目前煤礦環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采用有線和固定傳感器組成的網(wǎng)絡(luò),由于工作面的不斷推進(jìn),存在著監(jiān)測盲區(qū)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線通信手段,可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染的區(qū)域、環(huán)境被破壞的區(qū)域或敵對(duì)區(qū)域),一些臨時(shí)場合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí),固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)和一些工作地點(diǎn)經(jīng)常變換的區(qū)域(如礦井采煤附井)等。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持,具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文討論一個(gè)適合在礦區(qū)運(yùn)用的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),主要傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、采用的通信協(xié)議和傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

　　1　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的小型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式的,用來監(jiān)視物理環(huán)境和相關(guān)現(xiàn)象并向觀察者或者處理中心報(bào)告測量結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有兩種結(jié)構(gòu):集中式控制結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)的普通節(jié)點(diǎn)比較簡單,而中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備復(fù)雜。集中式結(jié)構(gòu)的控制也簡單,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點(diǎn)控制按照約定好的順序進(jìn)行運(yùn)作,但節(jié)點(diǎn)的要求比較高。而分布式結(jié)構(gòu)中,根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少,又可分為平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建。平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單,所有結(jié)點(diǎn)的地位平等,所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu),其平面結(jié)構(gòu)如圖1-a所示。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差,每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其它所有結(jié)點(diǎn)的路由,維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息則需要大量的控制消息。

　　在分層結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)可劃分為多個(gè)簇。

　　每個(gè)簇由一個(gè)簇頭(黑點(diǎn)?)和多個(gè)簇成員(白點(diǎn))組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。在分層結(jié)構(gòu)中,簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),而簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量,因此具有很好的可擴(kuò)充性。分層結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)具有自組織性,相對(duì)來說比較靈活,但是通信比較繁瑣,控制麻煩。設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)之間的通信和傳感數(shù)據(jù)本身并不是非常重要,而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使終端用戶可以獲取被監(jiān)視環(huán)境的相關(guān)事件并通過一定的算法對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)測才是最重要的。因此本設(shè)計(jì)采用一種集中式的主從結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于分層結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的自組織需要很大的開銷,而且容易出現(xiàn)泛洪等問題,所以根據(jù)本設(shè)計(jì)中需要監(jiān)測的環(huán)境地點(diǎn)是確定的這一特點(diǎn),可以通過固定普通節(jié)點(diǎn)ID號(hào)的方法,確定了網(wǎng)絡(luò)的組織和連接。

　　2　通信協(xié)議為了降低節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,同時(shí)加快保證通信的速度,本設(shè)計(jì)不采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中TCP/IP協(xié)議。

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中放棄路由環(huán)節(jié),改由主節(jié)點(diǎn)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有序運(yùn)行。考慮環(huán)境監(jiān)測的目的,所以對(duì)數(shù)據(jù)的加密和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的控制也可以減少很多。在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)下,各節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。由主節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信請(qǐng)求(控制幀)。當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)接收到的控制幀,如果信息中的地址信息和自己的ID號(hào)(普通節(jié)點(diǎn)事先通過撥位開關(guān)或者程序固化的方式確定自己的ID號(hào))相同時(shí),此節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入發(fā)送模式,將信息(數(shù)據(jù)幀)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn),而ID信息不同的節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)監(jiān)聽接收。同時(shí),主節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完控制幀后就轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),等待響應(yīng)。當(dāng)其接收完普通節(jié)點(diǎn)的全部信息后,發(fā)送一個(gè)控制幀給普通節(jié)點(diǎn),以確定接受到信息,同時(shí)結(jié)束整個(gè)通信過程。另外,考慮到災(zāi)害預(yù)測信息監(jiān)測的特點(diǎn),有些時(shí)候普通節(jié)點(diǎn)要求發(fā)送一些緊急信息。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮到可以允許普通節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信。例如情況緊急時(shí),普通節(jié)點(diǎn)必須將報(bào)警信息(消息幀)馬上發(fā)回主節(jié)點(diǎn),以便采取相應(yīng)的措施。主節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)之間通信傳輸?shù)男畔?種格式:1為數(shù)據(jù)幀,2為控制幀,3為消息幀。三種幀三種幀信息中,數(shù)據(jù)幀和信息幀由普通節(jié)點(diǎn)發(fā)射,主節(jié)點(diǎn)接收。而控制幀是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)射,普通節(jié)點(diǎn)接收。控制幀分為4段,第一段說明使用4個(gè)bit的字節(jié)用來說明幀的類型,第二段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)屬于小型的,所以使1byte就可以了。第三段屬于報(bào)警信息,使用2byte長度。第四段屬于檢驗(yàn)段。消息幀也分為4段,第一段說明使用四位用來說明幀的類型,第二段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于控制信息,控制信息的長度也事先確定了,這樣可以簡化通信的難度,使用2byte長度。第四段屬于檢驗(yàn)段。數(shù)據(jù)幀分為5段,第一段說明使用四位用來說明幀的類型,第二段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于數(shù)據(jù)長度信息。因?yàn)殚L度數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)不多,因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相應(yīng)的增加,所以留出2byte的長度。第四段屬于數(shù)據(jù)段,長度由數(shù)據(jù)長度中的參數(shù)決定。第五段屬于檢驗(yàn)段。