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摘要:本文針對煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、通信難等情形,改進(jìn)了以往的煤礦無線傳感器網(wǎng)絡(luò),設(shè)計并實現(xiàn)了一種新的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。本文重點研究了井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在路由協(xié)議、定位、能耗等方面的改進(jìn),最后運用仿真平臺驗證改進(jìn)結(jié)果。實踐表明,優(yōu)化后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能更大程度地降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗,提高礦下節(jié)點的定位精度,具有一定的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:wsn;ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);定位
1引言
如何提高井下煤礦作業(yè)的安全性是關(guān)乎國計民生的大事。目前,國內(nèi)大部分礦井作業(yè)檢控系統(tǒng)都是部署的有線環(huán)境,伴隨礦采的深入,有線網(wǎng)絡(luò)會限制系統(tǒng)的擴展,降低部署的靈活性,導(dǎo)致覆蓋率降低等。采用無線傳感網(wǎng)可以一定程度上解決這些問題,ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸效率較高,同時具有能耗低、協(xié)議簡單、成本低廉、擴展性高等優(yōu)勢。相比于當(dāng)前的礦下檢測單元,無線傳感網(wǎng)的自組網(wǎng)能力使得網(wǎng)絡(luò)更小型化,更適合大規(guī)模部署。因此,本文將采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用于煤礦安全信息系統(tǒng)的設(shè)計中?;跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2系統(tǒng)設(shè)計
2.1節(jié)點設(shè)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(chǔ)模塊包括無線射頻、電源模塊、天線以及復(fù)位開關(guān)等。基于該主板的傳感器單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該終端預(yù)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(shù)無線射頻模塊的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是IEEE802.15.4。從降低開發(fā)成本、縮減開發(fā)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(yè)內(nèi)規(guī)范的加強型8051MCU與RF收發(fā)模塊,它的發(fā)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(tài)下電流損耗不超過0.6uA。2.4GHz下的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)240KB/s,這些指標(biāo)能夠覆蓋系統(tǒng)性能需求。不同于終端節(jié)點,網(wǎng)關(guān)需要協(xié)調(diào)與控制中心之間的協(xié)作,因而本文有必要在硬件設(shè)計基礎(chǔ)上添加另一個通信端口,因為該產(chǎn)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(yīng)用。因此,選擇RS-232和USB接口會比較合適。Sink單元的硬件構(gòu)成如圖3所示。上述單元是Sink單元所在主板的硬件結(jié)構(gòu),極個別情況下,應(yīng)用程序也允許將它視為一個常規(guī)節(jié)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(jié)構(gòu)作為一個集群節(jié)點模塊,上述圖中構(gòu)成并沒有搭載任何的傳感器;主板上構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)接口連接接入以太網(wǎng)。GSM單元主要運用GPRS或4G數(shù)據(jù)傳輸能力,如果能夠接入終端傳感器網(wǎng)絡(luò)或者熱點,則可以遠(yuǎn)程控制或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析。
2.2路由協(xié)議設(shè)計
礦下由于特殊的地理環(huán)境,所部署的WSN會不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,需要綜合跨層設(shè)計,以盡可能提高性能。礦井狹長結(jié)構(gòu)決定了其無線傳感網(wǎng)比較適合采用LEACH層次路由協(xié)議,可以較快構(gòu)建路由,然而LEACH協(xié)議中隨機選擇的簇頭節(jié)點如果距離基站較遠(yuǎn),其能耗會更大。本文改進(jìn)了LEACH協(xié)議,一定程度上降低了網(wǎng)絡(luò)整體能耗,使之更適合礦井作業(yè)。為了降低簇頭負(fù)載,在分簇時引入距離因子,使得可以隨時地調(diào)整分簇參數(shù)值,達(dá)到越靠近基站分簇數(shù)目越少的效果,同樣地,距離越遠(yuǎn),分簇相對越多。而且,新的算法會關(guān)聯(lián)簇的平均剩余能量,將其加入簇頭選舉策略中,算法規(guī)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(wǎng)絡(luò)能耗,也確保了網(wǎng)絡(luò)能更加穩(wěn)健。圖4描述了優(yōu)化后的LEACH協(xié)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(huán)境下的LEACH協(xié)議改進(jìn)前后的性能變化效果。在120*10m2長方形場所內(nèi)隨機部署了240個節(jié)點,其中基站節(jié)點部署在長方形區(qū)域外大約10m位置,協(xié)議每次發(fā)送大小為2kbit的數(shù)據(jù)包,路由包大小為100位。圖5描述的是仿真實驗中的剩余節(jié)點數(shù)目變化過程,從圖中得知,優(yōu)化后的LEACH協(xié)議中節(jié)點能量耗盡的時刻比一般的LEACH路由協(xié)議要晚一些,曲線梯度變化較為平滑,可以推測優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)在煤礦等復(fù)雜場地下會更為穩(wěn)健。
2.3礦下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位
一般地,礦下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在通訊、計算、容量等方面都與服務(wù)器有所不足,不能將常規(guī)的無線網(wǎng)絡(luò)定位方式應(yīng)用于礦下節(jié)點定位。因此,設(shè)計適合礦井環(huán)境特點的定位算法意義重大。
2.3.1定位算法設(shè)計由于RF發(fā)射能力是大部分礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都具備的基礎(chǔ)能力,且考慮到RSSI定位算法可有效定位精度為50m內(nèi),所以本文決定運用RSSI算法來實現(xiàn)井下定位。RSSI定位算法具有不少優(yōu)點,比如成本低廉,實現(xiàn)簡單,但是其缺點是容易受環(huán)境影響,導(dǎo)致測距與實際差距比較大?;诖?,本文用礦井實際環(huán)境中的有效的動態(tài)路徑衰減參數(shù)來替換常規(guī)的路徑衰減指數(shù)經(jīng)驗值,應(yīng)用于路徑衰減模型,來測量移動節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點之間的距離,定位結(jié)果更為精確。首先等間距部署礦下信標(biāo)節(jié)點,并依次編號:...,S-2,S-1,S,S+1,S+2,...其中D代表信標(biāo)節(jié)點間的距離,RSSIi代表節(jié)點i的RSSI均值。一旦信標(biāo)節(jié)點接收到的相鄰節(jié)點的RSSI均值超過了預(yù)置的閾值,則用下列公式替換原有的路徑衰減指數(shù)β:
2.3.2改進(jìn)定位算法精度本文仍采用MATLAB仿真平臺來模擬分析礦井環(huán)境下的定位算法,并與一般的RSSI定位算法進(jìn)行精度對比。實驗中,信標(biāo)節(jié)點依次20m等間距部署,這種部署方式可保證每個信標(biāo)節(jié)點至少能與相鄰的4個節(jié)點通信,礦井巷子寬度依次調(diào)整為5、10、15m,優(yōu)化前后仿真結(jié)果比對如表1所示。在礦井巷子寬度為5m時,優(yōu)化后的RSSI算法的定位誤差在1.5m內(nèi)的概率達(dá)到了95.78%,而一般的RSSI算法只有74.38%,表明優(yōu)化后的RSSI算法能夠較大幅度地提升定位性能。
3結(jié)語
本文首先分析了礦下作業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用需求,研究并優(yōu)化了傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸效率、路由、定位精度等問題。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括智能、廉價、功耗低的無線傳感器節(jié)點以及Zigbee無線傳感網(wǎng)。整個系統(tǒng)圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù),具有較好的靈活性、可維護(hù)性和可擴展性。本文最后在MATLAB仿真平臺上進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)部署與協(xié)議性能、算法精度比對。仿真結(jié)果表明,優(yōu)化后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點能耗、網(wǎng)絡(luò)生存周期等方面有所改進(jìn),同時定位精度提升較為顯著,對礦下安全監(jiān)控有一定的應(yīng)用價值。
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作者:田達(dá) 單位:晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司