【正文】 多不同于一般地面的無線通信系統(tǒng)的特點，許多地而上使用的通信設(shè)備和技術(shù)無法直接應(yīng)用到煤礦井下。 為了 安全生產(chǎn)，需設(shè)計一套完善的礦井應(yīng)急無線通信系統(tǒng)。 但 是這些幾乎 系統(tǒng) 都是基 于有線的 系統(tǒng) ,在緊急狀態(tài)下 (比如電力中斷 ,事故等 )如何將安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控信息及時 、 準(zhǔn)確地傳送到各級相關(guān)人員手中 ,缺乏有效的手段 。 本 文 提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井應(yīng)急通信 系統(tǒng) 的設(shè)計方案 。 2 國內(nèi) 外 煤礦安全監(jiān)測研究狀況 國內(nèi)煤礦安全監(jiān)測研究狀況 目前，我國煤礦井下通信基本使用有線裝置，依靠電纜傳輸信息，由于井下特殊環(huán)境所限，地面潮濕，電纜腐蝕嚴(yán)重，一旦發(fā)生事故，通信馬上中斷，指揮端很難與事故地點取得聯(lián)系，成為礦井通信一個至關(guān)重要的盲點，介于有線通信的種種弊端，國內(nèi)外現(xiàn)正積極研究各種井下無線通信系統(tǒng)，這 對煤礦生產(chǎn)管理，特別是礦井救災(zāi)具有重要意義。但是這些系統(tǒng)幾乎都是基于有線的系統(tǒng)，在緊急狀態(tài)下如何將安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控的信息及時、準(zhǔn)確的傳送到相關(guān)人員手中，缺乏有效的手段。 1990 年 8 月，美國 安菲斯公司利用超低頻信號的穿透力研制開發(fā)的世界唯一一套可實現(xiàn)超低頻信號穿透巖層進(jìn)行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng)投入煤礦使用。該系統(tǒng)能夠提供一些預(yù)先編制好的緊急信息，這些信息在緊急情況出現(xiàn)時自動生成?？梢员O(jiān)控多種輸入，警告信息 由礦井人員預(yù)先指定，在緊急情況發(fā)生時，可以在最短的時間內(nèi)，將警告發(fā)送給井下全部或相應(yīng)的工作人員。 在這種情況下，設(shè)計的一種無線傳感模塊就具有了很大的市場，本文在對比 3 了現(xiàn)有的幾種短距離無線數(shù)據(jù)通信的特點后，設(shè)計了一種短距離無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，給出了其系統(tǒng)硬件框圖，并詳細(xì)分析了其工作原理，在無線發(fā)送模塊的設(shè)計中決定采用 移動通信的 900MHz 信號是實現(xiàn)礦井無線通信 ， 其中 利用光纖之放系統(tǒng)將信號源引入井下， 在接收部分，我們采用 GSM 模塊 作為接收模塊的控制部分。 無線傳感模塊的設(shè)計要求 具有發(fā)送接收數(shù)據(jù)的功能，根據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)的情況判定礦井人員的位置。 具有抗干擾的優(yōu)勢，能夠最大程度的避免通信沖突。 2. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹 所謂傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在一定區(qū)域內(nèi)的 ,具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自 主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng) 。 感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨立的環(huán)境下運(yùn)行 ,也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng) ,使用戶遠(yuǎn)程訪問 。 SN 沒有嚴(yán)格的控制中心 ,所有節(jié)點地位平等 ,是一個對等式網(wǎng)絡(luò) 。 (2)自組織 。 4 (3)動態(tài)拓?fù)?。1 個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其它故障 ,退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行 ,也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中 .這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化 ,因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓?fù)浣M織功能 。 SN 節(jié)點數(shù)量大 ,分布范圍廣 ,難于維護(hù)甚至不可維護(hù) 。 (5)硬件資源有限 。 以 ,需要解決如何在有限計算能力的條件下進(jìn)行 協(xié)作分布式信息處理的難題 。 緊急情況下 ,井下一般都會斷電 ,線路也有可能出現(xiàn)問題 ,因此 ,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是一個很好的選擇 ,再結(jié)合具有廣泛覆蓋范圍的移動通信手機(jī)模塊 ,就可以將所需的數(shù)據(jù)安全可靠地傳送到地面中心和有關(guān)責(zé)任人員的手中 。底層是部署在礦井巷道和工作面上的傳感器網(wǎng)絡(luò)，向上依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控中心。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點信息的局部網(wǎng)絡(luò)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，也在很大范圍內(nèi)節(jié)約了能量。 圖 4 星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 星形拓?fù)涫怯芍醒牍?jié)點和通過點到點無線鏈路到中央節(jié)點的各個站點組成， 如圖 4所示。這種結(jié)構(gòu)一旦建立了通道連接 ，就可以在連通的 連個節(jié)點之間傳送數(shù)據(jù)。 圖 5 網(wǎng)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)形拓?fù)淙鐖D 5 所示。由于節(jié) 6 點之間有許多條路徑相連，可以為數(shù)據(jù)流的傳輸選擇適當(dāng)?shù)穆酚?，從而繞過失效的部件或過忙的節(jié)點。 圖 6 樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 樹形拓?fù)鋸目偩€拓?fù)溲葑兌鴣?，形狀像一顆倒置的樹，頂端是樹根樹根以下 帶分支，每個分支還可以再帶 子分支，如圖 6 所示。樹形拓?fù)涞膬?yōu)點是易于擴(kuò)展發(fā)現(xiàn)故障較容易，缺點是各 個節(jié)點對根的依賴性太大。 這里，由主節(jié)點來調(diào)節(jié)非主節(jié)點的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗會相對較大。選取所有節(jié)點中能量大于某一設(shè)定值的少數(shù)幾個節(jié)點作為主節(jié)點，其余節(jié)點選取離自己距離最近的主節(jié)點作為自己的控制節(jié)點。 基于保證礦井人員安全的需求，設(shè)計一種人員定位系統(tǒng)是很必要的，由于礦井人員的移動性，采用無線定位技術(shù)能更有效實現(xiàn)井下人員的定位。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN 是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息 (如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象 )，并對這些信息進(jìn)行處理后以無 7 線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。網(wǎng)關(guān)節(jié)點往往個數(shù)有限，而且常常能量能夠得到補(bǔ)充；網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式 (如 Iniemct、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等 )與外界通信。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由處理器單元、無線傳輸單元、傳 感器單元和電源模塊單元 4部分組成。 圖 7 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 本模塊的通信方式屬于點對點的通信方式，點對點無線通信是無線通信中最基本的通信方式，是點到多點無線通信以及無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。 短距離無線數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)簡介 短距離無線通信相比有線通信有以下主要特征：無線發(fā)射功率從幾 181。W；通信距離范圍從幾厘米到幾百米；主要在房間內(nèi)使用；使用全向天線和傳感器 電源 電源 無線傳輸 電源 處理器 8 線路板天線；不 需要申請無線頻道；高頻操作；電池供電的無線發(fā)射器和無線接收器。發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射出去，接收器天線接收后，進(jìn)行處理，得到正確的經(jīng)過校驗的數(shù)據(jù)。 在進(jìn)行短距離無線通信時，現(xiàn)已有多種技術(shù)方案可供選擇，最流行的關(guān)于 短距離無線數(shù)據(jù)通信的 3 個標(biāo)準(zhǔn)是藍(lán)牙 (Bluetooth)， (Wi 一 Fi)標(biāo)準(zhǔn)和IrDA，另外最近還出現(xiàn)了 UWB， ZigBee 與 GPRs 數(shù)據(jù)通信技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)是一種用于各種固定與移動的數(shù)字化硬件設(shè)備之間的低成本、近距離的無線通一訊連接技術(shù)。這項技術(shù)能夠非常廣泛地應(yīng)用于我們的日常生活中。藍(lán)牙產(chǎn)品涉及 PC、筆記本電腦、移動電話等信息設(shè)備和 A/V設(shè)備、汽車電子、家用電器和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。目前藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)的重點是多點連接。 Wi Fi 速率最高可達(dá) 11 Mb/s。最初的 規(guī)范是在 1997 年提出的，稱為 ,主要目的是提供 WLAN接入，也是目前 WLAN的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，他的工作頻率也是 GHZ，與無繩電話、藍(lán)牙等許多不需頻率使用許可證的無線設(shè)備共享同一頻 段。隨著時間推移 ,這些問題逐步得到解決，且隨著 Wi Fi 協(xié)議新版本，越來越廣泛。它利用紅外光的通斷表示計算機(jī)中的 01 邏輯。紅外線具有功耗低、連接方便、簡單易用的優(yōu)點。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。 IrDA 目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。與常見的通信方式使用連續(xù)的載波不同， UWB 通過基帶極端的脈沖信號作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。超寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感，發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中