李煌成，江添祥
紫金矿业集团股份有限公司
摘要：近年来,物联网技术,特别是无线传感器网络技术,因其布网容易、性价比好的优点脱颖而出,从而在技术方面为本监测系统的实现提供了有效保障。无线网络传感器网络主要任务就是协同配合的收集、整理并分析大量节点在所监测区域中相关监测对象的各类信息，并将其上传到统一管理中心。对无线传感器网络在矿山环境监测中的应用进行研究对于矿山环境监测有着重要的现实意义。
关键词：无线传感器网络；矿山环境监测；应用
1无线传感器网络在矿山环境监测中应用特点
矿山环境监测中无线传感器网络的特征主要表现在以下几个方面：第一，网络规模较大。为了进一步提升信息数据的准确性，必须在需要监测的矿山环境中安排大量传感器节点。传感器节点的设置则具有大规模性，一是传感器节点分布在矿山较大的地理区域中；二是传感器节点设置密集。在不同空间视角下所获取的信息信噪比更大。大规模传感器所获取的信息能够有效提升矿山环境监测的准确性。大量冗余节点可以提升无线传感器网络系统的容错性能，并且拓展无线传感器网络的覆盖区域，减少监测盲区。第二，自组织网络。在无线传感器网络应用中各个节点的位置无法预先精确判断，这就需要传感器节点拥有自组织能力。无线传感器网络中工作的节点数量就会相应变化，从而导致网络拓扑结构也出现持续变化。无线传感器网络的自组织性就是在矿山环境监测中时刻伴随着这一类型拓扑结构的动态变化而变化。第三，可靠的网络。由于无线传感器网络在矿山环境监测中所设置位置的环境较为恶劣，后期使用网络维护较为困难。同时，由于无线传感器网络的保密性与安全性也十分关键，需要避免监测数据被非法盗取与伪造。所以，要求无线传感器网络的软硬件都具备较高的鲁棒性与容错性。
2无线传感器网络在矿山环境监测中的应用
2.1系统总体结构设计
本质上看，无线传感器网络是一种分布式系统，系统中的资源极度受限。在无线传感器网络中，存在很多无线自主节点的相互协作与分工，它们共同执行数据采集、处理与传输的任务。在当前无线传感器网络的发展背景下，科学借鉴与吸收国内外的先进研究成果，充分结合矿山的实际状况，文章研究了基于无线传感器网络新技术的矿山环境监测系统的体系结构，图1所示为其总体结构。由图1可知，矿山环境监测系统的结构具有层次性，大致由3部分内容共同组成，分别为传感器节点、汇聚节点以及远程控制中心。无线传感器节点位于最底层，在监测环境终端部署，对矿山环境的温度、湿度、振动加速度、粉尘等进行实时采集，在利用传感器节点中自带的微处理器对环境数据进行处理与加工之后，节点会借助ZigBee通信完成对自组织网络的构建。之后，以多跳的方式与群内各节点相互配合，发送处理后的数据于汇聚节点;汇聚节点根据环境数据对终端无线传感器执行控制操作，履行对网络的启动、对采样周期的修改以及对故障的处理与修复等职责。再然后，进行Mesh网络的构建，通过网关设备将数据汇聚起来，进行数据包中有用信息的提取与存储。
最后将它们统一发送到远程控制中心;远程控制中心在接收到经过一系列处理的环境数据之后，选择性地对它们执行存储、显示与分析等操作。
2.2无线传感器网络硬件设计
（1）控制单元。控制电源是传感器节点中的核心元件，主要用于处理数据并协调系统的运行。为了能快速建立传感器节点平台可以使用ATmegal28L作为节点控制单元，计算机性能良好，对无线传感器网络操作系统的支持良好；（2）无线通信模块。CC2420是一款常用的射频收发器，外部元件数量较少，性能稳定、功耗极低。CC2420与微处理器之间的连接十分便捷；（3）存储模块。ATmegal28L微控制器自带数据存储区域，但是为了满足节点代码的自动更新、节点信息配置需要外设相应的数据存储器供使用；（4）传感器模块设计。在系统的总功耗中，传感器功耗所占的比例并不高，在进行传感器选择之时应优先选择耗电量小的，尽可能地排除磁电式、电容式等功耗大的传感器。针对无需具体数字大小的开关等状态量，可选择电压式开关、光电开关以及熔断开关等传感器。通过对传感器电源的供电电路设计进行改进处理，可实现对该模块能量消耗的显著降低。针对小电流式工作传感器，可接受处理器I/O口的直接驱动，当不使用此传感器之时，对I/O口进行输入方式的设置，采用此种方式，外部传感器不会有能量的输入，进而不存在能量上的消耗，例如，温度传感器DS18B20可对此种方式加以采用。（5）电源模块设计。传感器网络通常都布置在人烟不多或危险性比较高的区域，所以对于移动的无线传感器网络而言，电源在系统中的作用十分关键，当节点的电能被耗完之时，便需宣布寿命到期并退出网络，由剩下的节点进行重新组网。电源的设计工作应首先对根据要求的方式储能与供电进行考虑，然后，参照目标环境做出明确能源供给方式，决定到底是选择太阳能还是风能，亦或是选择震动能。为了良好地适应传感器体积小这一突出特征，文章选择使用CＲ2354锂电池。该类电池的额定工作输出电压为3V，容量为350mA·h。若在常温状态下运行，CＲ2354可保持2～3V的工作电压，持续的供电时间大于2个月。
2.3无线传感器网络软件设计
无线传感器网络监测节点接通电源工作后，首先初始化硬件并将其设置为默认参数，节点开始搜索ZigBee协调器创建的网络，并发送加入请求。普通监测节点进入正常工作状态后按照设定采集时间，定期获取传感器模块所监测获取的环境参数值，经过处理后定期多跳回传至汇聚节点或将其缓存至本地，按照上位机达到指令进行回传。当普通监测结点收到上位机参数设置命令时，则可以按照接收到的参数内容对节点参数进行设置，设置的主要数据有自动采集模式、自动休眠模式等。自动休眠模式的应用主要是从系统的能源消耗方面考虑，空闲时间使其处于休息状态，工作时自动唤醒，这样不仅仅可以延长节点上传感器的使用年限，还能够降低系统的能耗。
3结束语
无线传感器网络是由大量节点构成的，以自组织的形式形成无线通信网络体系，通过大量节点来感知、监测与采集矿山环境信息，并将其传输至调度室。无线传感器网络拥有其他传统环境监测系统不具备的优势，十分适合用于矿山环境监测。
参考文献
[1]无线传感器在环境监测数据采集与传输中的应用前景[J].徐荣,刘辉.喀什大学学报.2018(03)
[2]无线传感器网络在环境监测系统中的研究与应用[J].蒋丹,董欣.环境与发展.2018(03)