煤矿安全监测系统中的WSN路由算法设计

徐国萍

（山西焦煤西山煤电集团公司科协，山西 太原 030053）

·试验研究·

煤矿安全监测系统中的WSN路由算法设计

徐国萍

（山西焦煤西山煤电集团公司科协，山西 太原 030053）

由低功耗节点组成的WSN，可以处理、存储、感知和交换数据，它被用于实时监测和数据收集。在煤矿安全生产中，为了达到实时监控的目的，一种有效的路由算法对于安全监控至关重要。本文描述了WSN网络的设计，提出了一种移动代理的路由算法，描述了本系统的架构和组成节点的硬件、软件设备。它能有效地监控环境，同时使用多链路路由，保证了数据的准确性。实践表明，该算法能够准确地获取大量的信息，具有较高的精度，并且能有效地控制危害源，消除瓦斯事故。

煤矿安全；WSN；路由算法；移动代理

中国是一个瓦斯事故高发的国家。自2000年到2008年有近199次瓦斯事故，造成的伤亡人数高达1 063人。近几年，瓦斯和煤气爆炸监控只是基于监控的经验数据和煤层上的参数。这样就导致了监控的可操作性、实时性和精确性以满足安全管理的需求。

WSN是最新的IT技术，它由很多价格低廉的传感节点组成。这些节点可以监测收集数据并有独立的计算功能。近几年内，WSN越来越多的应用于环境监测领域。较之传统的实时监控系统，WSN具有很多优势：首先，WSN的节点可以部署在煤矿的矿层，传统的网络设备很难部署上去。通过分布式的路由协议，传感器节点能够自组织和自动的构建交流链路。其次，传感器节点能在任何时间段工作。由于它们有电源模式，可以睡眠，可以苏醒。因此，WSN的网络拓扑能动态的改变。最后，传感器节点是微型化的，它们经常被安置在一些人员不能到达的地方。

基于这些优势，使用WSN技术对煤矿进行监测将是一个非常有效的手段。无线传感网由许多发布在监控区域的微传感节点组成。这些可移动的传感节点有很强的通信能力，并且能通过很简便的方法去监控煤气和瓦斯。本文提出了一种监控系统的架构。它能实时地监测矿井中的环境。

1 煤气和瓦斯监控系统

煤气和瓦斯监控系统包含传感节点，Sink节点和管理节点。监控系统的框架见图1。许多节点部署在工作区域，形成低级别的自组织网络。它们收集气体浓度参数且每个节点都能与相邻节点交流。数据包通过多跳后到达Sink节点，Sink节点通过有线网络将数据传输给管理节点，进而对数据进行实时的处理和分析以监控数据的盲区。

基于WSN的煤矿安全监测系统的架构示意图见图1。

图1 基于WSN的煤矿安全监测系统的架构示意图

2 硬件设计

一个WSN节点就是一种微型的嵌入式设备。它不仅能将环境信息传播给管理节点，还能把数据发送给手持设备。一般传感节点由采集模块，处理模块，通信模块，定位模块组成。

其中，处理模块采用了Arduino单片机，Arduino是一个基于开放原始码的软硬体平台，构建于开放原始码simple I／O介面版，并且具有类似Java，C语言的Processing／Wiring开发环境。通过处理模块的Arduino单片机，节点能独立的分析数据，对采集的数据进行融合。同时处理模块还负责管理节点的电源模式，当没有信息传播的时候将节点设置成休眠模式以减少电能的消耗。

采集模块，由多个传感器构成，它能收集当前环境中的温度、湿度和气体浓度信息。这些信息通过处理模块处理后将有用的留下。

通信模块，使用XBee硬件。XBee射频模块嵌入方案提供无线端点连接到设备。这些模块使用IEEE 802．15．4网络协议构建点对多点或对等网络。它们是专为高通量应用需要，提供低延迟、可预测的通信时间。

定位模块，使用GPRS-Shield。它是一种利用GSM手机网络进行定位的硬件模块。GPRS-Shield能实现三种功能：短消息、服务音频、GPRS服务。GPRS-Shield作为标准Arduino电路板接入的模块，可以通过UART使用简单的AT命令配置和控制。基于SIMCOM SIM900模块的GPRS-Shield模块就像一个手机。除了通讯功能，它还有12 GPIOs，2 PWMs和ADC。

3 路由设计

煤矿监控系统主要应用于特定环境，监控各种传感器数据和控制一些设备。数据最终通过CAN网络传输到数据中心，依据监控系统的需求，路由信息必须包含如下特征：

基于查询的路由协议，在煤矿中监控环境或者检测安全，需要不断地查询传感器的数据：由Sink节点发出查询请求，然后传感节点将数据发给Sink节点。

支持地理信息的查询，在煤矿环境下，网络必须感知突发事件所处的区域，目标节点通常可以定位自己所处的gprs位置。

可靠性和实时性，由于煤矿环境恶劣，提高WSN的QoS至关重要，路由的实时性和可靠性极其重要，数据隧道不仅能维护信息传播的准确，还能保证数据的实时性。

网络拓扑的鲁棒性，为了去收集突发事件，移动节点被部署在矿工身上和设备上面以收集和采集数据。移动节点能自由的在网络中移动，从而会出现一些节点有时会失效或新节点加入网络的现象。因此，路由协议必须维持网络的鲁棒性。

依据上面的分析，本文提出一个自适应、实时的、基于查询的路由协议。主要的路由策略：当Sink节点需要知道一个区域内的监控数据时，它发送查询请求。请求通过中间节点到达被查询节点。然后，当Sink节点移动到其他区域，请求的数据能通过代理节点及时发给Sink节点。

3．1 构建网络拓扑

路由协议需要支持地理信息。如果每个节点知道自己的位置，整个网络能形成一个网格拓扑。使用网格拓扑的优势就是通过RSSI（Received Signal Strength Indicator）决定每个节点的相对位置。当所有的网络节点被配置启动的时候，矿层网络拓扑示意图见图2。

图2 矿层网络拓扑示意图

1）如果节点A的位置是LA+=（x，y），每个网格的边界长度是a。节点A广播它的路由表，路由表的初始信息是它自己的位置，最接近A的节点是B和F，它们的相对位置分别为LB=（x+a，y）和LF=（x，y+a）。

2）B和F将A记录为自己的邻居节点，并且发送回复信息给A。

3）A接受到回复的信息将B和F当做邻居加入自己的邻居表内。

4）B和F继续相同的工作去找到距离A两跳的节点。

最后，每个节点都知道他们自己的网络相对位置，路由表内包含了所有节点的信息，网格网络就被构造出来了。

3．2 代理路由协议

一旦网格拓扑构造起来，Sink节点就能发送查询任务。Sink节点泛洪自己的查询信息给附近的静态节点。但是泛洪区域是有限的，这样确保Sink节点至少能找到一个节点去传播信息。当Sink节点接受到多个传播节点的信息的时候，它通过地理信息选取哪个节点作为传播信息的节点，选取过程可以使用最短路径优先算法。

考虑到节点的移动性，为了确保结果被实时的反馈给Sink节点，设计了两种代理节点，一种是PA（Primary Agent），一种是IA（Immediate Agent）。当sink节点第一次发送一个查询任务，那么，两种代理节点是相同的节点。

讨论这个过程，假设一个Sink节点向节点E请求。

首先，Sink节点泛洪给静态节点同时接受两个回复：节点O和节点P。根据节点E的位置，Sink节点找到P是E的最近的邻居，决定使用P最为PA和IA。P作为Sink节点的上游节点，保持它到缓存中。

接下来，P开始选择到达E的优化路由。矿层的表面是狭窄的，电子设备产生了连续的信号噪音。所以，应用了隧道截取技术区评估各个隧道，在发送信息之前选取最优的隧道，从而避免数据的重传，延长了网络的生命周期。

第三步：节点P检查路由表找到自己的邻居K、Q和L，这三个节点最接近E。所以，P发送信道请求信息给K、Q和L。它们依据信道的状态回答信道质量信息，然后节点P选择一个最好的信道去传播信息。在这个例子中L被选为最佳的下一跳。

第四步：L继续去做相同的步骤找到P节点的第二跳节点，记录它的信息和生存周期。当L选择M作为下一跳，I和D继续相同的步骤，最后查询信息被发给节点E。

第五步：节点E处理接受到的请求传输信息给上行节点D，I，M，L，P。节点P将广播给Sink节点接受到的信息。如果Sink节点没有离开广播域，那么它就能收到数据。节点P将保留数据到自己的缓存并对信息添加一个生存时间，等待IA的请求。

3．3 提高路由链路质量

高效的链路质量意味着低的丢包率和低的重传概率。IEEE802．15．4 ACK机制是一种重传丢失的包和损失数据的机制。然而，重传减少了网络的带宽，影响了其他正常数据的传播。

所以，选择一个高的链路质量需要使用下面的公式：

其中，x～N（0，∂2）是一个高斯分布。这个等式中，节点有收敛性，如果邻居节点的距离小于D1或者距离大于D2这个链路将不能建立连接。

由于CN是随机分布的，两个邻居节点的距离是不知道的，很难通过距离去计算链路质量。所以，用了RSS（Receiving Signal Intensity）去指示链路质量。RSS能计算两节点之间的距离使用信号的强度。其核心的计算方法是：

其中，RSS（d）是距离为d时接受到的信号强度，RSS（d0）是距离为d0时接受到的信号强度，n是信号衰减指数。从上面两个公式中可得出结论，RSS值越大，其链路质量就越好。

一跳之间的持续时间是与两节点的剩余能量成比例的。定义了一个LQRE去代表链路质量和一跳之间的剩余能量。节点I能和节点J通信见图3。定义了RSSi，j作为节点I和节点J之间的信号强度。节点I的剩余能量是Ei，节点J的剩余能量是Ej。

图3 RSS与节点能量关系图

数据包从节点I到节点J的成功率是与RSS是成正比的。包成功的接受率是RSSi，j=RSSj，i。所以，节点I与节点J之间的LQRE就能通过公示计算。

路径的链路质量依靠的是LQREi，j。但是在多跳路径中使用的是LQRErouter去计算整体的链路质量。

从A到CH路径图见图4。

图4 从A到CH的路径图

当CN被部署在地下，它们首先被初始化。一个CN广播多路径路由MRRM（Multi-path route request message）为了找到CH的路径。邻居节点接受到MRRM继续广播信息直到到达CH，然而RRM（Route Reply Message）信息被CH发送给CN作为回答。RRM控制每一跳的LQRE。每个路径都有不同的LQRE。如果信息选取的第一个传播路径失败了，那么节点会选取一个LQRE值大于阈值C的路径。而一般一个低的LQRE值意味着这个路径的传输失败率高。

如图4所示，如果A想发送信息给CH，依据EBMR，A将选择LQRE值最高的线路作为路由，A-BD-F-CH。为了确保传感器数据被邻居接受，EBMR使用了ACK机制。一个传感器节点确立ACK的超时。如果节点在ACK制定的时长内接受到了ACK，那么它将确信信息已经被正常的接受。如果在ACK时长内还没有接受到ACK包。那么它将从新发送信息。这样以确保信息被接受。

4 结 论

本文提出了一种基于WSN的煤矿安全检测系统，描述了本系统的架构和组成节点的硬件、软件设备。它能有效地监控环境，同时使用多链路路由，保证了数据的准确性。

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WSN Routing Algorithm Design of Coal Mine Safety Monitoring System

Xu Guo-ping

Low-power nodes in WSN can process，store，perception and exchange data，it is used for real-time monitoring and data collection．In the coal mine safety production，in order to achieve the real-time monitoring，an efficient routing algorithm for security monitoring is essential．Describes the design of WSN network，proposed a routing algorithm of mobile agent，described the structure of the system and the nodes composition of hardware and software equipment．It can monitor the environment effectively，while using multi-link routing to ensure the accuracy of the data．Practice shows that the algorithm can accurately obtain a lot of information，with high accuracy，and can effectively control the hazard source，eliminate gas accidents．

Coal mine safety；WSN；Routing algorithm；Mobile agents

TD67

A

1672-0652（2013）11-0007-04

2013-08-16

徐国萍（1965—），女，山西太原人，1987年毕业于山西矿业学院，高级工程师，主要从事煤炭科技管理工作（E-mail）xgp8889＠126．com