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目前煤矿环境监控系统大多采纳有线和固定传感器组成的网络,由于工作面的不断推动,存在着监测盲区。无线传感器网络采纳无线通信手段,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)和一些工作地点常常变幻的区域(如矿井采煤附井)等。因为无线传感器网络不必须要任何固定网络的支持,具有快速展开、抗毁性强等特点。本文讨论一个合适在矿区运用的低功耗无线传感器网络的制定,主要传感器网络的网络结构、采纳的通信协议和传感器节点的制定。 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,采纳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。集中式结构的一般节点比
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,依据节点数目的多少,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,每一个结点都必须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必须要大量的控制消息。 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。制定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猜测才是最重要的。因此本制定采纳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善。因为网络的自组织必须要很大的开销,而且容易出现泛洪等问题,所以依据本制定中必须要监测的环境地点是确定的这一特点,可以通过固定一般节点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制定复杂度,同时加快确保通信的速度,本制定不采纳传统的网络中TCP/IP协议。 程控步进衰减器系统
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。合计环境监测的目的,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)。当一般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(一般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信息不同的节点则持续监听接收。同时,主节点在发送完控制帧后就转入接收状态,等待响应。当其接收完一般节点的全部信息后,发送一个控制帧给一般节点,以确定接受到信息,同时结束整个通信过程。另外,合计到灾害猜测信息监测的特点,有些时候一般节点要求发送一些紧急信息。所以制定时合计到可以同意一般节点发起通信。例如状况紧急时,一般节点必须将报警信息(消息帧)马上发回主节点,以便采用相应的措施。主节点和一般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,数据帧和信息帧由一般节点发射,主节点接收。而控制帧是由主节点发射,一般节点接收。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。
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3 节点制定
无线传感器网络节点通常包括5个功能部件:传感硬件,存储器,嵌入式处理器,无限发送接收器件和电池。传感器网络节点是网络的基本单元。节点的长时间稳定运行是整个网络可靠运作的一个基本确保。
opbi 节点分为4个部分:传感单元,主控单元,通信单元和供电单元。传感单元负责采集数据;主控单元负责接收传感单元传输的信号并对其进行适当的处理,然后或者存储在主控单元的储存器中或者将处理好的信息传输给通信单元,并控制通信单元在适当的时候发送数据;通信单元负责发送数据;不同等级的节点通信单元也有所不同。其中主节点要求含有有线的通信模块来与上位机进行通信,同时还要有无线接收发送模块和其他一般节点进行通信。当然主节点与上位机进行通信也可以采纳无线的方式,但是从简化节点控制的角度出发,选择有线通信。一般节点只必须要无线接收发送模块即可;供电单元为其他单元停供能源供给,因为是无线传感器,所以必须合计对节点的供电进行特别合计。
3.1 主控单元
主控单元采纳Atmel公司的Atmega16L单片机。Atmega16L是一种高性能低功耗的AVR微处理器。它采纳先进的精简指令系统(RISC)体系结构,数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而
可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16L的工作电压可以很低,范围在2.7~5.5V之中,同时它有6个可以通过软件选择的省电模式:空闲模式、掉电模式、省电模式、ADC噪声抑制模式、Standby模式以及扩大的Standby模式。工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART,A/D转换器等以及中断系统持续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步按时器持续运行,同意用户坚持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态。AT-mega16L在1MHz,3V,25℃时的功耗为正常模式:1.1mA;空闲模式:0.35mA;掉电模式:1μA。同时ATmega16L集成丰富的外设:16K字节的系统内可编程Flash,512字节EEPROM,1K字节SRAM,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的按时器/计数器,丰富的中断,可编程串行USART,8路10位的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗按时器。所以使Atemga16L来作为节点的主控单元可以大大简化外围电路,提升系统的可靠性。
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