煤矿井下无线传感网络通信关键技术的研究

第3期　2008年6月工矿自动化　Industry and Mine Automation No.3　J un.2008　实验研究文章编号:1671-251X (2008)03-0001-04煤矿井下无线传感网络通信关键技术的研究胡圣波(贵州师范大学智能信息处理研究所,贵州贵阳　550001) 摘要:煤矿井下环境监测是无线传感网络的应用之一,要求监测数据必须通过土壤、煤岩传输,这给无线通信技术提出了新的挑战。

文章分析了煤矿井下无线传感网络通信技术面临的问题,证明了井下信道特性与土壤、煤岩特性,特别是与湿度相关。

为降低能耗、克服高损耗,文章在分析了陆地无线传感网络的通信协议的基础上,对无线传感网络的通信协议提出了修改建议。

此外,为提高网络效率和可靠性,提出了跨层管理协议的设计方法。

关键词:煤矿井下;无线传感网络;无线通信;通信协议;跨层管理协议 中图分类号:T D655 文献标识码:AResearch of Key Technologies of Communication for U ndergroundWireless Sensor NetworksHU Sheng 2bo(Instit ute of Intelligent Information Processing of Guizhou Normal U niversity ,Guiyang 550001,China ) Abstract :One of applications of wireless sensor networks is environmental monitoring for coal mine 2underground.It needs data from sensor in mine to be routed to surface stations t hrough soil or rock of mine t unnels ,and represent s a new challenge for wireless communication.The paper analyzed t he p roblems which communication of underground wireless sensor networks is facing wit h ,and demonstrated t hat characteristic of underground channel depends on t he p roperties of soil or rock ,particularly humidity.In order to reducing dissipation of energy and overco ming high lo ss of underground channel ,t he paper p ut forward adaptation advice on t he basis of analyzing t he existing co mmunication protocols of terrest rial wireless sensor networks.Furt hermore ,t he paper presented a design met hod of cross 2layered management p rotocol for imp roving efficiency and reliability of t he communication networks.K ey w ords :coal mine underground ,wireless sensor networks ,wireless communication ,communi 2cation protocol ,cro ss 2layered management protocol 收稿日期:2008-01-15作者简介:胡圣波(1964-),博士,教授,现主要从事无线通信技术、智能信号处理方面的研究工作,已发表论文20多篇。

0　引言无线传感网络是一种“无处不在”的传感技术,它使用户可以更加深入地了解和把握周围的世界。

无线传感网络的随机布设、自组织、环境适应等特点使其能够完成传统系统无法完成的任务,环境监测就是其中之一[1]。

目前,煤矿井下环境监测主要采取有线传输的方式,这种方式存在布线烦琐、成本高、线路依赖性强等缺陷。

特别是矿井出现爆炸、塌垮等危险事故时,传感器及线缆将会受到致命的损坏,更不能为抢险和搜救工作等提供信息。

近年来,利用无线传感网络具有的优势,基于无线传感网络的煤矿井下环境监测研究得到了国内外的广泛关注[2～4]。

但是,这些研究主要是基于矿井巷道内的无线通信技术[5],并不完全适合矿井出现爆炸、塌垮等危险事故时各种监测信息需要通过煤层、土壤、岩石传输的实际。

因此,研究通过煤层、土壤、岩石传输的煤矿井下无线传感网络通信的关键技术,对提高煤炭安全生产效率和抢险、救灾能力非常必要。

1　面临的问题由于煤矿井下无线信道复杂多变、传输损耗特别大,因此需要分析陆地无线传感网络的通信技术,研究适合满足煤矿井下无线传感网络通信技术。

煤矿井下无线传感网络通信技术主要面临如下挑战[6～8]:(1)低能耗要求。

由于煤矿井下无线传输损耗大,要求发射机功率比陆地大,更换传感器或电池十分困难,因此,降低网络节点能耗、延长网络生命周期更加迫切。

(2)网络拓扑选择。

无线传感网络拓扑结构对网络成本和网络节点能耗至关重要。

一方面,传感器网络拓扑与井下环境监测应用实际密切相关;另一方面,为降低网络节点能耗,应选择短距离多跳的组网方式,但可能增加了成本。

因此,做好降低能耗和成本之间的平衡、优化网络拓扑结构非常重要。

(3)天线选择。

选择合适的天线是井下无线传感网络必须面临的又一挑战。

井下工作实际要求天线应尽可能小,这就要求使用较高的频率,势必使传输损耗更大。

此外,天线的选择与网络物理层所用的技术密切相关,这方面下一节将作更深入的研究。

(4)恶劣的工作环境。

一方面,井下环境湿度、温度、气体等都会对无线传感网络电子设备造成危害,必须对这些设备加以保护;另一方面,上述工作环境也会对无线通信造成不利影响。

2　信道特性井下无线信道是影响井下无线传感网络实现的关键因素之一。

应用电磁波传输理论研究井下无线信道时有报道[9～13],主要集中在穿地(ground2 penetrating)雷达和10k Hz以下频率的透地通信(t hrough2t he2eart h communication)方面,但针对数字通信的无线信道模型并不多见,究其技术原因主要是信道具有时变、空变的特点,十分复杂。

2.1　影响因素影响井下无线信道的因素主要有[9～13]:路径损耗、反射/折射、多径衰落、传播速度下降、噪声和干扰等。

(1)路径损耗。

路径损耗主要包括2个方面:一是自由空间电磁波的传输损耗,可由(4πd/λ)2计算得出,其中λ是电磁波波长,d是电磁波传输距离;二是介质吸收衰减,介质吸收衰减与介质所含水份、介质颗粒大小和粘连程度等有关。

根据参考文献[14]提出的模型,给出了在不同湿度条件下,50%的沙子、35%的泥沙和15%的粘土组成的混合土壤路径损耗的仿真结果,如图1、2所示。

从图1、2中可看出,频率越高、湿度越大,路径损耗也越大。

图1　传输距离为1m时,电磁波传输和介质吸收的路径损耗仿真曲线图图2　传输距离为1m时,电磁波传输和介质吸收衰减仿真示意图 (2)反射/折射。

由于传感器有可能埋藏在煤层里,也有可能埋藏在巷道表面,电磁波会在空气、煤层、土壤等不同介质中传播,这样,无论是从地面到井下,还是井下到地面,都会出现电磁波的反射和折射。

(3)多径衰落。

由于电磁波传播出现反射、折射以及散射等,自然会造成传输的多径衰落现象。

(4)传播速度下降。

与在自由空间中传播相比,电磁波在经过土壤或岩石等介质时,传播速度会降下来。

由于大部分土壤的介电常数在1～80之间[14],所以电波传播速度至少要下降10%。

(5)噪声和干扰。

除热噪声外,井下无线通信还会受到电机等电气设备1k Hz以下频率的电磁干扰。

2.2　链路预算为保证井下无线通信,需要预算链路传输损耗:・2・工矿自动化2008年6月 P r=P t+G t+G r-20log(4πd/λ)2-L m(1) 式中:P r为接收端的信号功率;G t为发射机天线增益;G r为接收机天线增益;20log(4πd/λ)2-L m为自由空间的传播损耗;L m为介质吸收电磁波的衰减。

例如:根据陆地无线传感网络物理层协议IEEE802.15.4,假设功率为1W的发射机频率为900M Hz,发射机和接收机天线增益均为2dB,接收机灵敏度为-100dB・m。

由式(1)可以计算未知的L m,该值决定了在以上工作条件下电磁波的最大吸收衰减。

如传输距离为5m,那么最大吸收衰减为88.5dB,而每米吸收衰减最多为17.5dB。

反过来,根据介质的不同条件,查询图2,也可得到L m,从而计算接收端的信号电平。

2.3　物理层技术的其它选择从2.1节和2.2节可以看出,电磁波传输并不是井下无线传感网络物理层的最佳选择。

为可靠传输,除继续研究电磁波传输以外,仍需考虑其它的物理层技术,其中之一是磁感应(Magnetic Induction)技术[15]。

磁感应传输有以下几个优点:第一,不同介质磁渗透性几乎一样,穿越空气、土壤等不同介质时衰减几乎一样,这与电磁波传输明显不同;第二,磁感应是一种近场感应,不是传播,不会出现电磁波传输的多径衰落现象;第三,发射机和接收机可使用较小的导线线圈感应,可以满足天线小型化的要求。

目前,磁感应通信在水下已得到证明[15],采用FS K调制通信距离可达到几百米。

参考文献[16]也证明,载频为100k Hz的磁感应技术适合井下无线通信。

3　通信协议通信协议负责传感器节点间点到点、点到多点的无线通信及自组网络,并向管理与基础服务层提供服务支持。

与陆地无线传感网络通信协议架构一样,井下无线传感网络通信协议也由5层构成,即物理层、链路层、网络层、传输层、应用层。

此外,针对井下无线通信的特点,为改进网络性能、提高网络效率、降低能耗,需要增加跨层电源管理和任务管理,如图3所示。

3.1　物理层由于井下电磁波传输损耗大,具有时变、空变的特点,如何选择工作频率、天线尺寸以及高效的调制方式,将成为物理层技术必须面对的问题。

总之,物理层技术研究应包括:图3　井下无线传感网络通信协议栈架构图 (1)除进一步研究井下电磁波的传输外,还需研究磁感应通信技术等,以确定最适合井下无线通信的物理层技术。