一种矿用无线传感器网络节点的设计与实现

汪丹丹

（安徽城市管理职业学院 计算机系，安徽 合肥230000）

井下环境安全监测是指对井下作业环境中的瓦斯、温度、湿度、矿尘、一氧化碳和氧气等参数进行实时监测〔1〕。通常的做法是在矿井内架设有线通信线路，传感器节点通过有线线缆接到地面控制中心，这种监测系统的弊端是如果发生瓦斯爆炸，有线电缆被破坏，地面控制中心就无法知道井下情况，不利于人员营救。随着无线传感器网络发展日益成熟，为解决有线线路的上述问题，本文提出一种使用无线传感器网络技术的传感器节点的实现方法。在矿井发生渗水、瓦斯爆炸等事故时，利用传感器节点的无线通讯能力及时向地面控制中心传送井下环境参数。弥补了有线设备一旦线路损坏就不能传输信息的缺陷，具有布网简单、采集数据全面、精度高等优点，这些优点使得无线传感器网络较为适合矿井的环境监测。

1 系统概述

1.1 总体概述

根据现有井下通信系统和无线传感器网络特点，本文提出一种井下瓦斯监测系统，主要包括地面监控中心、有线电缆、无线网关节点、传感器节点四部分，见图1。

图1 井下传感器网络系统结构

传感器节点通常分布于井下各工作面，通过井下无线传感器网络实时传送环境参数到网关节点，然后再由有线电缆发送到地面监控中心〔2〕。因此无线传感器网络节点的实现较为关键，本文着重介绍无线传感器网络节点的软硬件实现方法。由于各传感器节点在使用中由电池供电，因此在使用传感器网络技术进行矿井环境安全监测时还必须考虑系统的节能性，这也是传感器节点实现的重点与难点。

1.2 关键技术及解决方案

无线传感器网络节点在实现时，均存在一些现实约束：电源能量有限、通信能力有限和计算存储能力有限〔3〕。在井下应用时，由于传感器节点分布在各处，很难实时进行人工维护，即使井下发生事故也必须能正常工作，因此实现该网络首先要解决功耗问题；其次，由于井下环境复杂，无线信号在巷道内传播时会受到障碍物影响，通信距离变短，选择通信芯片时必须考虑发射与接收距离；另外，必须选择稳定性强的通信协议，减少网络拥塞、传输时延。为解决上述问题，本文从硬件和软件两个方面进行论述。

首先，网络节点的硬件由传感器模块、主控模块、通信模块和电源模块组成〔4〕，各模块的芯片均以功耗低为首选条件。由于nRF9E5具有体积小、工作电压低、功耗低、发送距离远和通信可靠等特点，因此选择它完成主控模块和通信模块的功能。瓦斯传感器芯片选用KGS－20，这款芯片是常用的井下传感器芯片，功耗很低。

其次，软件方面，结合nRF9E5的特点，本文在通信信道的分配与使用上，选用了多信道接入MAC协议，这是一种新的基于随机访问模式的协议〔5〕。在控制信道中，它为每个节点都分配了一个数据信道，使各个节点的两跳邻居都使用不同的数据信道，这就避免了传输过程中的信道冲突；在通信中动态调整发射功率，有效地节省了能量。

由于每个节点既是数据监测节点，也是网络中继节点，各传感器节点采集到数据后，需要在网络中寻找一个最佳路径将信息传递给网关节点。因此，为解决节点的中继路由功能，本文选用基于数据汇聚的路由协议〔6〕实现该功能。基于数据汇聚的路由协议的基本思想是首先在网关节点和各传感器节点间建立一个最短路径，节点在转发其他节点的监测数据时，如果发现数据与自己的接近，就对数据进行汇聚，接着沿着自己的最短路径转发汇聚后的数据。使用该路由协议，可以保证信息沿最短路径到达网关，既节省了时间、也减小了网络传输量，不会产生冗余信息。

2 井下传感器网络节点的硬件设计

根据传感器节点工作特点把节点分为：电源模块、主控模块、通信模块和传感器模块。系统结构框图见图2。

图2 无线传感器网络节点结构

2.1 主控模块和通信模块

nRF9E5是Nordic公司的一款集成了与标准8051兼容的微处理器、片上ADC、nRF905射频模块的智能芯片，拥有4kB RAM和512BROM，以及片外存储器扩展接口；有5个中断源，3个与8052相同的定时器；对外提供一个数据输出接口以及SPI接口；工作电压为1.9～3.6V，掉电模式时工作电流仅有2.5uA，最大工作电流也仅有12.5mA；可工作在433／868／915MHz三个ISM频道，在这3个频段内拥有在128个频点，每个频点间隔100kHz，适用于跳频协议；拥有载波检测功能和4级输出功率调节功能，通过调节输出功率调整发送距离，数据传输速率可达到100kbps，通信距离可达467m〔7〕。

2.2 传感器模块

传感器模块是多种传感器的组合，一般包括瓦斯传感器、温湿度传感器和粉尘传感器等，本文仅以KGS－20型瓦斯传感器为例。KGS－20的工作参数为响应时间≤20 s，恢复时间≤30s，当甲烷浓度≥1%即报警，工作温度范围－15℃～＋50℃，湿度≤97%RH，静态功耗为150 mW，报警状态功耗为300mW，供电电压为－DC3～5V；工作原理是瓦斯浓度引起敏感电阻RS的变化，导致负载电阻RL上的电压发生变化，瓦斯浓度值与电压值之间成一定比例关系〔8〕，nRF9E5通过读取该电压获得瓦斯浓度值。

图3 KGS－20驱动电路

KGS－20的驱动电路如图3所示，由于驱动电压的取值范围为0.9±0.05V，因此可采用I／O口进行分压驱动，传感器输出端接nRF9E5的ADC接口。

3 传感器网络的软件设计

通过上文的硬件模块介绍，可知传感器节点的电源消耗主要集中在瓦斯检测和发送接收过程，考虑到实际监测过程中并不需要密集性监测，通讯模块也不需要一直处在发送和接收状态，为降低功耗，节点对瓦斯进行定时检测，并且根据MAC协议和路由协议，传感器节点有两个状态：工作状态和休眠状态。工作状态功耗高，主要是进行数据采集和收发；休眠状态时只有nRF9E5的射频模块定时监听信道，功耗极低。

3.1 瓦斯浓度检测与分析

无线传感器网络中各传感器节点被分布在井下各个位置，每个节点都有自己的检测范围，每隔一分钟就会对该区域的瓦斯浓度进行检测。如果检测到的瓦斯浓度小于警戒值，传感器节点会把数据通过邻近的节点逐级上传给网关节点；若瓦斯浓度大于警戒值，传感器节点会有3个动作：

（1）立即向该区域的警报装置发出报警指示，声光报警；

（2）按照通信协议把数据逐级上传到网关节点；

（3）进行密集型检测，每隔30s采集一次瓦斯浓度，并把数据通过网关传送给地面。

3.2 数据发送与接收

传感器节点在检测到数据后就面临如何把数据传送给网关的问题。根据多信道MAC协议以及基于数据汇聚的路由协议，组网时网关节点需要为各传感器节点完成以下工作：①为各节点分配信道，保证每个节点与自己两跳邻居信道不一样；②建立最短路径，为每个节点分配一个节点级别。

具体解决过程如下：

（1）数据通信前的准备。由于一个网关节点下会包含很多个传感器节点，如果同一时间有多个节点发送数据，可能会造成网络拥塞，还会浪费节点电源能量；同时传感器节点是定期检测和发送数据，因此在空闲时尽可能的使节点处于休眠状态，只有需要采集数据以及收发信息时节点才正常工作。由于nRF9E5有128个信道，分配信道时根据多信道接入MAC协议，使用其中一个作为广播信道，用于网关在组网以及网络重组时发送广播信号；由于无线信号发射距离有限，在节点距离足够远时，即时使用相同频带也不会发生干扰，分配时只要保证任意节点的两跳邻居信道都不一样即可，因此剩下的127个信道可分配给127个传感器节点甚至更多个。传感器节点在发送数据前，先侦听目的节点的数据信道，若空闲就发送唤醒信号，唤醒节点准备接收数据，并根据节点间距离，动态调整发射功率，以降低功耗，接收节点准备好以后会返回一个开始接受信号，通信随即开始；传感器节点在空闲时会每隔一段时间监听自己的数据信道，如果有唤醒信号，就唤醒本节点接收数据，否则继续休眠。

（2）数据在网络中的传输。由于传感器节点分布在井下各个区域，每个节点都会定时采集环境参数并上传给网关节点，同时还要转发来自子节点的数据包，即数据是逐级汇聚到网关节点，根据这个特点选用基于数据汇聚的路由协议最合适。该协议把一个网关控制下的N个传感器节点根据位置再划分为多个子网，每个网络都有自己的网络代号。组网时，网关节点在广播信道上发送广播信息E，该信息包含一个传感区域代号和节点级别。节点在接收到广播信息E后，把发送消息的节点作为自己的父节点，然后判断自己是否处于该传感区域中，如果不在，则将该消息中的节点级别增加1，并把这个消息转发给周期的其它节点。不在该传感器区域的节点接收到多个广播信息E，会把这些节点中级别最低的那个作为自己的父节点并记录下来；第一个在该区域的节点接收到广播信息E，就会在E中增加一个属性值1，表示该节点在这个传感器区域，此时广播信息就变为了F，这个节点会作为这个区域的根节点；F在该区域被很多节点转发，最后每个节点都会有一个到网关节点的最短路径。由于nRF9E5的计算能力有限，本文采用随机汇聚，即各传感器节点在采集到数据后，先沿着各自最短路径向网关节点转发，转发过程中如果有节点发现自己的监测数据与待转发数据接近，就进行数据汇聚，这样可以减少传输量，减少网络拥堵，同时节省节点能量。

4 结语

无线传感器网络的快速发展为井下瓦斯监测提供了很好的解决方法，方便了矿井的安全监控、隐患排查和矿难事故的救援等。在井下巷道改变时，不需要铺设有线线路，只需要把废弃巷道中的传感器节点布置于新巷道中或在新巷道中添加新的节点，具有很大的灵活性，降低了成本，便于日常维护。本文利用nRF9E5芯片的多信道功能，通过合理分配信道，建立最短路径，进行数据融合，减少了网络拥塞，获得了最小的时延，使地面监控中心可以实时观察井下瓦斯浓度，提高了监控设备安全可靠性，为井下人员提供了较为有效的安全保障。

参考资料：

〔1〕钱春丽，张兴敢.用于矿井环境监测的无线传感器网络〔J〕.电子技术应用，2006（9）：21－23.

〔2〕汪丹丹，等.矿用无线传感器网络的研究与设计〔M〕.合肥：合肥工业大学出版社，2007.

〔3〕孙利民，李建中，等.无线传感器网络〔M〕.北京：清华大学出版社，2005.

〔4〕马祖长，孙怡宁，梅 涛.无线传感器网络综述〔J〕.通信学报，2004，4（25－4）：114－124.

〔5〕汪丹丹，等.无线传感器网络多信道MAC协议研究〔J〕.自动化仪表，2007，9（28－9）：25－28.

〔6〕彭 刚，曹元大，等.无线传感器网络基于数据汇聚的路由〔J〕.计算机工程与应用，2005（12）：12－14.

〔7〕讯 通 科 技.nRF9E5 中 文 手 册.http：／／read.pudn.com／downloads169／ebook／777639.

〔8〕国泰恒安.可燃气传感器 KGS－20说明书.http：／／wenku.baidu.com／view／e557484e2e3f5727a5e96266.html.