1、硕士学位论文无线传感网络技术及其在矿山安全监测中的应用研究The Research and Application of Wireless Sensor Networks Technology on Mine Security MonitoringbyZhu FanB.E.( Hunan Institute of Engineering) 2007A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree ofMaster of EngineeringinElectronic Science and
2、 Technologyin the Graduate Schoolof Hunan UniversitySupervisorProfessor LIU HongliApril, 2010I湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，
3、同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日无线传感网络技术及其在矿山安全监测中的应用研究II摘 要近年来，市场对能源的需求持续增加，各大矿区加大了开采力度。然而产量的提升却造成了矿山安全问题日益突出。对矿井下开采环境的实时监测成为保证作业安全的重点。传感技术、无线通信技术、嵌入式技
4、术的进步推动了低功耗多功能的无线传感器网络的飞速发展，无线传感网络所呈现出的技术优势完全能够满足对井下环境进行安全监测的要求。为了满足矿井安全监测需要，本文在详细讨论无线传感网路关键技术的基础上，结合矿井这一特殊环境的自身特点，分析并研究了适用于矿山井下特殊环境的无线传感网络技术，使无线传感网络技术能够应用于矿山安全监测系统中。本文介绍了无线传感器网络的基本体系结构，传感网络的基本特性，并着重分析了一些能够适用于矿山特殊环境的关键技术。优化了对矿井特殊环境下监测区域的无线传感器网络组网的拓扑结构及无线传感器节点的部署策略，给出了以最少的节点覆盖并连通监测区域的部署算法，该算法在实际应用中能减少
5、网络冗余节点，较大的节省了无线传感器网络的部署成本。另外，针对由于无线传感器节点能量耗尽或发生故障所产生的监测盲区，给出了基于“虚拟力量”的“自愈”拓扑控制算法。当节点自适应移动后，使其能最大限度弥补网络盲区。文中所给出的以上所有算法均在Matlab软件中仿真，仿真结果证实了以上算法的有效性。最后，给出了基于ZigBee协议的矿山安全监测网络方案设计，文中以CC2430射频模块扩展板为基础平台，通过对上层软件的设计与实现，初步搭建了用于矿山安全监测的无线传感器网络，模拟了文中给出的部分算法。 关键词：矿井监测；无线传感网络；优化拓扑结构；“自愈”拓扑控制；ZigBee 协议硕士学位论文IIIA
6、bstractNowadays, in order to satisfy the need of more and more energy, the yield of mine has beening inceasing. However, the high yield led the mine security problem to be more serious. Monitoring the work circumstance in mine had to be paid more attention. With the development of the sensing techno
7、logy, the wireless communication technology and the embedded board technology, the wireless sensor networks equipped with the low-energy consumed and complex function device can be used widely. And its advantages can totally satisfy the requirement of security monitoring in mine. This thesis specifi
8、cly discussed the key technology of wireless sensor network, analysed the feature of mine circumstance, and research some technologies which are fit with the requirement of this particular surroundings and can be used in this security monitoring system.This thesis introduced the basic structure and
9、feature of wireless sensor networks, and analysed its key technology that was suit to the particular area in mine. It also optimized the topology structure of wireless sensor network and deployment method on particular monitoring area in mine which can satisfy both the coverage and the communication
10、 of this network by least nodes. Besides, it proposed the topology control method with self-healing based on virtual force, because some nodes in network might be out of energy or broken which can led the blind area in monitoring. All algorithms above-mentioned were simulated to prove its improvemen
11、t by the softwore of Matlab. Finally, it designed the network based on ZigBee protocol, and some algorithms were achieved on the wireless sensor network which was built on CC2430 moduler board. Key words: Monitoring in Mine, Wireless Sensor Network, Optimal Topology Structure, Topology Control with
12、Self-healing, ZigBee Protocol无线传感网络技术及其在矿山安全监测中的应用研究IV目 录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 .I摘 要 .IIAbstract .III第 1 章 绪论 .11.1 无线传感器网络概述 .11.1.1 无线传感器网络的定义 .11.1.2 无线传感器网络的组成 .11.2 无线传感器网络特征 .21.2.1 无线传感器网络特点 .21.2.2 与现有无线网络的区别 .31.2.3 无线传感器网络局限性 .31.3 无线传感器网络应用 .41.4 矿山安全监测技术的研究现状 .51.5 本课题的研究背景和意义 .51.6 本论文的
13、主要内容 .6第 2 章 无线传感器网络关键技术 .72.1 无线传感器网络拓扑控制 .72.2 无线传感器网络通信协议 .82.2.1 路由协议 .82.2.2 MAC 协议 .112.3 无线传感器网络时间同步 .112.4 无线传感器网络定位技术 .122.5 数据融合与管理 .122.6 无线通信技术 .132.7 嵌入式操作系统 .142.8 矿山安全监测中的无线传感器网络关键技术 .142.8.1 节点及节点部署 .142.8.2 能量管理 .152.8.3 数据采样与收集 .152.8.4 能量高效的通信机制 .152.9 本章小结 .16硕士学位论文V第 3 章 矿井下无线传感
14、器网络节点部署算法研究 .173.1 节点部署算法概述 .173.1.1 采用确定放置的部署技术 .183.1.2 采用随机抛洒且节点不具移动能力的部署技术 .183.1.3 采用随机抛洒且节点具移动能力的部署技术 .193.2 矿井下无线传感器网络节点部署及拓扑结构设计 .193.2.1 针对矿井复杂环境下的优化布点算法概述 .203.2.2 小型区域的部署算法 .203.2.3 大型区域的部署算法 .213.2.4 特殊区域的部署算法 .233.3 优化部署算法仿真及性能分析 .263.4 本章小结 .28第 4 章 矿井下无线传感器网络拓扑控制算法研究 .294.1 网络节点自移动拓扑控
15、制算法 .294.1.1 SMART 扫描算法 .294.1.2 Hungarian 算法 .304.1.3 二维网孔下的局部 Hungarian 算法 .314.2 网络节点自移动的拓扑控制协议 .324.3 网络盲区“自愈”拓扑控制算法 .334.4 基于“虚拟力量”的拓扑控制 .364.4.1 虚拟力量定义 .364.4.2 虚拟力量分析 .364.4.3 指数 VFA 算法 .374.4.4 优化的 VFA .374.5 “自愈”拓扑控制算法仿真与性能分析 .394.6 本章小结 .41第 5 章 基于 ZigBee 的矿山安全监测网络方案设计 .425.1 ZigBee 简介 .42
16、5.1.1 应用层 .425.1.2 网络层 .425.1.3 IEEE802.15.4 协议 .435.1.4 物理层 .435.1.5 媒体存取控制层 .445.2 基于 ZigBee 矿山安全监测的网络设计 .455.2.1 网络拓扑设计 .45无线传感网络技术及其在矿山安全监测中的应用研究VI5.2.2 网络中的节点部署 .455.2.3 网络中的拓扑控制 .465.2.4 工作原理 .465.3 基于 CC2430 的传感器节点功能描述 .465.4 无线传感器网络模拟及节点间通信实现 .495.4.1 射频初始化程序 .505.4.2 发送状态程序 .505.4.3 接收状态程序
17、.515.4.4 射频主函数 .525.4.5 节点间通信实现测试 .525.5 本章小结 .54总结与展望 .55参考文献 .57致 谢 .61附录 A（攻读学位期间发表的学术论文） .62附录 B（攻读学位期间所参与的科研项目） .63硕士学位论文1第 1 章 绪论1.1 无线传感器网络概述1.1.1 无线传感器网络的定义随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络 1,2就是由部署在监测区域内大量的微型传感节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的
18、是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象、观察者构成了传感器网络的三个基本要素。1.1.2 无线传感器网络的组成无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点部署在监测区域内部，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网络到达管理节点。而传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成：传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理
19、本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需能量，通常采用微型电池。随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：（1）物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；（2）数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；（3
20、）网络层主要负责路由生成与路由选择；（4）传输层负责数据流传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；（5）应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；（6）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量。无线传感网络技术及其在矿山安全监测中的应用研究2（7）移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；（8）任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。之后，在提出的经过改进的协议栈模型中，加入了定位和时间同步子层，它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和事件同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。1.2 无
21、线传感器网络特征1.2.1 无线传感器网络特点（1）大规模网络。为了获得精确信息，在监测区域内部署大量传感器节点，而大规模性通常包括两个方面：一方面是节点分布在很大的地理区域内，如森林中采用传感器网络防火；另一方面，传感节点部署密集。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能提高监测精度，降低对单个检点的要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；也能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。（2）自组织网络：在传感器网络应用中，通常情况下节点被放置在没有基础结构的地方。各节点位置不能预先精确设定，这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓
22、扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加检测精度而补充到网络中，这样在无线传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络拓扑结构随之动态地变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。（3）动态性网络：无限传感器网络的拓扑结构可能由于某些情况发生改变，如环境因素，节点能量耗尽失效，新节点的加入以及感知对象的移动性。这就要求无线传感器网络系统要能适应这种变化，具有动态的系统可重构性。（4）可靠的网络：由于无线传感器网络大多部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，网络维护困难。另外，无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，要求传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。（5）应用相关网络：由于不同的无线传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的而要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。（6）以数据为中心的网络：无线传感器网络是任务型网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。用户适用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通
