（通信与信息系统专业论文）煤矿环境层次型多参数监测无线传感器网络及其互连的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：我国煤矿资源丰富，但是煤矿自然环境复杂，事故频有发生。现有的有线 监控系统很难灵活布网，实现对整个煤矿的完全监测，在矿井中依然存在很多监 测盲区，而这些区域往往是发生事故的隐患所在。本文正是基于这种背景，提出 了一种煤矿井下多参数层次型无线传感器监测网络，作为有线监控的补充，实现 和有线监控互连能够大大的提高整个煤矿的监测和预警水平。 根据煤矿井下环境的特点，本文设计了多参数层次型无线传感器网络的硬件 结构和路由机制。论述了网络的建网过程，主辅备份路由的形成，根据z i g b e e 协 议对网络地址的分配规则，重新设计了一种适合于主辅备份路由机制的网络地址 分配方法。实验表明主辅备份路由机制在主路由器失效的情况下，辅助路由器可 以成功使整个网络可靠稳定的运行，从而提高了网络在煤矿环境中的生存力。网 络的参数收集主要采用周期巡检和中断唤醒两种方式。中断唤醒工作方式可以独 立工作，实现参数超限报警功能，也可以作为周期巡检的补充，实现实时的监测。 同时本文设计了一种数据采集管理的机制以及基于簇的时隙分配和网络同步机制 以提高数据收集的灵活性和可靠性。 为了提高网络的稳定性和可靠性，本文设计了主辅备份路由的维护以及网络 故障的管理机制。对网络路由机制的维护和管理就是保证整个网络拓扑结构的稳 定，保证数据的正常传输。网络故障管理提高了网络的生存力，保持整个网络可 靠稳定的运行。 网络采用m o d b u s 协议和煤矿井下有线监控互连，实现信息交互，从而组成煤 矿井下的监测系统。本文还实现无线传感器网络通过网关和w i m a x 网络的互连， 拓展了无线传感器网络的应用。 本文最后在实验室和煤矿井下环境对多参数层次型无线传感器网络的功能进 行了测试和性能分析。实验表明网络功能达到了预期，能够实现多参数数据收集 和超限数据报警，主辅备份路由机制可以实现稳定可靠的工作，网络可以通过网 关和w i m a x 网络实现稳定可靠的互连。 关键词：无线传感器网络；w i m a x 网络；网络管理；多参数监测；主辅路由；网 关；周期巡检：中断 分类号：t d 6 7 6 ；t n 9 1 5 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h er 骼既v 鼯o f c o a la r er i c hi no u rc o u n t r y , b u tt h ee n v i r o n m e n to ft h e c o a lm i n 髑i sv e r yc o m p l i c a t e da n dv a r i o u s e x p l o s i o na c c i d e n t si n c o a lm i n o so c c u r 舶mt i i i l et ot i m e t h ef l e x i b i l i t yo fd e p l o y m e n tf o rn l ee x i s t i n gw i r e dm o n i t o r i n g s v s t 锄i sn o tg o o da n da l lr e g i o n so ft h ec o a lm i n e sc a nn o tb em o n i t o r e dv e r yw e u t t 鹏t l l e r ca r em a n yb l i n da r e a s ，i nw h i c h a c c i d e n t sm a yt a k ep l a c ee a s i l y t os o l v et h e p r 0 1 ) 1 e i i l s ，aw s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) w i t hh i e r a r c h i c a l t o p o l o g yf o r 删n c m u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r i n g i sp r o p o s e d a sas u p p l e m e n tf o re x i t i n gw i r e dm o n i t o t i n g i nc o a lm i n e ，i tc a ng r e a t l ye n h a n c e t h em o n i t o r i n go fc o a lm i n ea n di m p r o v et h ee a r l y w a r n i n g l e v e l b a s e do nt h ed i a r a c t 耐s t i c so fc o a lm i n ee n v i r o n m e n t ，t h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ea n d r o u t i n gm e c h a l l i s mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t hh i e r a r c h i c a lt o p o l o g y f o rm l n e m u l t i - p a r a m e t e rm o n i t o r i n gi s d e s i g n e d t h en e t w o r ke s t a b l i s h m e n tp r o c e s sa n dt h e b a c k u pr o u t i n gm e c h a n i s mf o r m a t i o np r o c e s sa r ed i s c u s s e d an e w n e t w o r ka d d r e s s a 1 1 0 c a t i o nm e t h o df o rb a c k u pr o u t i n gm e c h a n i s m i sd e s i g n e du s i n gt h ez i g b e ep r o t o c o l t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h en e t w o r kc a nw o r ks t a b i l i t yw h e nt h em a i nr o u t e r 1 s b r o k e i ls i n c et h eb a c k u pr o u t i n gm e c h a n i s me n h a n c e s t h ev i a b i l i t yo ft h ew s n n 咖o r k d a t ai sc o l l e c t e da n dt r a n s p o r t e du s i n gp e r i o d i cm o n i t o r m o d eo ri n t e r r u p t l v e m o d e t h ei n t e r r u p t i v em o d ec a nn o to n l yw o r ki n d e p e n d e n t l yt o r e a l i z ep a r a m e t e r o v e r - l i m i ta l a n n ，b u ta l s ow o r ka ss u p p l e m e n t a r yp e r i o d i cm o n i t o rm o d et o r e a l i z e r e a l t i m em o n i t o r i n g i na d d i t i o n ，d a t ac o l l e c t i n gm a n a g em e c h a n i s ma n dn e 铆o r k s v n c i l r o i l i z a t i o nm e c h a n i s m sa r ep r o p o s e dt oi n c r e a s et h ef l e x i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f d a t ac o l l e c t i n g i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h en e t w o r k ，t h er o u t i n gm a i n t e n a n c e m e c h a n i s ma n df a u l tm a n a g e m e n tm e c h a n i s ma led e s i g n e d t h er o u t i n gm a i n t e n a n c e m e c ：h 撕s mi st oe n s u r et h es t a b i l i t yt h et o p o l o g yo fn e t w o r ka n dt h en o r m a ld a t a 缸a n s m i s s i o n t h ef a u l tm a n a g e m e n tm e c h a n i s mc a ni m p r o v e t h es u r v i v a b i l i t yo f n e t w o r ka n dk e e pt h en e t w o r kr u n n i n gr e l i a b l ya n ds t a b l y w s nc a nc o m m u n i c a t ew i t hw i r e dm o n i t o r i n gs y s t e mu s i n g t h em o d b u sp r o t o c o la n da n e wm o n i t o r i n gs y s t e mi sf o r m e di nc o a l m i n e w h a ti sm o r e ，t h ea p p l i c a t i o no f w i r e l e s ss 饥s o rn 幽) l ，o f k si se x t e n d e db yr e a l i z a t i o no fi n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nw s n a n dw i m a xn e t w o r kt h r o u g hg a t e w a y v mp e 响n i l a n c eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w i t hb a c k - u pr o u t i n gm e e h a n i s mt 0 rm i n e 砌帅a r a m 锨m o n i t o r i n g i st e s t e da n da n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ec x p 跚袖 a r ec 删e do u ti nt h ec o a lm i n ca n dt h es t i m u l a t i n gc i r c u m s t a n c eo f c o a ll 锄e in e r e s u l t ss h o wt h a t t l l ep e r f o 觚a i l c eo ft h en e t w o r kc a nm e e t t h ed e s l r o dt a r g e t m u l t i - p a r 锄e t e rm o n i t o r i n g a n do v e r - l i m i tp a r a m e t e r a l a r ma r er e a l i z e d a 1 1 dt h e b 砌( u pr o u t i n gm e c h a l l i s m c a nw o r ks t a b l ya n dr e l i a b l y a t t h es 锄et i m c ，t h e i n t e r c o r u l e c t i o nb 咖e e nw s n a n dw i m a xn e t w o r ki sr e a l i z e da n d i tw o r k ss t a b l ya n d r e l i a b l yt h r o u g hg a t e w a y 1 ( e y w o r d s ：w s n ； w i m a xn e t w o r k ； n e t w o r km a n a g e m e n t ；m u l t i - p 猢e t e r m o n i t o r i n g ； b a e k u pr o u t i n g m e c h a n i s m ；g a t e w a y ；p e r i o d i c m o n i t o r i r i gm o d e ； i n t e r r u p t i v em o d e c l 。a s s n o ：t d 6 7 6 ；t n 9 1 5 9 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：芽布宇签字日期：7 年多月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：井才寻 签字日期：力妒7 年石月够日 导师签名： ( 1 易牛 签字日期力户6 月腑 | 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、 论文的具体工作到最后的论文写作，杨老师都给了我耐心的知道和帮助。在两年 的研究生学习期间，杨老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助 和影响。在此衷心感谢两年来杨老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们的工作，在学习上和生活上都给予了关心和帮助， 在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，张德珍、牛春雷、方概、李林涛、王曙光等 同学在我的实验室工作中给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。大 家在科研工作中相互帮助，结下了深厚的友谊。 另外也感谢我的父母和亲属，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 最后衷心祝愿我的老师和同学们身体健康、万事如意! 祝愿我的家人平安幸 福、健康快乐! 引言 1 引言 1 1 煤矿的安全现状及存在的问题 我国是一个煤炭资源丰富的国家，也是一个对煤炭资源比较依赖的国家，在 我国的能源工业中，煤炭占我国能源生产和消费的7 0 左右，而且预计到2 0 5 0 年 还将占5 0 。随着煤炭增长方式的转变、煤炭用途的扩展，煤炭的战略地位更加 重要。我国9 5 的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡1 0 人以上 特大事故的7 2 8 至8 9 6 ( 2 0 0 2 - - 2 0 0 5 年) ；煤矿企业一次死亡1 0 人以上事故 中，瓦斯事故占死亡人数的7 l 。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造 成的损失是极其惨重的【。由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万 吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯( 煤尘) 灾害事故的频发， 不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉：目 前造成我国煤矿事故频发主要有以下原因： ( 1 ) 自然环境条件差，与各主要产煤国家相比，我国的煤炭赋存条件较差。主 要特点是：埋藏深，煤层稳定性相对较差，地质构造复杂，水、火、瓦斯、煤尘、 顶板等自然灾害因素都比其他国家煤矿多，主要依靠井工开采，高瓦斯矿井多。 我国煤矿的年瓦斯涌出量在1 0 0 亿立方米以上，高瓦斯矿井占到4 8 ，是世界上 煤矿瓦斯最严重的国家，安全问题特别严型2 1 。所以加强对煤矿井下瓦斯、火灾、 水灾等参数的监测预警成为了煤矿安全工作的重点。 ( 2 ) 现有的煤矿安全监测系统存在问题，并不完善【3 1 。目前，大多数煤矿安全 检测监控系统缺少监控能力，大多数的小煤矿并没有建立煤矿安全监测系统，只 是采用人工巡检的方式进行定期的监测，并没有全天候的对井下进行监测。这种 方式势必造成安全隐患，严重威胁了煤矿安全生产。而对于一些大的煤矿，所建 立的监测系统普遍采用的都是以工业总线作为基础的煤矿瓦斯监控系统，井下瓦 斯监测系统与地面信息中心一般通过电缆或光纤连接，构成有线的通信传输网络， 这种监测系统在一定程度上能有效的对煤矿生产进行安全监测。但是由于采用有 线的方式，一方面系统对线路依赖性强，受布线局限，而且这些线路需要专业人 员建立和维护，若线路施工不及时就会造成各种数据监测出现漏检。另一方面当 某一结点出现故障，会使局部区域失去监测能力。并且还存在以下缺点【4 】： 1 ) 有线通信方式布线复杂，劳动强度高，而且成本昂贵，工程耗时，容易在建 设初期形成安全上的盲点； 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求。在煤矿实际开 采过程中，经常需要对某一地区进行试探性挖掘，形成的探测巷长度事先无法预 知，巷道随时可能废弃或者增加掘进深度，所以对于有线监控系统而言，其扩展 性、灵活性存在不足，还容易造成资源的浪费，引起成本的提高； 3 ) 监测点相对固定，会存在大量难以布置有线监控监测系统的地区，而这些地 区很可能就是事故多发地带，这就给安全生产带来了极大的隐患； 4 ) 容易破坏工作现场的通信线路，破坏后的恢复周期一般较长； 5 ) 维护通信线路的成本较高，导致部分煤矿出现一边维护、一边生产的违规现 象，有些煤矿甚至干脆不维护。 6 ) 有线监测体系只能延伸到煤矿的巷道内，与工人生命息息相关的采煤区的 作业面依然是一个监测盲区。 7 ) 检测参数单一。现存的检测系统一个检测点一般只能检测一个参数。但是 任何一个事故的发生都是由多种因素导致的。以占煤矿事故比例最大的瓦斯爆炸 为例，煤矿瓦斯爆炸的诱导因素又包括大气压力，瓦斯浓度，风速等。因此对于 检测系统来说，仅仅检测一种参数是远远不够的。 综上所述，我国的煤矿监测系统还存在问题，有线的监测方式存在其固有的 一些缺陷：布线复杂、网络不灵活、易出现监测盲区、维护成本高等，显然无法 满足煤矿安全监测的要求。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 作为近 几年兴起的技术，以其布网方便、低功耗、价格低等特点，引起了广泛的关注。 将其应用于煤矿的安全监测上，是对现有有线监测系统很好的补充，可以应用于 有线监测网络无法监测的一些盲区，以及无法布线的地方。无线监测与有线监测 相结合将极大提高了煤矿的安全水平。 1 2 无线传感器网络简介 无线传感器网络 5 】是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点构组成， 通过无线通信的方式形成一个多跳的无线白组织的网络系统，其目的是协作的感 知、采集、和处理网络覆盖中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网 络将逻辑上的感知世界与客观上的物理世界融合起来，改变人类与世界的交互方 式。人们可以通过无线传感器网络直接感知客观世界，从而极大的扩展现有网络 的功能和人类认知世界的能力。美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发 展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世 界的1 0 技术之一。 2 引言 1 2 1 无线传感器网络结构 无线传感器网络结构【6 1 如图1 1 所示，无线传感器网络由随机分布的集成有传 感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块的微小节点以自组织的方 式构成的无线网络。 传感器节点 图1 - 1 无线传感器网络结构 f i g 1 - 1a r c h i t e c t u r eo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 节点按功能分可以分为两类节点：全功能节点和精简功能节点。全功能节点 包括：协调器、路由器，精简功能节点是端节点。 集成了各种传感器的端设备可以采集多种数据，如：光、温度、湿度、瓦斯、 粉尘等，可以根据监测的需求，增加在端设备上传感器的种类，每个端设备都可 以实现多种参数的监测。端设备收集的参数，通过路由器传递到协调器。无线传 感器网络作为一个信息采集、提供者，需要将信息通传递到外部网络( 如：i n t e r n e t 网络等) 提供给对信息有需求的用户。汇聚节点【7 】作为无线传感器网络和其他网络 连接的桥梁，它连接无线传感器网络和外部网络，实现两种协议栈之间的通信协 议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把协调器上收集的数据转发到外部网 络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功 能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 1 2 2 无线传感器网络的主要优势 无线传感器网络采用微小型的传感器节点获取信息，节点之间具有自动组网 和协同工作的能力，网络内部还采用无线通信方式，它与传统的传感器手段( 如单 一大型传感器、有线传感器网等) 相比，具有以下几个明显的优势【6 1 ： ( 1 ) 精度高，大量造价低廉的小型传感器节点对监测区域进行密集空间抽样， 或者对监测目标进行近距离密集监测，可以获得非常高的信息感知精度，这是传 3 北京交通人学硕十学位论文 统单一大型传感器所难达到的。 ( 2 ) 可靠性高，由于无线传感器网络在部署的时候，具有一定的冗余度，当某 些节点出现故障或者是失效时，其它节点就会取代坏的节点，进行监测任务。所 以无线传感器网络可以获得比较高的可靠性。 ( 3 ) 价格低廉，随着科技的发展，相比于大型的传感器，小型传感器节点和传 感器已经越来越便宜。同时无线传感器网络利用无线传输取代传统的线缆传输， 无需进行有线部网，大大降低了系统的建设周期和建设成本。 ( 4 ) 灵活性高，无线传感器网络是一种自组织网络，适应动态的网络拓扑，可 以临时性的随机布设网络，也可以在原网络的基础上随机的加上新的节点。在网 络布设之后，无线传感器网络可以很快的展开工作，不需要人为的干预，非常适 合一些恶劣环境下的监测，在布设、使用上的灵活性要远远高于传统的传感器手 段。 1 3 无线传感器网络组成的煤矿井下监测系统 现有的煤矿井下安全监测系统主要是采用有线网络监测的方式。从前面的分 析知道有线的监测方法虽然对于提高煤矿井下工作的安全性有重要的意义，但是 由于存在其固有的缺陷，已经无法适应煤矿井下监测的要求。无线传感器网络以 其低功耗、易部网、价格低等优势，广泛应用于各个领域。将无线传感器网络和 传统的煤矿有线监测网络组成一个有线无线混合的监测系统( 如图l - 2 所示) 。 图1 2 无线传感器网络组成的煤矿监测系统 f i g 1 2t h em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h em i n eb a s e do nw s n n e t w o r k 在煤矿井下主巷道易于布线的地方，布置光纤主干网，采用有线监测的方式； 4 引言 而在一些分巷道、实际采煤作业区等不易布线，传统有线网络无法达到的地方则 部署无线传感器网络，实现无线监测。采用这种方式可以很好的解决传统有线监 测网络存在的一些问题，如：布线复杂、网络不灵活、易出现监测盲区、维护成 本高等。有线监测网络直接和光纤主干网相连，将监测的数据通过光纤主干网传 送到地面控制中心；无线传感器网络通过汇聚节点和主干网连接，监测的数据通 过汇聚节点和光纤主干网再传送到地面控制中心，地面控制中心再通过i n t e t n e t 网 络和远程监测中心实现信息共享。 无线传感器网络在整个监测系统中，主要是部署在有线网络不易到达的区域， 或者是环境复杂，条件恶劣，有线网络容易被破坏的地方，也就是主要部署在煤 矿的实际开采区。在本系统中无线传感器网络采用层次型拓扑结构( 如图1 3 所示) 。 j 7 、 g 、。矿、 ( 、? 一歹七吲一。 o 协调器汇聚节点 0 路由器簇首节点 端节点 若端节点向协调器 传递数据的流向 图卜3 无线传感器网络层次型拓扑结构 f i g 1 3t o p o l o g yo fc l u s t e r - c a t e n u l a t ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 这种拓扑结构8 1 简单、易于部署、在程序设计上简单，而且可以实现简单的定 位功能。汇聚节点和光纤骨干网相连接，在物理层上要实现一些接口的转换，而 在网络层、应用层上则要进行一些协议栈的转换，数据的处理等。 1 4 无线传感器网络和w i m a x 网络的互连 目前无线传感器网络主要应用于：煤矿监测预警、环境监测、军事应用、灾 难预警、医疗监护等。所监测的数据汇集之后主要是通过有线的方式传送到外部 网络，提供给用户，这种方式需要将有线网部署到无线传感器网络监测的地方， 很难应用于一些不易布线的地区( 如：灾难监测、矿山监测等) 。一种采用完全无线 方式的监测网络( 也就是无线传感器网络收集到数据后通过无线的方式传递到外部 网络) ，已经越来越引起关注。w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 作为一种新兴的技术【9 】，其网络覆盖范围大，传输速率快，在近几年得到了快速的 5 北京交通大学硕十学位论文 发展。将无线传感器网络和w i m a x 网络实现异构互连组成监测系统，将会是很 有意义的，不仅将无线传感器网络的应用推向一个新的高度，而且对于w i m a x 网络也是一种应用上的尝试。 将多个无线传感器网络和w i m a x 网络组成一个大的监测系统，从而向用户 提供服务，如图1 4 。 图l _ 4 无线传感器网络和w i a m x 网络组成的监测系统 f i g 1 - 4t h em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h ew s na n dw i m a xn e t w o r k 无线传感器网络通过网关( 无线传感器网络的汇聚节点可以起到网关功能) 和 w i m a x 网络相连接，w i m a x 网络通过核心网 1 0 】( 一般为i n t e m e t 网) 和远程监测中 心连接。多个无线传感器网络分布在w i m a x 网络覆盖的范围内，实现对热点区 域( 需要监测的区域) 的监测，同时监测所得到的数据，通过网关设备传送到w i m a x 网络的控制服务器。控制服务器再对数据进行处理、融合等操作后，将数据传递 到远程控制中心。用户无论是来自w i m a x 网络内部，还是来自i n t e r n e t 网络上的， 都可以直接访问w i m a x 网络控制服务器获取实时监测数据，也可以通过访问远 程监测中心获取历史数据。通过这种方式组成的监测系统，和有线网络组成的监 测系统相比，更加灵活、布网更方便、适用范围更广，对于无线传感器网络的应 用具有重要的意义。 1 5 本论文的组织工作 本论文设计并实现了主辅备份路由多参数无线传感器监测网络，一方面研究 无线传感器网络的工作方式，包括：网络的拓扑形成、路由机制、数据收集方式、 6 引言 多参数数据收集的实现以及网络的管理等；另一方面研究无线传感器与其他网络 的互连，包括：无线传感器网络和煤矿井下的有线监控系统相连接，以及无线传 感器网络和w i m a x 的异构互连。论文总共分为七章，其各个章节的结构如下： 第一章引言。主要介绍了选题背景，我国煤矿安全生产的现状与面临的形势， 以及目前我国矿井无线监控传感器网络的发展状况。介绍了煤矿多参数监测无线 传感器网络的结构和主要优势，提出本文设计的多参数无线监测网络主要考虑的 因素。提出了无线传感器网络和其它网络互连从而组成监测系统的方法。最后介 绍了本论文主要的研究工作。 第二章无线传感器网络硬件和软件设计。主要介绍了主辅备份多参数无线传 感器网络的硬件和软件开发平台，以及所采用的通信协议：z i g b e e 协议。 第三章无线传感器网络组网和路由。主要介绍了主辅备份路由多参数无线传 感器网络的拓扑结构、路由机制，以及整个无线传感器网络建立( 包括协调器建网、 路由器和端设备入网) 的过程，还有网络中各个设备地址的分配。 第四章无线传感器网络数据采集和网络管理。主要介绍了多参数层次型无线 传感器网络的数据收集方式和网络的管理。数据收集方式主要包括：周期巡检和 中断工作方式。网络管理主要包括：对网络路由机制的维护和管理、对网络故障 的维护和管理、对数据采集的管理。 第五章无线传感器网络与其他网络互连。主要介绍了无线传感器网络与煤矿 井下的有线监控系统通过m o d b u s 协议互连的方法，以及无线传感器网络通过网关 和w i m a x 网络互连的方法。 第六章实验。在实验室环境和煤矿井下对无线传感器网络的功能进行测试， 包括：无线传感器网络周期巡检工作方式下的多参数数据收集、中断工作方式下 的数据收集、网络管理、无线传感器网络和w i m a x 网络互连的测试。 第七章总结与展望。对本文所完成的工作进行总结，提出不足和展望。 7 北京交通人学硕士学位论文 2 无线传感器网络硬件和软件设计 2 1 概述 对于多数的网络来说，无线通信技术应用的目标旨在提高所传输数据的速率 和传输距离，而在诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控 制网络等应用中，系统所传输的数据量很小，传输速率很低，系统所使用的终端 设备通常采用电池供电的嵌入式设备，如无线传感器网络【l l 】，因此这些系统必须 要求传输设备通常具有低成本、低功耗等特点。煤矿井下监测系统所设计的无线 传感器网络同样也要具有上述特点，所以网络所采用协议、硬件设备、软件平台， 对于实现上述目标就显得特别的重要。本章节重点介绍无线传感器网络的协议、 硬件和软件平台。第二节介绍无线传感器网络所采用的z i g b e e 协议的特点；第三 节介绍无线传感器网络所采用的硬件平台，同时还介绍无线传感器网络向外部网 络传送数据所需要的硬件平台；第四节介绍无线传感器网络软件的开发工具和环 境，以及软件所运行的平台等。 2 2 z i g b e e 协议的特点及其介绍 目前短距离无线通信技术已经成为无线通信技术的一个重要分支【1 2 1 ，这是因 为在现实生活中，存在着许多这样的应用情况，系统所传输的数据通常为小量的 突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送，如果采用传统的无线技 术，虽然能满足上述的要求，但存在着设备成本高、体积大和能源消耗大等问题。 对于这样的应用场合，人们希望使用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速 率低的短距离无线通信技术。针对这些特点和需求，由英国i n v e n s y s 公司、日本 三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2 0 0 2 年共同宣布组成 z i g b e e 联盟，共同研究开发z i g b e e 技术。目前该技术联盟已经发展和壮大为由1 0 0 多家芯片制造商、软件开发商、系统集成商等公司和标准化组织组成的技术组织， 而且，这个技术联盟还在不断的壮大。z i g b e e 技术是一种具有统一技术标准的短 距离无线通信技术，其p h y 层和m a c 层协议为i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层 由z i g b e e 技术联盟制定。应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行 开发利用，因此该技术能够为用户提供机动灵活的组网方式。 8 无线传感器网络硬件和软件设计 2 2 1 z i g b e e 协议的体系结构 在z i g b e e 技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准，每一层负 责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之问的接口通过所定义的逻辑 链路来提供服务。z i g b e e 技术的体系结构【1 3 】主要由物理( p h 、媒体接入控制 ( m a c ) 、网络层以及应用框架层组成，如图2 1 所示。 图2 - 1z i g b e e 技术协议组成 f i g 2 1z i g b e ep r o t o c o ls t a c k 由图可以看出，z i g b e e 协议分为4 层，其物理层和m a c 层遵循i e e e 8 0 2 1 5 4 的协议规范标准，而网络层和应用层则是z i g b e e 联盟规定的。 其中每一层的功能【1 4 】是不一样的，z i g b e e 物理层通过射频固件和射频硬件提 供了一个从m a c 层到物理层无线信道的接口。在物理层中，包含了一个物理层管 理实体( p l m e ) ，该实体通过调用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供 直接接口，同时还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理 层个域网络的基本信息。在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层实体服务 接入点，其提供了两种类型的服务( 如图2 2 ) ：通过物理层管理实体接i ( p l m e ) 对 p h y 层数据和p h y 层管理提供服务。 图2 - 2 物理层结构模型 f i g 2 - 2p h y s i c a ll a y e rm o d e l 9 北京交通人学硕士学位论文 p h y 层服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元( p p d u ) 来 实现。p h y 层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择， 清楚信道评估( c c a ) ，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。在物理信道上， z i g b e e 使用了3 个工作频段，每一频段宽度不同，其分配信道的个数也不同，在 i e e e 8 0 2 1 5 4 规范标准定义了2 7 个物理信道，每个信道所占用的频段不同，在不 同的频带其带宽不同。在2 4 5 0 m h z 频段有1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段有1 0 个信道， 8 6 8 m h z 有1 个信道。在选择z i g b e e 设备时，可以根据当地无线电管理委员会的 规定，购买符合当地所允许使用频段条件的设备，我国规定z i g b e e 的使用频段为 2 4 g h z 。 媒体接入控制( m a c ) 层，在服务协议汇聚层( s s c s ) 和物理层提供了一个接口。 m a c 层包括一个管理实体，通常称为m a c 层管理实体( m r m e ) ，该实体提供了 一个服务接口，通过该服务接口可调用m a c 层管理功能。同时，该管理实体还负 责维护m a c 层固有的管理对象的数据库，该数据库包含了m a c 层的个域网信息 数据库( p i b ) 信息。在m a c 层中，m a c 层通过它的两个不同的服务接入点提供了 两种服务( 如图2 3 ) ：通过m a c 层管理实体服务接入点( m l m e s a p ) i f i m a c 层数 据和m a c 层管理提供服务。m a c 层数据服务可以通过p i t y 层数据服务发送和接 收m a c 层协议数据单元( m p d u ) 。 图2 - 3m a c 层的参考模型 f i g 2 3m a cl a y e rm o d e l 这两种服务为服务协议汇聚层和物理层之间提供一个接口，这个接口通过物 理层中的数据服务接入点( p d s a p ) 和管理实体服务接入点( p l m e s a p ) 来实现的。 z i g b e e 网络层的主要功能有：设备连接和断开网络所采用的机制，以及在帧 信息传输过程中所采用的安全机制，还包括设备之间的路由发现和路由维护和转 交。为了向应用层提供接口，网络层提供了两个必须的功i i i i 务实体：网络层数 据实体、网络层管理实体。 网络层数据实体为数据提供如下服务： l o 无线传感器网络硬件和软件设计 1 ) 生成网络层协议数据单元( n p d u ) ，网络层数据实体通过增加一个适当的协 议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。 2 ) 指定拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到 一个合适的设备，该设备可能是最终目的通信设备，也可能是在通信链路中的一 个中间通信设备。 网络层管理实体提供如下服务： 1 ) 配置一个新的设备。为保证设备正常工作的需要，设备应该具有足够的堆栈， 以满足配置的需要。配置选项包括对一个z i g b e e 协调器和连接一个现有网络设备 的初始化操作。 2 ) 初始化一个网络，使之具有建立一个新网络的能力。 3 ) 连接和断开网络。具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个 z i g b e e 协调器或者z i g b e e 路由器，具有要求设备同网络断开的能力。 4 ) 寻址。z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器具有为新加入网络的设备分配地址的 能力。 5 ) 邻居设备发现。具有、记录和汇报有关一跳邻居表信息的能力。 6 ) 路由发现。具有发现和记录有效地传送信息的网络路由能力。 7 ) 接收控制。具有控制设备接收机状态的能力，即控制接收机什么时间接收、 接收时间的长短，以保证m a c 层的同步或者正常接收等。 8 ) 网络层通过两种服务接入点提供相应的两种服务，它们分别是网络层数据服 务和网络层的管理服务，如图2 4 。 图2 _ 4 网络层参考模型 f i g 2 _ 4n e t w o r kl a y e rm o d e l 北京交通人学硕士学位论文 网络层数据服务通过网络层数据服务实体接入点接入，网络层的管理服务通 过网络层的管理服务接入点接入。这两种服务通过m c p s s a p 和m l m e s a p 接 口为m a c 层提供接口。通过n l d e s a p 和n l m e - s a p 接口为应用层实体提供接 口服务。网络层数据实体服务接入点支持对等应用实体之日j 的应用协议数据单元 的传输。网络层数据实体服务接入点所支持的函数原语为请求、确认和指示原语。 五曲e e 应用层由应用支持层、z i g b e e 设备对象和制造商所定义的应用对象组 成。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑 定就是基于两台设各的服务和需求将它们匹配地址连接起柬。z - g b e e 殴备对象功 能包括：定义设备在网络中的角色( 如z 曲e e 协凋器和终端设备) ，发起和响应绑 定请求，在网络设备之间建立安全机制。z i g b 设备对象还负责发现网络中的设 备，并且决定他们提供何种应用服务。 2 2 2z i g b e e 协议支持的网络拓扑 z l 曲e e 协议规定的设各种类有两种：全功能设备( f f d ) 和精简功能设备 ( r f d ) 。全功能设备是指可执行多项任务的设备，包括：协调器( c o o r d i n a t e ) ，路由 器( r o u t e r ) 。精简功能设备在无线传感器网络中主要执行传感器参数的收集，也就 是端设备( e t l d ) 。协调器在尤线传感器嗍络中主要作用是：收集整个无线传感器网 络的数据，对整个无线传感器网络进行管理，同时提供和外部网络的接口。路由 器的主要作用：为端设各和协调器之间的通信提供路由通道，并维持该路由。端 设备的作用：集成了传感器网络，并根据协调器的命令收集所需要的参数，然后 通过路由器将数据传递到协调器。无线传感器网络中设备之日j 是按照一定的网络 拓扑结构行通信的，z l g b e e 协议支持i 种网络拓扑结构，如图2 - 5 所示。 阁2 - 5z j g b e e 协议支持的三种阿络拓扑结构 f i 9 2 - 5 1 1 一t y p e s o f n e t w o r k t o l m l o g y s u p p o r t e d b y z i g l a e e p r o t o c o l 无线传感器网络硬件和软件设计 z i g b e e 协议支持的三中网络拓扑结构分别为：星型、层次型、网格型。星型 网络拓扑结构简单，结构、路由都稳定，适合于小型监测网络。网格型网络，拓 扑结构较为复杂，路由多，抗干扰能力、自愈能力强，网络结构较大适合于大型 的无线传感器监测网络。层次型网络是星型网络的一种拓展，其网络规模比星型 的大，适合于中型监测网络。对于无线传感器网络的拓扑结构可以根据所需要的 监测情况选择不同的网络拓扑结构。 2 3 无线传感器监测网络的硬件介绍 2 3 1 传感器节点结构 无线传感器网络中的传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信 图2 - 6 传感器节点结构 。 f i g 2 - 6t h es t r u c t u r eo fs e n s o rn o d e 每个模块都承担着一定的功能，传感器节点负责监测区域内信息的采集和数 据的转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，并存储和处理其他节点 发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息 和收发采集数据“能量供应模块为传