用于矿井环境监测的无线传感器网络

　　通过扩展板的方式加载一个专用的传感器板，板上载有瓦斯浓度、湿度、风速、一氧化碳和二氧化碳等多种传感器，可在多种传感器间进行选择和切换，满足不同的监测任务。

　　主控制器是Atmel公司的一个8位低功耗微控制器ATMEGA128L，相对于其他通用的8位微控制器来说，它具有更加丰富的资源和极低的能耗。它具有片内128KB的程序存储器(Flash)，4KB的数据存储器(SRAM，可外扩到64KB）和4KB的E2PROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，UART﹑SPI﹑I2C总线接口。JTAG口为开发和调试提供了方便的接口，除了正常操作模式外，它还具有6种不同等级的低能耗操作模式，适用于无线传感器网络对节能的需求。无线收发器CC1000是为低电压无线通信的应用场合设计的单片UHF(Ultra-High Frequency)收发器，通过外围接口线路相连，完成节点硬件部分的构造和功能。

2.2 软件结构

　　TinyOS是面向传感器网络的操作系统，它采用高效的基于事件的执行方式，使用组件模型以实现高效率的模块化、构造组件型应用软件。上层组件对下层组件发命令，下层组件向上层组件发信号通知事件的发生，最底层的组件直接跟硬件打交道。支持多跳通信的传感器应用程序的组件结构如图4所示。针对硬件电路和应用需要，增加了外围硬件的驱动，主要是对传感器的控制与数据的采样。

3 网络协议

3.1 多径路由机制和SPEED路由协议

　　在矿井环境监测中，需要定期实时准确地传输探测数据，而传感器节点由于有限的能量和工作环境恶劣存在失效问题，路由协议要保证即使部分节点失效，整个系统也能正常工作。可靠的路由协议主要从以下两个方面考虑：(1)利用节点的冗余性提供多条路径以保证通信的可靠性；(2)建立对传输可靠性的估计机制，从而保证每跳传输的可靠性。

　　多路径的路由机制是保证通信可靠性的一种有效机制。其基本思想是：首先建立从数据源节点到汇聚节点的主路径，然后再建立多条备用路径；数据通过主路径进行传输，同时利用备用路径低速传输数据来维护路径的有效性；当主路径失效时，从备用路径中选择次优路径作为新的主路径。

　　为达到实时性的要求，可采用SPEED[3]路由协议，该协议可以在一定程度上实现端到端的传输速率保证、网络拥塞控制以及负载平衡。SPEED协议首先交换节点的传输延迟，以得到网络负载情况；然后节点利用局部地理信息和传输速率信息做出路由选择，同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阈值之上。