動通信節點，它們是礦井無線傳感網絡關鍵部分，主要完成對礦井環境信息數據的實時監測，并將監測的數據及時傳送到服務器，同時還要能夠實時確定井下人員的位置信息，以及工作人員能夠利用通信設備與安全檢測平臺進行通信。信息采集終端的功能是將采集的信息傳輸到匯聚節點，最后將各種信息進行匯總傳輸到監控中心。在具體的通信過程中，不僅要將礦井內的環境信息、工作人員的位置信息上傳到監控中心，還需要與礦井下的工作人員建立無線通信聯系。具體的礦井無線傳感網絡結構如圖1 所示。

2 礦井無線傳感器網絡通信協議技術

針對礦井無線傳感器網絡的設計采用了MAC 協議，來處理網絡通信的數據沖突，減少網絡通信的延遲，提高無線網絡的通信效率。

2.1 通信協議設計

針對礦井下通信感應節點較多，容易引起網絡擁擠與沖突、消耗節點能量、導致網絡通信延遲，影響礦井監控數據傳輸的實時性。在無線傳感網絡通信協議設計時，采用MAC 通信協議機制，運用競爭信道使用權來解決數據傳輸沖突的問題，并利用PN 碼的GOLD 數據排列序列對數據傳輸進行控制，通過設計計碼庫對數據進行排序，能實時、動態的給每一個參與通信的信道分配能識別身份的序列碼，在接收端通過檢測序列碼就能獲得相應的數據檢測包，對傳輸的數據進行平行性、相關性檢測，通過解碼處理，完成數據的接收處理，具體如圖2 所示。在數據處理的過程中，在接收端設置的閾值大于處理的數據包設定時，傳輸的數據包即為所接收的數據，如果設定的值較小時，就容易發生沖突，就會產生多個相鄰節點共用一個序列碼，接收節點只能逐個按照相關性對排列的序號進行檢測，并構建相應的數據時間調度表，然后按照授權，各個節點在相應的時隙傳輸數據，從而完成整個數據包的傳輸與接收。

2.2 通信協議性能

在完成無線傳感網絡通信協議后，需要驗證MAC 協議的性能。利用仿真平臺對礦井的真實環境進行模擬，構建了長15m 的通信巷道，并在內部署1 個無線接收節點，在礦井的深處布置100 個無線信號發送節點，這樣在礦井中就形成了101 個無線網絡通信節點的多跳無線網絡節點，通過系統節點在1 個時隙發送大小為20B 的數據包，分析改進的MAC 通信協議的性能，在數據接收的過程時間延遲對比中，改進的MAC 通信協議有著明顯的不同，如圖3 所示。

通過對比可以發現，在網絡傳輸的數據節點較少時，網絡通信處于不飽和狀態，網絡的沖突較少，二者保持在同一水平上，但隨著發送的數據包不斷增加時，不同節點之間的競爭明顯加強，由圖3 可以看出，改進的MAC 通信協議的時間延遲基本不變，采用MAC 協議能夠明顯的提高無線傳感網絡的通信效率。

圖1：礦井無線傳感網絡數據匯集結構

圖2：數據傳輸中平行相關性檢測結構

圖3：兩種通信協議的數據傳輸延遲比較

3 礦井無線傳感器路由協議

路由協議是保證無線網絡傳感通信的關鍵，由于礦井環境地形狹長、通信節點眾多、網絡拓撲變化快，對信號的傳輸提出了更高的要求，根據礦井的特點，降低節點通信的能量，延長通信節點的服務時間的路由算法，才能完成無線通信的基本要求。

3.1 路由協議設計

由于礦井的環境與傳統網絡設計的環境不同，需要跨層整體設計，綜合網絡通信的延遲、環境狹長的缺點，才能獲得最優性能。在設計礦井無線傳感路由時，選用LEACH 層次路由協議，能夠適應狹長的礦井環境，也能快速的建立路由，使得構建網絡比較便捷、快速，形成穩定的通信網絡，但如果采用LEACH 構建的網絡，而隨機篩選出的簇頭如果遠離基站，數據傳輸過程中容易產生能耗過大的情況。因此，需要對LEACH 協議進行改進，以達到降低礦井下節點能耗的目的，同時還要滿足礦井通信的要求，在LEACH 協議的中分簇方案中引入距離因子，對分簇的閾值進行調整，提高基站遠距離的分簇，為提高通信效率，在各簇的平均剩余能量中引入簇頭競爭方式，能有有效地保證網絡的穩定性。

3.2 路由協議性能

針對改進后的路由協議，利用MATLAB 仿真平臺模擬礦井環境，選擇合適的參數對其進行測試，主要是對改進的LEACH 協議的合理性與優越性進行驗證。在礦井區域中構建一個長120m、寬15m 的通信信道，根據無線網絡通信的要求，部署240 個通信節點，并將通信的基站設置在狹長區域外10m 位置處，在測試時，發送大小為2000B 的數據包，同時發送的大小為100B 的路由包，在通信的過程中，測試路由傳輸數據沖突進行情況。測試中通信節點個數簇頭的變化情況，具體地測試如圖4 所示，可以看出，采用傳統的路由協議，簇頭通過路由的能力較低，也就會造成通信的擁擠，利用改進的LEACH 路由協議時，明顯的改進數據傳輸的效率，網絡中出現死亡節點的數量較少，而且網絡延遲也比傳統的LEACH路由協議要減少很多，且改進后的LEACH 路由協議曲線比較平滑，表明在網絡通信中，信號的傳輸比較穩定，也能較好地適應礦井的復雜環境，對于移動通信的信號效果也比較好。

圖4：路由協議性能中簇頭的存活對比分析

3.3 礦井無線傳感器定位技術

構建礦井無線網絡的目標是能有效的對礦井內的節點進行定位，為提高礦井無線傳感器網絡節點的通信、計算、存儲能力，準確地對礦井內的目標進行定位，需要重新設計可靠的算法，才能滿足通信系統的要求，如果采用傳統的無線傳感網絡，雖然能夠滿足通信的要求，但是無法對目標進行定位，設計實用、可靠的定位算法十分必要，才能滿足具體的需要。

（1）定位算法設計。針對礦井下的環境特征，可以對RSSI 算法進行改進，針對信號衰減的情況，移動節點到信標節點的距離，來控制礦井內信號傳輸動態衰減的情況，由于礦井無線傳感器網絡節點也采用的是RSSI 算法，大多傳感節點都具有RF 發射能力，在礦井內的50m 范圍定位內，采用RSSI 算法都能滿足要求。因此，在具體的設計中，采用RSSI 定位算法，可以快速的對礦井下的目標進行定位，RSSI 定位算法雖然成本低，也比較容易實現，但算法的穩定性比較差，容易受環境的影響較大，特別是在礦井環境下，容易導致測距誤差變大。通過對RSSI 定位算法進行改進，以提高測距的穩定性，通過利用路徑衰減模型計算方法，用礦井實際環境的動態路徑衰減指數取代RSSI 算法中原有的經驗路徑衰減指數，擴大定位算法中的路徑衰減指數，進行定位計算，以保證數據定位的結果穩定。在具體的設計過程中，對礦井的信標節點采用鏈式等間距部署，并將間距進行合理的設置，將各個節點的連續編號為…、S-2、S-1、S、S+1、S+2…，并將相鄰的信標節點間距離設置為D，詳細記錄每一個節點i 的RSSI 均值，然后就可以利用公式計算出每一個節點的閾值，如果某個信標節點接收到的鄰近節點的RSSI均值超過了設定的閾值，就可以十分方便的計算出信標節點之間的通信路徑衰減指數β，具體的計算方法如下：

（2）改進定位算法性能測試。為了對定位算法改進后的性能進行測試，采用MATLAB 仿真平臺對該算法進行測試，通過對礦井的區域環境進行模擬定位仿真，在測試將改進的算法與傳統的RSSI 算法進行測試，在測試的過程中，將礦井下的通信信標節點按20m 等間距均勻部署，結合礦井的定位要求，保證每個通信的信標節點至少可與鄰近4 個節點通信相鄰，要求它們之間的通信方向衰減相同，才能保證通信的穩定性，在測試時，分別在礦井巷道寬度為5、10、15m 的位置部署信標節點，并進行測試實驗，通過對兩種算法的結果進行對比分析，當在礦井巷道寬度為5m 時，傳統的SRRI 定位算法的誤差在2.8m 以上，準確率在74.2%作用，而改進的RSSI 定位算法的定位能夠控制在1m 的范圍內，準確的概率達到了95.78%，這充分的說明改進的RSSI 定位路由算法效率較好，可以明顯提升定位性能，有利于提高礦井無線網絡的穩定性。

4 結束語

將礦井無線傳感器網絡互連一體，對提高礦井施工的安全性具有十分重要的作用，根據礦井安全監控平臺中無線傳感器網絡的應用特點，結合礦井區域網絡環境的要求，對礦井中無線傳感網絡功能進行分析，為提高通信網絡的穩定性，對網絡的通信協議、路由協議、網絡定位問題等進行改進，并通過實驗測試，發現改進后的算法能夠滿足通信要求的要求，從而能夠有的實現礦井現場人員的定位與礦井施工安全的遠程監控。