煤矿WSN动态组网与传输关键技术研究

摘要：可靠、实时有效的信息传输是矿井复杂动态环境下作业安全监测、远程控制和应急救援的基础，是数字化矿山和地下无人开采技术的关键。本文研究矿山复杂环境条件下，高效、动态、灵活的组网与实时可靠的信息传输试验平台。自适应WIFI和WSN动态组网，实现有效覆盖和连通性保持控制及事故后快速自组网重构；有效地解决基于WIFI和WSN的矿山无线异构网络多跳数据、视频传输及分布式控制等关键技术问题；构建基于WIFI和WSN的矿井无线通信与救援支撑试验平台。

关键词：WIFI WSN 异构网络 动态覆盖

引言

矿山工业是国民经济支柱产业，对经济发展具有重要作用。随着国家对矿山安全重视程度不断加强，矿山企业陆续建立起各种安全监测，对保障矿山安全和生产起了重要作用。

近几年矿井建设的工业以太网综合自动化系统，利用环网增强通信的冗余性，建立了实时、可靠的传输骨干承载网。由于矿山井下作业环境复杂，有线通信网络无法达到一些区域，有限的监测点无法全方位监测采掘工作面等安全关键区域的灾害信息，现有的有线通信网在矿山井下范围内存在“盲区”，无法实现对工作面等关键区域的通信覆盖。

在矿山复杂环境条件下，高效、动态、灵活的组网与实时可靠的信息传输技术对无线传感器网络应用至关重要。作为无线传感器网络重要支撑技术，动态组网技术的研究是无线传感器网络的研发和产业化的理论基础，为无线传感器网络数据通信和节点标识提供保证。随着WIFI技术的发展，对基于WIFI和WSN的实时数据流转发机制、实时满足的带宽预留机制、高可靠多跳组网技术与网络冗余技术开展研究，可以有效地解决矿山无线网络多跳数据、视频传输的关键技术问题。

1、复杂环境下异构无线传感器网络体系结构

矿井无线传感器网络通常在恶劣、高危工作环境中，需要工作在地下，水，岩石以及各种混合介质的情况下，与一般的无线传感器网络工作条件存在巨大差异，需要对网络体系结构以及组网协议进行高效设计。

针对巷道/工作面的长形隧道的空间特点，研究矿井立体空间的覆盖控制、拓扑结构以及相关协议。在技术路线方面，拟采用图论、随机过程等数学工具和OPNET仿真软件，通过理论分析、计算机仿真来建立模型，进行仿真研究。在保证系统连通性的前提下实现最小能量覆盖控制，实现网络协议的交叉层设计。

拟采用平面结构与层次结构相结合的，兼有两者优点的新型网络协议，主要研究如何在平面结构中引入“虚拟簇”的概念，减少拓扑生成过程中使用的控制报文，降低网络通信开销。

开发一种平面路由协议和层次路由协议相结合的新型协议。即在主干路由节点中使用平面路由协议，在sink节点中使用层次路由模型。这样可以充分利用两种协议的优点。主干路由节点基本呈线性撒布，节点位置固定，使用平面路由协议完全可以胜任，同时资源消耗也较小。Sink节点在矿井中一般呈平面或立体分布，撒布密度大，位置变化频繁，适合使用层次路由模型，从而降低信息的传输时延，并简化节点的状态维护。

要求网络与协议具有自适应能力, 提出灵活、动态的网络和协议以适应物理层自适应调制、编码和接入方案。实现矿井无线地下传感器网络的有效覆盖和连通性保持控制及快速自组网重构。给出有效的障碍（Hazard）避免算法及变功率技术，以及在工作面、掘进面、采空区和顺槽等区域保证覆盖和连通性的有效方法。

2、无线传感器网络动态休眠与组网问题

在大规模的应用场景下，节点的休眠必须考虑到网络的整体覆盖率，保证重要区域的有效覆盖；但传统的休眠机制通常导致传输数据延时的增加，并不适用于及时检测突发事件的发生，也无法对网络中某个节点进行控制，因此研究动态休眠机制，节约网络消耗的能量，同时保证网络覆盖率，保证对突发事件的及时响应是研究无线传感器网络休眠需要解决的问题。

为了实现无线传感器网络的动态休眠，我们采取的是主动唤醒与等待相结合的机制，传感器网络部署以后，将网络分成大小不一的区域，设置区域首节点，并由其负责区域内节点的休眠调度，区域首节点之间由Sink节点负责协调休眠调度，这样采用一种合理的休眠调度算法，保证网络覆盖同时达到休眠节约能量的目的。

3、基于WIFI和WSN的矿井无线通信与救援支撑平台

传感器网络硬件平台的设计主要是传感器节点的设计，研究设计出具有微型化、扩展性和灵活性、稳定性和安全性及低成本特点的传感器节点。研究无线传感器网络中间件技术，建立无线测控网络系统，实现信息采集自动部署、自组织 传输和智能控制。

3.1信息感知节点硬件系统

在系统和国外相应产品的基础上，选择功耗低、尺寸小、性能优良的处理器、无线收发和存储芯片，设计构建适用于矿井环境下的信息感知节点的硬件框架，并实现信息感知节点的硬件设计，信息感知节点基本配置示意如上图所示。同时密切关注超宽带和IEEE802.15.4等技术的发展，并寻求应用到网络中的可能性。

3.2接入网关

接入网关sink应具有无线收发和接入煤矿通信网络的能力。依据目前煤矿通信网络采用环形冗余工业以太网的实际，如图示，设计的sink使用的32位ARM9芯片作为系统控制核心，采用嵌入式Linux实时操作系统，支持10/100M以太网接口，而且增加了必要的数据采集和处理部分。

4、结语

通过wsn动态组网与传输关键技术研究为建立煤矿监控系统实现1、长期获取煤矿巷道各种参数信息；2、对煤矿爆炸等事故做出预警提供了可能。针对煤矿支巷道的无线传感器网络多参数监测系统，具有可靠性高、覆盖性好和扩展性强等优点，适合于矿井巷道局部监测井下瓦斯，粉尘等参数环境。

参考文献：

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