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絡,由于工作面的不斷推進,存在著監(jiān)測盲區(qū)。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(qū)域、人員不能到達的區(qū)域(如受到污染的區(qū)域、環(huán)境被破壞的區(qū)域或敵對區(qū)域),一些臨時場合(如發(fā)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(qū)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(qū)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(xié)議和傳感器節(jié)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(jié)點組成,采用無線數據傳輸方式的,用來監(jiān)視物理環(huán)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(jié)點比較簡單,而中心節(jié)點設備復雜。集中式結構的控制也簡單,整個網絡由主節(jié)點控制按照約定好的順序進行運作,但節(jié)點的要求比較高。而分布式結構中,根據節(jié)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(tài)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(fā),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(huán)境進行監(jiān)測的無線傳感器網絡,節(jié)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(jiān)視環(huán)境的相關事件并通過一定的算法對環(huán)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(jiān)測的環(huán)境地點是確定的這一特點,可以通過固定普通節(jié)點ID號的方法,確定了網絡的組織和連接。

　　2　通信協(xié)議為了降低節(jié)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(tǒng)的網絡中TCP/IP協(xié)議。

　　整個網絡中放棄路由環(huán)節(jié),改由主節(jié)點控制整個網絡的有序運行。考慮環(huán)境監(jiān)測的目的,所以對數據的加密和網絡安全協(xié)議的控制也可以減少很多。在網絡正常運行狀態(tài)下,各節(jié)點都處于接收狀態(tài)。由主節(jié)點每隔一段時間向各個節(jié)點發(fā)起通信請求(控制幀)。當普通節(jié)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(jié)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(jié)點轉入發(fā)送模式,將信息(數據幀)發(fā)送給主節(jié)點,而ID信息不同的節(jié)點則繼續(xù)監(jiān)聽接收。同時,主節(jié)點在發(fā)送完控制幀后就轉入接收狀態(tài),等待響應。當其接收完普通節(jié)點的全部信息后,發(fā)送一個控制幀給普通節(jié)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(jiān)測的特點,有些時候普通節(jié)點要求發(fā)送一些緊急信息。所以設計時考慮到可以允許普通節(jié)點發(fā)起通信。例如情況緊急時,普通節(jié)點必須將報警信息(消息幀)馬上發(fā)回主節(jié)點,以便采取相應的措施。主節(jié)點和普通節(jié)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(jié)點發(fā)射,主節(jié)點接收。而控制幀是由主節(jié)點發(fā)射,普通節(jié)點接收。控制幀分為4段,第一段說明使用4個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(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(fā)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。