目前煤矿环境监控系统大多采用有线和固定传感器组成的网络,由于工作面的不断推进,存在着监测盲区。无线传感器网络采用无线通信手段,可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染的区域、环境被破坏的区域或敌对区域),一些临时场合(如发生自然灾害时,固定通信网络被破坏)和一些工作地点经常变换的区域(如矿井采煤附井)等。因为无线传感器网络不需要任何固定网络的支持,具有快速展开、抗毁性强等特点。本文讨论一个适合在矿区运用的低功耗无线传感器网络的设计,主要传感器网络的网络结构、采用的通信协议和传感器节点的设计。
1 网络结构
无线传感器网络是由大量的小型传感器节点组成,采用无线数据传输方式的,用来监视物理环境和相关现象并向观察者或者处理中心报告测量结果的网络。
无线传感器网络主要有两种结构:集中式控制结构和分布式结构。集中式结构的普通节点比较简单,而中心节点设备复杂。集中式结构的控制也简单,整个网络由主节点控制按照约定好的顺序进行运作,但节点的要求比较高。而分布式结构中,根据节点数目的多少,又可分为平面结构和分层结构构建。平面结构的网络比较简单,所有结点的地位平等,所以又可以称为对等式结构,其平面结构如图1-a所示。它的缺点是可扩充性差,每一个结点都需要知道到达其它所有结点的路由,维护这些动态变化的路由信息则需要大量的控制消息。
在分层结构中,网络可划分为多个簇。
每个簇由一个簇头(黑点?)和多个簇成员(白点)组成。这些簇头形成了高一级的网络。在分层结构中,簇头结点负责簇间数据的转发,而簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制信息的数量,因此具有很好的可扩充性。分层结构中网络具有自组织性,相对来说比较灵活,但是通信比较繁琐,控制麻烦。设计对环境进行监测的无线传感器网络,节点之间的通信和传感数据本身并不是非常重要,而对数据进行分析,使终端用户可以获取被监视环境的相关事件并通过一定的算法对环境变化进行预测才是最重要的。因此本设计采用一种集中式的主从结构。这个结构相当于分层结构的一种改进。因为网络的自组织需要很大的开销,而且容易出现泛洪等问题,所以根据本设计中需要监测的环境地点是确定的这一特点,可以通过固定普通节点ID号的方法,确定了网络的组织和连接。
2 通信协议为了降低节点的设计复杂度,同时加快保证通信的速度,本设计不采用传统的网络中TCP/IP协议。
整个网络中放弃路由环节,改由主节点控制整个网络的有序运行。考虑环境监测的目的,所以对数据的加密和网络安全协议的控制也可以减少很多。在网络正常运行状态下,各节点都处于接收状态。由主节点每隔一段时间向各个节点发起通信请求(控制帧)。当普通节点接收到的控制帧,如果信息中的地址信息和自己的ID号(普通节点事先通过拨位开关或者程序固化的方式确定自己的ID号)相同时,此节点转入发送模式,将信息(数据帧)发送给主节点,而ID信息不同的节点则继续监听接收。同时,主节点在发送完控制帧后就转入接收状态,等待响应。当其接收完普通节点的全部信息后,发送一个控制帧给普通节点,以确定接受到信息,同时结束整个通信过程。另外,考虑到灾害预测信息监测的特点,有些时候普通节点要求发送一些紧急信息。所以设计时考虑到可以允许普通节点发起通信。例如情况紧急时,普通节点必须将报警信息(消息帧)马上发回主节点,以便采取相应的措施。主节点和普通节点之间通信传输的信息帧有3种格式:1为数据帧,2为控制帧,3为消息帧。三种帧三种帧信息中,数据帧和信息帧由普通节点发射,主节点接收。而控制帧是由主节点发射,普通节点接收。控制帧分为4段,第一段说明使用4个bit的字节用来说明帧的类型,第二段用来表示信息发送的目的地址段,因为网络属于小型的,所以使1byte就可以了。第三段属于报警信息,使用2byte长度。第四段属于检验段。消息帧也分为4段,第一段说明使用四位用来说明帧的类型,第二段用来表示信息发送的目的地址段,第三段属于控制信息,控制信息的长度也事先确定了,这样可以简化通信的难度,使用2byte长度。第四段属于检验段。数据帧分为5段,第一段说明使用四位用来说明帧的类型,第二段用来表示信息发送的目的地址段,第三段属于数据长度信息。因为长度数据传输的次数不多,因此传输的数据量相应的增加,所以留出2byte的长度。第四段属于数据段,长度由数据长度中的参数决定。第五段属于检验段。
