用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　通過擴展板的方式加載一個專用的傳感器板，板上載有瓦斯?jié)舛?、濕度、風(fēng)速、一氧化碳和二氧化碳等多種傳感器，可在多種傳感器間進行選擇和切換，滿足不同的監(jiān)測任務(wù)。

　　主控制器是Atmel公司的一個8位低功耗微控制器ATMEGA128L，相對于其他通用的8位微控制器來說，它具有更加豐富的資源和極低的能耗。它具有片內(nèi)128KB的程序存儲器(Flash)，4KB的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM，可外擴到64KB）和4KB的E2PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，UART﹑SPI﹑I2C總線接口。JTAG口為開發(fā)和調(diào)試提供了方便的接口，除了正常操作模式外，它還具有6種不同等級的低能耗操作模式，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對節(jié)能的需求。無線收發(fā)器CC1000是為低電壓無線通信的應(yīng)用場合設(shè)計的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發(fā)器，通過外圍接口線路相連，完成節(jié)點硬件部分的構(gòu)造和功能。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

　　TinyOS是面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，它采用高效的基于事件的執(zhí)行方式，使用組件模型以實現(xiàn)高效率的模塊化、構(gòu)造組件型應(yīng)用軟件。上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號通知事件的發(fā)生，最底層的組件直接跟硬件打交道。支持多跳通信的傳感器應(yīng)用程序的組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。針對硬件電路和應(yīng)用需要，增加了外圍硬件的驅(qū)動，主要是對傳感器的控制與數(shù)據(jù)的采樣。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

3.1 多徑路由機制和SPEED路由協(xié)議

　　在礦井環(huán)境監(jiān)測中，需要定期實時準(zhǔn)確地傳輸探測數(shù)據(jù)，而傳感器節(jié)點由于有限的能量和工作環(huán)境惡劣存在失效問題，路由協(xié)議要保證即使部分節(jié)點失效，整個系統(tǒng)也能正常工作?？煽康穆酚蓞f(xié)議主要從以下兩個方面考慮：(1)利用節(jié)點的冗余性提供多條路徑以保證通信的可靠性；(2)建立對傳輸可靠性的估計機制，從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

　　多路徑的路由機制是保證通信可靠性的一種有效機制。其基本思想是：首先建立從數(shù)據(jù)源節(jié)點到匯聚節(jié)點的主路徑，然后再建立多條備用路徑；數(shù)據(jù)通過主路徑進行傳輸，同時利用備用路徑低速傳輸數(shù)據(jù)來維護路徑的有效性；當(dāng)主路徑失效時，從備用路徑中選擇次優(yōu)路徑作為新的主路徑。

　　為達到實時性的要求，可采用SPEED[3]路由協(xié)議，該協(xié)議可以在一定程度上實現(xiàn)端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負載平衡。SPEED協(xié)議首先交換節(jié)點的傳輸延遲，以得到網(wǎng)絡(luò)負載情況；然后節(jié)點利用局部地理信息和傳輸速率信息做出路由選擇，同時通過鄰居反饋機制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個全局定義的傳輸速率閾值之上。