基于甲烷监测的无线传感器网络的功率优化

基于甲烷监测的无线传感器网络的功率优化
彭泓;夏天鹏;赵阳
【摘要】针对目前甲烷监测系统可靠性不高，介绍了一种低成本、低功耗的装有甲烷传感器的无线传感器网络替代传统的有线监控系统，从而更经济更高效地监测煤矿中的甲烷突出；无线传感器网络通过井下终端节点监测甲烷浓度的变化，给地面监控中心提供早期预警信号，使煤矿安全人员能及时发出命令来快速疏散在井下高危险区域作业的矿工，减少损失；重点提出了通过使用低功耗器件、发送最优数量的采样数据以及自动切换传感器节点工作状态来实现甲烷监测系统的功率优化，试验分析发现终端节点功耗可降低至1/4～1/2，通信距离可增加3倍左右，将会有很好的市场效应。

%Aiming at methane monitoring system reliability is not high,this paper introduces a low cost,low power consumption of wire-less sensor network with methane sensor to replace the traditional wired monitor and control system,which will monitor methane in coal mine more economical and efficient.WSN monitors the change of methane concentration by underground terminal nodes and provides early warning signal for ground monitoring center,which can make the coal mine safety personnel prompt to issue an order to evacuate miners who are working in high danger zone of mine quickly and reduce the loss.Particularly,power optimization for methane monitoring system can be re-alized by means of using low power components,sending the optimal number of sampled data and automaticly switching sensor nodes working state,test analysis find that terminal node power consumption can be reduced to 1/4to
1/2,communication distance can be increased about three times,with good market effects.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】3页(P306-308)
【关键词】无线传感器网络;甲烷监测;功率优化;路由算法;CC2530
【作者】彭泓;夏天鹏;赵阳
【作者单位】辽宁工程技术大学电气控制与工程学院，辽宁葫芦岛 125105;辽宁工程技术大学电气控制与工程学院，辽宁葫芦岛 125105;辽宁工程技术大学电气控制与工程学院，辽宁葫芦岛 125105
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
0 引言
我国煤矿生产主要是井工开采，井下生产工序多，作业点分散，人员流动性大，监测监控比较困难，目前煤矿安全系统主要以有线方式实现监测监控任务。

本文的目标是设计一种先进高效的能对甲烷气体浓度进行检测的WSN来保障矿工的安全。

随着无线传感器技术的飞速发展，该系统有助于降低事故发生的等级，提高应急安全措施。

矿井不断开采过程中造成井下安全监测系统布线也必须不断扩展，增加了开采成本的同时也增加了安全隐患。

许多煤矿事故表明，在井下灾害发生或电源出现故障的
情况下，传统安全监测系统铺设的电线极容易被损坏从而危及到矿工的安全并且延长矿井的灾后生产恢复。

选择用无线传感器网络替代传统有线安全监控系统的主要原因是为了规避这个风险并提高井下安全监控系统的效率。

1 无线传感器网络
由于自身的自组织、低成本和低功耗的优势，无线传感器网络在煤矿井下的应用已经吸引了越来越多的的研究热潮。

无线传感器网络由大量有无线传输能力和计算能力的传感器节点组成，在长距离传输信息过程中节点采用多跳无线通讯。

无线传感器网络结合相应的路由协议将会是井下通信又一重大突破。

相比于Bluetooth、Wireless USB、Wi Fi等传输协议，低功耗、低成本的Zigbee协议更符合在矿井下大量应用。

一个矿井的安全监控系统应该是：在正常情况下，实现环境参数无死角采集、快速处理和传输；在矿难情况下或者井下有线通信网络遭到破坏后能通过自组织形成无线应急网络保证井下信息及时准确的采集和传输。

尽管煤炭企业有大量的井下安全监测监控系统，仅有少数使用无线监测技术来加强煤矿的安全生产。

设计矿井无线传感器网络的时候需要考虑布局和环境。

众所周知，煤矿井下巷道众多，所以无线传感器网络的创建将会是广泛和复杂的。

无线网络拓扑结构通常分为星状网、网状网、混和网共3种。

混合网网络结构兼具星状网的
简洁、易控以及网状网的多跳和自愈的优点，使无线传感器网络的建立、维护以及更新更加简单和高效。

所以由星型和网状结构相结合的混合网络拓扑结构是大规模传感器网络最合适的拓扑结构。

煤矿地面设有一个中央监控中心用于监控井下矿工工作环境的安全与否。

无论何时，当中央监控中心收到煤矿井下无线传感器网络发出的危险预警信号后，会立刻通过全网络通信系统呼叫救援队并通知井下作业的矿工快速撤离危险区域，从而能在第一时间展开营救与疏散行动。

图1为井下无线传感器网络示意图。

2 WSN的功率优化
高功耗低效率是无线传感器网络面对的主要问题。

无线传感器网络的能耗主要集中在传感器节点运行的消耗、检测信息的处理、数据的发送与接收等方面。

信息处理能力不能减弱，因为它关系着系统的正常运转。

降低无线传感器网络的功耗可以通过以下几种方法：选用低功耗的器件、发送最优数量的检测数据及自动切换传感器节点能耗状态等。

2.1 终端节点
无线传感器网络中设备主要分协调器（Coordinator）、路由器（Router）、终端节点（End Device）三种。

协调器又称汇聚节点，通过数据线与PC机相通讯。

功率优化仅针对终端节点，实际工作中它对矿井数据进行定时采集，其余时间在休眠（功耗0.4微安可忽略）。

终端节点由甲烷传感器以及完全支持Zigbee2007协议的单片机CC2530及其相
应的开发套件组成。

其中CC2530具有不同的运行模式，能够实现多种工作状态
切换，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。

节点上所有工作单元没必要时刻保持正常工作状态，定时休眠，定时被唤醒（唤醒时间微秒级），从而实现最大限度
节能。

该节点运行模式之间的转换时间短也进一步确保了低功耗。

CC2530主动模式下的接发送信息功耗不超过30 mA （发送瞬时电流29 mA，接收瞬时电流24 mA），而传感器的工作电流一般不超过30 mA，设置一个稳压电路，节点就可以用电池作为外部电源长时间给其供电。

终端节点定期检测甲烷气体浓度并将超出设定的安全阀值的检测数据发送到簇头。

终端节点硬件模块可分为检测单元、处理单元、通信单元以及一个外部电源，终端节点的工作原理图如图2所示。

检测单元选用TP-1.1 A甲烷传感器，使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低
的二氧化锡（Sn O2），是一种具有非加热、低功耗、对甲烷高度灵敏等优点的
传感器。

通过简单的电路即可将传感器信号的变化通过模拟信号传输出去，是一款适合于多种应用的低成本传感器。

该传感器可以测量甲烷气体浓度的范围从50～40 000 pp m。

根据《煤矿安全规程》，井下工作面瓦斯浓度不能超过1% （10 000 pp m），有的地方规定瓦斯浓度不能超过0.8%或者0.75%，都在TP-1.1 A 传感器测量范围内。

TP-1.1 A与常用的催化燃烧式甲烷传感器MJC4／3.0L、半
导体气敏式甲烷传感器MQ4性能相比见表1。

表1常用甲烷传感器性能对比传感器参数 MJC4／3.0L MQ4 TP-1.1 A工作电压（V）3.0±0.1 5.0±0.2 6.0±0.5工作电流（mA）210检测浓度（pp m）0～40 000 300～5 000 50～120±10 150 25器件功耗（m W）≤400
≤900 ≤40 000使用寿命≥1年≥5年≥5年
从表1可以看出，TP-1.1A相比于另两种常用甲烷传感器除了在工作电压上高一
些外，其它功耗方面有着很大的优势，作为节点传感器更利于降低成本和延长节点工作寿命。

处理单元与通信单元使用CC2530模块。

CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KB的RA M和许多其他强大的功能。

在此系统中当传感器的模拟电压数据输出，通过CC2530的模数
转换电路就被转换为对应的瓦斯浓度值。

瓦斯浓度值与已设定的安全阀值比较，只有那些高于阀值的数据会被发送到簇头。

与无线传感器网络中常用的CC2430相比，性能优化如表2。

表2 CC2530与CC2430性能对比模块参数2 430 2 530 RX工作电流25 mA
29 mA CPU工作电流（32 MHz）27 mA 24 mA TX工作电流-92 d Bm -97
d Bm最大输出功率（d Bm） 0 （1 m W） 4.5 （2.82 m W）10.5 mA 6.5 mA接收灵敏度最小输出功率（d Bm） -3 （0.5 m W） -8 （0.16 m W）链
路预算92 d Bm 101.5 d Bm
接收灵敏度绝对值越大表明接收器灵敏度越高，射频间隔距离越大，所需射频器也越少，有利于成本的降低。

实际应用中，输出功率越大的射频，对功放这样的外部器件需求就越少，这样有利于降低成本。

接收器灵敏度越高，发送功率越大，作用距离越远。

即使在有物体阻挡的环境中，高输出功率和良好的接收灵敏度也会提高射频链路的可靠性。

“接收灵敏度和输出功率之差的绝对值”被称作“链路预算”，与工作有效距离相关。

从表2中可以得出：在节点正常工作时，CC2530耗能少于CC2430，但接收灵敏度要高出5 d Bm，这在通讯上可以延长接近一倍的距离；在链路预算上要高出9.5d Bm，这样的链路成本可使工作有效距离提高近3倍，这样用1／3的终端节点即可覆盖相同的网络区域。

2.2 路由协议
关于无线传感器网络路由协议的分类方法现在有很多，目前还没有统一标准。

依照网络的拓扑结构，路由协议可以分为平面路由协议和分簇路由协议。

对路由协议的特点、性能及路由策略几个方面进行对比分析，结合LEACH和PERASIS协议各自的优点形成一个链型分簇路由算法-CTCP（chain type clustering protocol），用该路由算法来优化功率，可有效减少无线传感器网络中能量消耗，并使网络规模不受限于簇头节点的通信距离。

优化WSN的路由算法表现为以下几个阶段：
（1）簇群形成阶段：WSN所有的节点都有自己独特的ID，并被周围相邻的节点所记忆，这些节点会形成簇群并会用唯一的区域ID来定义这个集体。

根据簇内各节点剩余能量决定簇头的选取，形成簇头位于簇中心，簇内节点分布均衡的分布结构。

簇头被选出将通过广播短消息的方式通知这个簇群的其它节点，簇头短消息包含该簇群中各节点独特的个体ID和区域簇ID。

（2）链路建立阶段：簇群阶段完成后，汇聚节点发送的查询消息沿着随机路径在
网络中传播，要求每个接收到信息的簇头节点反馈个体ID、区域簇ID与自身能量信息到汇聚节点，汇聚节点根据各簇头的剩余能量选定LEADER节点。

采用文献［9］的方法，每个簇群簇头接收到本群信息后会选择向LEADER节点成链并传输数据，LEADER节点把数据与自身的数据相融合之后与汇聚节点进行通讯，最终形成一张遍及工作环境的链状网络。

（3）数据融合和传输阶段：簇头与汇聚节点的链路建立之后，簇头节点将簇群检测的数据发送给相邻的簇头节点，相邻簇头节点接收数据后与自身的数据融合后，向着LEADER节点的方向传送给相邻簇头节点直到LEADER节点，LEADER节点把数据传送到汇聚节点，进行的数据融合后传送到地面中央监控中心。

这时，CTCR算法就完成一轮。

如文献［9］的思路，该算法不是一轮完成后就进行簇头选举，而是设定在一定轮数后再选举，这样可以减少因簇头选举而损耗的能量，增加WSN的生命周期，而LEADER节点在每一轮算法结束后就重新选择，这样可以保证WSN均衡稳定。

各簇头节点可以存储数据，方便后期安全人员下载该数据来分析研究这段时间内矿井甲烷气体的突出规律。

2.3 工作模式切换
终端节点安装完成后通过路由协议开始组网，瓦斯数据由处于井下最前线的终端节点传输到各簇群的簇头，再到汇聚节点，最终传输到地面中央监控中心。

在终端节点通电开始工作时会进入检测状态，在检测的状态下，节点会检测甲烷气体浓度并分析数据是否超出安全阀值。

如果一个节点在固定时间（60s）内检测的数据未超出阀值它将切换到休眠状态，休眠一段时间（60 minutes）后将定时工作60s；如果检测数据超出阀值，节点将会进入传输状态，发射模块将开启并将数据发送到簇头节点。

这时发射模块与检测模块都在工作。

若出现电源故障，任何状态都会切换到关闭状态。

状态转换图如图3所示。

2.4 试验结果与分析
通过上述几方面的分析，功率优化可以做到：终端节点在使用TP-1.1 A瓦斯传感器后是常用的 MJC4／3.0L、MQ4型号瓦斯传感器功耗的1／2和1／4；处理模块使用CC2530时，在耗能小于常用CC2430的情况下链路预算高出9.5d Bm，通信距离可达到CC2430的3倍之多。

此外加上路由协议和工作模式的优化，该WSN系统可以达到低成本低功耗的标准。

3 结论与展望
本文介绍了一种低成本、低功耗的可延长无线传感器网络寿命的甲烷监测系统，该系统定时检测矿井甲烷浓度并以无线传输的方式将井下甲烷气体信息传输到中央监控中心。

重点提出对整个甲烷监测系统进行功率优化设计，首先在检测硬件上选用更高级能耗更低的CC2530来作节点，其次是采用更优化能耗更低的路由算法CTCP，最后对系统节点的工作状态进行定时切换，可达到更长久更经济更高效的监测监控矿井甲烷。

当然，本文提出的系统只是监测甲烷气体的，未来的研究工作可以把其他参数如湿度、温度、一氧化碳等集中在一个终端节点来进行监测，这样可以更精确监测监控矿井的安全。

【相关文献】
［1］崔逊学，赵湛，王成.无线传感器网络的领域应用与设计技术［M］.北京：国防工业出版社，2009.
［2］王小强，欧阳骏，黄宁淋.Zigbee无线传感器网络的设计与实现［M］.北京：化学工业出版社，2013.
［3］杨宁，田辉，张平，等.无线传感器网络拓扑结构研究［J］.无线电工程，2006，36 （2）：11-14.
［4］Qiao Y X，Zhang Z B，Yang H G.Application of wireless sensor network in the
monitoring and control system of coal mine safety［J］.IEEE Tran，2009，1.
［5］刘玉珍，程征，蒋靖.基于Zigbee的井下巷道瓦斯监测系统［J］.仪表技术与传感器，2012，（9）：49-51.
［6］薛建生，刘建，任秀丽，等.低能耗无线传感器网络路由协议研究［J］.计算机工程，2010，36 （10）：136-139.
［7］陶志勇，方宁，胡明.一种改进的基于WSN独立分簇的路由协议［J］.计算机测量与控制，2012，20（7）：2014-2016.
［8］朱红梅，惠晓威.基于物联网的智能瓦斯监测系统［J］.仪表技术与传感器，2012，（10）：70-72.
［9］严英，郭丽，许建真.一种基于LEACH与PEGASIS协议的分层成链优化路由算法［J］.传
感技术学报，2011，24 （9）：1311-1315.。