路 萍

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)近幾年發(fā)展迅速，越來(lái)越多的在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用?，F(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)基本上是通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)建立的，前端傳感器通過(guò)RS485 或者CAN 等總線方式連接分站，分站通過(guò)以太網(wǎng)或者光纖連接交換機(jī)，形成工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)入煤礦監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦各系統(tǒng)的綜合監(jiān)控。隨著煤礦智能化程度的提高，各種保障安全的新技術(shù)產(chǎn)品不斷安裝在煤礦巷道，增加了煤礦建設(shè)復(fù)雜度，有線網(wǎng)絡(luò)布線比較復(fù)雜，修改維護(hù)難度增加。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，利用無(wú)線信號(hào)傳輸傳感器數(shù)據(jù)，減少有線電纜布置，節(jié)省巷道空間，是目前煤礦智能化建設(shè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

近年來(lái)基于UWB 技術(shù)的人員定位系統(tǒng)、RFID電子標(biāo)簽、ZigBee 無(wú)線傳感器等無(wú)線傳輸在煤礦廣泛應(yīng)用?；贚oRa 擴(kuò)頻技術(shù)的低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)近幾年在物聯(lián)網(wǎng)各大領(lǐng)域普遍應(yīng)用，在煤礦領(lǐng)域也開(kāi)始嘗試應(yīng)用，LoRa 能提供更長(zhǎng)的通信距離，更低的功耗[1-2]。煤礦巷道是封閉式線性環(huán)境，巷道橫截面窄小，電磁波的傳播與地面?zhèn)鞑デ闆r完全不同，各種電磁設(shè)備對(duì)無(wú)線信號(hào)干擾較大，無(wú)線信號(hào)傳輸衰減比較大，導(dǎo)致信號(hào)傳輸距離近。如需實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通訊，各節(jié)點(diǎn)需要具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。WaveMesh是一種針對(duì)低功耗、低成本、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的輕量級(jí)的協(xié)議，滿(mǎn)足電池供電、全網(wǎng)休眠、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、實(shí)時(shí)、可靠、大數(shù)據(jù)量應(yīng)用的需要。本文采用LoRa 無(wú)線傳輸技術(shù)，基于WaveMesh 無(wú)線協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)間快，root 在幾秒種的時(shí)間內(nèi)采集到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)，保證了實(shí)時(shí)性，休眠節(jié)點(diǎn)具備數(shù)據(jù)中繼路由的能力，網(wǎng)絡(luò)支持上百跳的中繼級(jí)數(shù)，在煤礦巷道傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)中可長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

1 基于WaveMesh 的無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)共享同一無(wú)線資源，無(wú)線信號(hào)的碰撞以及節(jié)點(diǎn)物理位置的相對(duì)變化都會(huì)使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕?lèi)型有星型和Mesh 網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)路由器中心節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，適合于距離較近的無(wú)線局域網(wǎng)，如WiFi 網(wǎng)絡(luò)。Mesh 網(wǎng)絡(luò)又可分為分簇樹(shù)和全連接Peer to Peer Mesh 網(wǎng)絡(luò)，分簇樹(shù)Mesh 網(wǎng)絡(luò)中由多個(gè)能夠相互連接的路由器和掛接在每個(gè)路由器下的終端組成，Peer to Peer Mesh 網(wǎng)絡(luò)是完全對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)，所有的節(jié)點(diǎn)都有路由和終端的功能。不同無(wú)線Mesh 協(xié)議在可靠性、可裁剪性、吞吐量、功耗、安全性以及成本方面都有自己獨(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)不同特性應(yīng)用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景[3-5]。常見(jiàn)的有ZigBee，Thread，Wireless HART，DigiMesh，Z-Wave 和WaveMesh 等Mesh 協(xié)議。WaveMesh 相比其他Mesh協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由能力并且都可以休眠，節(jié)點(diǎn)能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并計(jì)算路由，采用私有OLDM 多徑路由協(xié)議和并行機(jī)制，路由健壯性和吞吐量得到提高。

WaveMesh 是一種移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，定義了完備的鏈路層MAC 和網(wǎng)絡(luò)層NWK 協(xié)議規(guī)范，對(duì)物理層PHY 沒(méi)有限制，現(xiàn)有的各種各樣的物理層信號(hào)的調(diào)制方式如FSK，LoRa，F(xiàn)HSS，DSSS，OFDM，MIMO等，都可以與WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議MAC 層相匹配，多種射頻芯片都可以實(shí)現(xiàn)基于WaveMesh 的自組織網(wǎng)絡(luò)[6-7]。本文采用了市場(chǎng)通用的高性?xún)r(jià)比ISM 頻段LoRa 射頻芯片和低成本的通用MCU，實(shí)現(xiàn)基于WaveMesh 協(xié)議的root 節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線分簇樹(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)。

WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都可以休眠，不同于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中永遠(yuǎn)不睡眠的設(shè)備路由器和協(xié)調(diào)器以及ZigBee 超級(jí)幀時(shí)鐘同步模式，WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)采用了全網(wǎng)異步喚醒技術(shù)，極短時(shí)間內(nèi)能夠喚醒全網(wǎng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，保證了網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候有最佳的網(wǎng)絡(luò)鏈路。OLDM 路由協(xié)議是WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)所特有的一種多徑路由技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)維護(hù)到其他節(jié)點(diǎn)盡可能多的路由，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的路由數(shù)量大于其它的Mesh 網(wǎng)絡(luò)。WaveMesh 鏈路層協(xié)議和全網(wǎng)異步喚醒算法相結(jié)合，相比其他自組網(wǎng)如ZigBee 等網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的性能有很大提高[8-10]。

2 煤礦巷道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

煤礦巷道頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于礦山頂板離層、錨桿應(yīng)力、圍巖應(yīng)力、頂?shù)装寮皟蓭鸵平繉?shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備包括礦用本安型無(wú)線圍巖移動(dòng)傳感器、礦用本安型無(wú)線錨桿（索）應(yīng)力傳感器、礦用本安型無(wú)線鉆孔應(yīng)力傳感器以及礦用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器等。所有傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)降V用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)入井下交換機(jī)再到工業(yè)環(huán)網(wǎng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，監(jiān)測(cè)結(jié)果以曲線、圖標(biāo)的形式直觀展現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心同時(shí)進(jìn)行工況、周期來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)分析，結(jié)果以日?qǐng)?bào)表和周報(bào)表形式展現(xiàn)。煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各傳感器沿巷道相隔50～100 m 的間隔安裝應(yīng)力、位移、壓力等傳感器，單張網(wǎng)絡(luò)容納的傳感器數(shù)量為100～200 個(gè)，對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為長(zhǎng)度1～5 km 的簡(jiǎn)單多跳線狀網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。

圖1 簡(jiǎn)單多跳組網(wǎng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of simple multi-hop networking

巷道每一個(gè)位置無(wú)線傳感器可以布置2～3 個(gè)，包括圍巖移動(dòng)傳感器、無(wú)線錨桿（索）應(yīng)力傳感器、無(wú)線鉆孔應(yīng)力傳感器，同一位置布置多個(gè)傳感器，可以提高節(jié)點(diǎn)中繼容量，提高整個(gè)線路穩(wěn)定性。簡(jiǎn)單多跳網(wǎng)絡(luò)中除距離root 最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)操作，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶鴶?shù)決定了傳輸時(shí)延，為了減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提出分組多跳組網(wǎng)方式，把無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分為終端節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)，終端節(jié)點(diǎn)只發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，而中繼節(jié)點(diǎn)需要匯聚其所在區(qū)域其他節(jié)點(diǎn)信息并采用多跳的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。分組多跳組網(wǎng)方式如圖2 所示。

圖2 分組多跳組網(wǎng)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of packet multi-hop networking

分組多跳組網(wǎng)方式網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延為最遠(yuǎn)端中繼節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)到轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)的時(shí)延，加上分組區(qū)間內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳的時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)壽命由靠近轉(zhuǎn)換器的中繼節(jié)點(diǎn)決定。

煤礦巷道頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)采用基于LoRa 射頻芯片的WaveMesh自組網(wǎng)模塊，轉(zhuǎn)換器按照2～120 min 的時(shí)間間隔實(shí)時(shí)采集全網(wǎng)的傳感器的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔可以隨時(shí)調(diào)整。未采集數(shù)據(jù)期間，傳感器節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)都能夠休眠將功耗降至最低。所有的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備均由電池供電，網(wǎng)絡(luò)支持上百跳的中繼級(jí)數(shù)； 轉(zhuǎn)換器root 節(jié)點(diǎn)每一次發(fā)送集采命令，能夠在幾秒種的時(shí)間內(nèi)采集到全網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)； 單次數(shù)據(jù)采集成功率基本達(dá)到100%的可靠性；網(wǎng)絡(luò)在惡劣的環(huán)境下能夠長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，免維護(hù)，能夠抗外界電磁干擾，個(gè)別設(shè)備故障不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的礦用本安型無(wú)線鉆孔應(yīng)力傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器，在實(shí)驗(yàn)室、煤礦巷道及室外場(chǎng)所進(jìn)行了基于WaveMesh 的多跳組網(wǎng)測(cè)試。

首先定義網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器root 節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線參數(shù)，同一網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)置相同的網(wǎng)絡(luò)ID、頻段和信道號(hào)，LoRa 射頻主要參數(shù)擴(kuò)頻因子、 信號(hào)帶寬和編碼率也設(shè)置為相同的參數(shù)，各模塊發(fā)射功率可調(diào)。串口協(xié)議需要配置參數(shù)主要包括串口波特率、地址長(zhǎng)度、幀起始符、幀結(jié)束符等。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器root節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線參數(shù)配置如表1 所示。

表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置Tab.1 Wireless network parameter configuration

root 和傳感器節(jié)點(diǎn)使能串口、休眠和中繼功能，異步休眠時(shí)間設(shè)置為114 ms。轉(zhuǎn)換器配置為唯一root節(jié)點(diǎn)，發(fā)送廣播命令獲取各傳感器參數(shù)，各傳感器通過(guò)中繼多跳轉(zhuǎn)發(fā)回復(fù)數(shù)據(jù)。測(cè)試平臺(tái)如圖3 所示。

圖3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)測(cè)試Fig.3 Wireless sensor network networking test

實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)測(cè)試中，9 臺(tái)傳感器節(jié)點(diǎn)上電，放在一起，轉(zhuǎn)換器每隔2 s 發(fā)送一次集采命令，數(shù)據(jù)成功接收達(dá)到100%，轉(zhuǎn)換器及全部傳感器工作正常。簡(jiǎn)單組網(wǎng)測(cè)試中，轉(zhuǎn)換器放置于18 樓，分別在17 樓、15 樓、13 樓、11 樓、9 樓、7 樓、5 樓、3 樓及1 樓放置傳感器中繼節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換器每隔5 s 發(fā)送一次集采命令，數(shù)據(jù)成功接收達(dá)到99.9%，所有傳感器采集數(shù)據(jù)幾秒中內(nèi)能夠全部接收。針對(duì)某一傳感器節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換器可以發(fā)送單播命令進(jìn)行傳感器參數(shù)設(shè)置，其他節(jié)點(diǎn)不受影響。常用的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，只有終端節(jié)點(diǎn)才可以休眠，協(xié)調(diào)器和路由器不能休眠。而對(duì)于WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)，未發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，轉(zhuǎn)換器和傳感器所有節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗。WaveMesh 采用握手報(bào)文喚醒方式，相比前導(dǎo)喚醒方式，采用時(shí)間精度更高、更智能的碰撞算法，避免被反復(fù)喚醒的情況，能夠區(qū)分單播和廣播，進(jìn)行休眠網(wǎng)絡(luò)的集抄。

在清水溪煤礦試驗(yàn)巷道內(nèi)測(cè)試分組多跳無(wú)線傳感器傳輸，如圖4 所示。轉(zhuǎn)換器root 節(jié)點(diǎn)放置于離地面20 cm 處，傳感器節(jié)點(diǎn)依次放置順序?yàn)椋?0 m中繼節(jié)點(diǎn)1、100 m 中繼節(jié)點(diǎn)2 和中繼節(jié)點(diǎn)3、150 m中繼節(jié)點(diǎn)4、200 m 中繼節(jié)點(diǎn)5、210 m 終端節(jié)點(diǎn)6 和終端節(jié)點(diǎn)7。轉(zhuǎn)換器每隔5 s 發(fā)送一次集采命令，數(shù)據(jù)全部成功接收達(dá)到100%。撤除中繼節(jié)點(diǎn)3，210 m處增加終端節(jié)點(diǎn)8，之后轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)十幾秒內(nèi)收到終端節(jié)點(diǎn)8 的數(shù)據(jù)以及其他傳感器數(shù)據(jù)。以上測(cè)試說(shuō)明，基于WaveMesh 的無(wú)線傳感器自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)的增加和減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)剩余部分沒(méi)有影響；路由協(xié)議可以動(dòng)態(tài)尋找盡可能多的路由節(jié)點(diǎn)，路由的切換不需要額外時(shí)間。而ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，重建路由非常消耗無(wú)線帶寬和時(shí)間。WaveMesh 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)方便快捷，節(jié)點(diǎn)上電即可入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)更健壯。

圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)巷道測(cè)試Fig.4 Wireless sensor network roadway test

室外測(cè)試轉(zhuǎn)換器與不同發(fā)射功率傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸距離，發(fā)射功率為1 dBm 的傳感器沿馬路140 m 處達(dá)到穩(wěn)定接收，發(fā)射功率為7 dBm 的傳感器沿馬路200 m 處達(dá)到穩(wěn)定接收，其中距離的測(cè)量與傳感器天線的放置高度有關(guān)，高一些的天線距離稍遠(yuǎn)一些。在巷道內(nèi)做了對(duì)比測(cè)試，轉(zhuǎn)換器放置與離地面20 cm 處，發(fā)射功率為1 dBm 的傳感器沿巷道80 m 處達(dá)到穩(wěn)定接收，7 dBm 的傳感器沿巷道120 m處達(dá)到穩(wěn)定接收，13 dBm 的傳感器沿巷道150 m 處達(dá)到穩(wěn)定接收。通過(guò)測(cè)試，在此LoRa 參數(shù)設(shè)置下，在室外及巷道內(nèi)，基于LoRa 的無(wú)線傳輸距離比常用的ZigBee 要遠(yuǎn)。巷道是由巖壁組成的相對(duì)封閉的有限空間，電池波的傳播受到巖壁的限制，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反射、折射和散射等傳播現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)多徑干擾，傳輸衰減很大，巷道內(nèi)無(wú)線傳輸距離大大降低。發(fā)射功率增大，可以一定程度提高傳輸距離，但功耗與距離不成倍數(shù)關(guān)系。

基于LoRa 射頻芯片的WaveMesh 傳感器自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于煤礦巷道傳感器監(jiān)測(cè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，相比ZigBee 傳輸距離遠(yuǎn)，設(shè)備上電即能工作不需等待額外組網(wǎng)時(shí)間，root 轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)都可以休眠降低功耗，全網(wǎng)可進(jìn)行休眠網(wǎng)絡(luò)的集采，在幾秒鐘之內(nèi)即可獲得所有傳感器數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘會(huì)自動(dòng)同步無(wú)需人工干預(yù)，即使個(gè)別節(jié)點(diǎn)遇到干擾也會(huì)自動(dòng)重新同步，網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需人工維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于LoRa 無(wú)線通信技術(shù)的WaveMesh無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，相比其他ZigBee 等技術(shù)，LoRa 傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，WaveMesh 網(wǎng)絡(luò)采用分組多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減小網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上電入網(wǎng)時(shí)間快，具有多種智能重連機(jī)制保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。WaveMesh 自組織網(wǎng)絡(luò)易擴(kuò)容、維護(hù)使用簡(jiǎn)單，適合煤礦井下巷道傳感器無(wú)線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。