目前煤礦環境監控系統大多采用有線和固定傳感器組成的網絡,由于工作面的不斷推進,存在著監測盲區。無線傳感器網絡采用無線通信手段,可應用于布線和電源供給困難的區域、人員不能到達的區域(如受到污染的區域、環境被破壞的區域或敵對區域),一些臨時場合(如發生自然災害時,固定通信網絡被破壞)和一些工作地點經常變換的區域(如礦井采煤附井)等。因為無線傳感器網絡不需要任何固定網絡的支持,具有快速展開、抗毀性強等特點。本文討論一個適合在礦區運用的低功耗無線傳感器網絡的設計,主要傳感器網絡的網絡結構、采用的通信協議和傳感器節點的設計。
1 網絡結構
無線傳感器網絡是由大量的小型傳感器節點組成,采用無線數據傳輸方式的,用來監視物理環境和相關現象并向觀察者或者處理中心報告測量結果的網絡。
無線傳感器網絡主要有兩種結構:集中式控制結構和分布式結構。集中式結構的普通節點比較簡單,而中心節點設備復雜。集中式結構的控制也簡單,整個網絡由主節點控制按照約定好的順序進行運作,但節點的要求比較高。而分布式結構中,根據節點數目的多少,又可分為平面結構和分層結構構建。平面結構的網絡比較簡單,所有結點的地位平等,所以又可以稱為對等式結構,其平面結構如圖1-a所示。它的缺點是可擴充性差,每一個結點都需要知道到達其它所有結點的路由,維護這些動態變化的路由信息則需要大量的控制消息。
在分層結構中,網絡可劃分為多個簇。
每個簇由一個簇頭(黑點?)和多個簇成員(白點)組成。這些簇頭形成了高一級的網絡。在分層結構中,簇頭結點負責簇間數據的轉發,而簇成員只負責數據的采集。這大大減少了網絡中路由控制信息的數量,因此具有很好的可擴充性。分層結構中網絡具有自組織性,相對來說比較靈活,但是通信比較繁瑣,控制麻煩。設計對環境進行監測的無線傳感器網絡,節點之間的通信和傳感數據本身并不是非常重要,而對數據進行分析,使終端用戶可以獲取被監視環境的相關事件并通過一定的算法對環境變化進行預測才是最重要的。因此本設計采用一種集中式的主從結構。這個結構相當于分層結構的一種改進。因為網絡的自組織需要很大的開銷,而且容易出現泛洪等問題,所以根據本設計中需要監測的環境地點是確定的這一特點,可以通過固定普通節點ID號的方法,確定了網絡的組織和連接。
2 通信協議為了降低節點的設計復雜度,同時加快保證通信的速度,本設計不采用傳統的網絡中TCP/IP協議。
整個網絡中放棄路由環節,改由主節點控制整個網絡的有序運行?？紤]環境監測的目的,所以對數據的加密和網絡安全協議的控制也可以減少很多。在網絡正常運行狀態下,各節點都處于接收狀態。由主節點每隔一段時間向各個節點發起通信請求(控制幀)。當普通節點接收到的控制幀,如果信息中的地址信息和自己的ID號(普通節點事先通過撥位開關或者程序固化的方式確定自己的ID號)相同時,此節點轉入發送模式,將信息(數據幀)發送給主節點,而ID信息不同的節點則繼續監聽接收。同時,主節點在發送完控制幀后就轉入接收狀態,等待響應。當其接收完普通節點的全部信息后,發送一個控制幀給普通節點,以確定接受到信息,同時結束整個通信過程。另外,考慮到災害預測信息監測的特點,有些時候普通節點要求發送一些緊急信息。所以設計時考慮到可以允許普通節點發起通信。例如情況緊急時,普通節點必須將報警信息(消息幀)馬上發回主節點,以便采取相應的措施。主節點和普通節點之間通信傳輸的信息幀有3種格式:1為數據幀,2為控制幀,3為消息幀。三種幀三種幀信息中,數據幀和信息幀由普通節點發射,主節點接收。而控制幀是由主節點發射,普通節點接收?？刂茙譃?段,第一段說明使用4個bit的字節用來說明幀的類型,第二段用來表示信息發送的目的地址段,因為網絡屬于小型的,所以使1byte就可以了。第三段屬于報警信息,使用2byte長度。第四段屬于檢驗段。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。第四段屬于檢驗段。數據幀分為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送的目的地址段,第三段屬于數據長度信息。因為長度數據傳輸的次數不多,因此傳輸的數據量相應的增加,所以留出2byte的長度。第四段屬于數據段,長度由數據長度中的參數決定。第五段屬于檢驗段。
