用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　根據(jù)實(shí)際情況，在多路徑的路由機(jī)制和SPEED路由協(xié)議之間做出權(quán)衡。在日常的定期監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋中，注重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性，采用多路徑路由機(jī)制即可滿足要求。當(dāng)突發(fā)情況產(chǎn)生，需要實(shí)時(shí)精確了解井下情況時(shí)，則需要采用SPEED路由協(xié)議。根據(jù)實(shí)際情況可通過路由協(xié)議自主切換模塊在不同的路由協(xié)議之間自由切換。

3.2 基于分簇的TDMA機(jī)制MAC協(xié)議

　　由于該傳感器網(wǎng)絡(luò)采用骨干節(jié)點(diǎn)、非骨干節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其底層的MAC層協(xié)議也是基于這種分簇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于在礦井這個(gè)特定的環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)不會(huì)輕易移位，即一旦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)位置穩(wěn)定，新節(jié)點(diǎn)加入的概率很小，因此可采用基于TDMA機(jī)制的MAC協(xié)議。

　　在基于分簇的TDMA機(jī)制MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分為感應(yīng)、轉(zhuǎn)發(fā)、感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)和非活動(dòng)四種狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)在感應(yīng)狀態(tài)時(shí)，采集數(shù)據(jù)并向其相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送；在轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；在感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，需要完成上述兩項(xiàng)功能；節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)需要接收和發(fā)送時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入非活動(dòng)狀態(tài)。

　　非骨干節(jié)點(diǎn)在各自的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送監(jiān)測到的數(shù)據(jù)給骨干節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸，骨干節(jié)點(diǎn)收齊它所管轄范圍內(nèi)的非骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，運(yùn)行數(shù)據(jù)融合算法來處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果直接發(fā)送給上一層骨干節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的失效會(huì)使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。為使時(shí)槽分配能夠適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化，將一個(gè)時(shí)間幀分為周期性的四個(gè)階段:數(shù)據(jù)傳輸階段、刷新階段、刷新引起的重組階段和事件觸發(fā)的重組階段。MAC協(xié)議在刷新和重組階段重新分配時(shí)槽以適應(yīng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化。

4 定位機(jī)制

　　當(dāng)井下發(fā)生瓦斯泄漏事件時(shí)，必須盡快找到瓦斯泄漏點(diǎn)進(jìn)行搶修。此時(shí)探測到瓦斯?jié)舛茸罡叩墓?jié)點(diǎn)必然是距離瓦斯泄漏點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)要發(fā)送位置信息給管理節(jié)點(diǎn)。

　　為得到節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)位置信息，在每個(gè)工作面安裝三個(gè)或三個(gè)以上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號。無線射頻信號中含有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，而超聲波只是單純的純脈沖信號。由于射頻信號的傳輸速率遠(yuǎn)大于超聲波的傳輸速率，節(jié)點(diǎn)在接收到射頻信號時(shí)，同時(shí)打開超聲波信號接收機(jī)，根據(jù)兩種信號到達(dá)時(shí)間的間隔和各自的傳播速度，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后，利用三邊法計(jì)算節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[1]。最后進(jìn)行修正，得到精確的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗低，可以自行組網(wǎng)，具有良好的可靠行和可維護(hù)性。它的出現(xiàn)為礦井環(huán)境監(jiān)測提供了一種部署簡單、可靠性高的全新手段。

參考文獻(xiàn)　

　　1 孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).北京：清華大學(xué)出版社，2005

　　2 Arisha K A，Youssef M A，Younis M F.Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks.In：Proc IEEE work-shop on integrated management of power aware communications，computing and networking，New York，NY，2002
3 Kumar R，Wolenetz M，Agarwalla B et al.Dfuse：A framework for distributed data fusion.In:Proc 1st ACM conf on embedded networked sensor systems，Los Angeles，CA，2003