礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳超　蔡樂才　李華

摘要：針對(duì)礦井環(huán)境復(fù)雜、布線困難的特點(diǎn)，根據(jù)礦井實(shí)際環(huán)境和系統(tǒng)需求，構(gòu)建了井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的四層分簇式鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究了固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫纬蛇^程，其中移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建采用組合加權(quán)的LEACH算法來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)仿真表明該算法能夠有效降低移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能耗，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時(shí)，針對(duì)井下人員的移動(dòng)性，分別提出了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入策略和離開策略。該系統(tǒng)具有多層次、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，為礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)傳輸、融合和人員定位奠定了較好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：礦井；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH算法；層次拓?fù)?；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）16-3900-04

Abstract： Aiming at the characteristics of complex environment and wiring difficult in mine， according to mine real environment and system requirements， a four-storey clustering type chain topology of wireless sensor networks in the mine is built. The topology formation processes of stationary node networks， mobile node networks and whole networks are researched. Specially， the topology of mobile node networks is built by combination weighted LEACH algorithm，and the experiment simulation shows that the algorithm can reduce energy consumption effectively， and prolong the lifecycle of whole network. Meanwhile， aiming at the mobility of mine worker， the join strategy and leave strategy of mobile node are put forward respectively. The system has the specialties of multi-level， good stability and strong extensibility， which provides a good foundation for further data transmission and fusion and personnel location of mine monitoring system.

Key words：mine； wireless sensor networks； LEACH algorithm； hierarchical topology； structure optimization

我國煤礦井下自然環(huán)境復(fù)雜，礦井安全事故經(jīng)常發(fā)生，造成了重大生命財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也影響著煤炭工業(yè)的發(fā)展[1][2]。因此，建立一個(gè)有效的礦井環(huán)境及人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得非常重要。目前，國內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分使用的是有線方式，存在著靈活性差、布線和維護(hù)困難等局限性，無法對(duì)礦井重要參數(shù)及工作人員進(jìn)行無縫的全面監(jiān)控，給煤礦開采留下不可避免的安全隱患。因此，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就成為了必然。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合應(yīng)用于礦井環(huán)境及人員監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)井內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性和全面覆蓋，降低布線的難度和成本，提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性。

礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]是礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)傳輸、融合和人員監(jiān)控的基礎(chǔ)。目前已有研究者對(duì)礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的研究，并提出了基于Prim算法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]、基于節(jié)點(diǎn)地址分配的礦井拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]、基于LEACH算法礦井網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]等等?，F(xiàn)提出來的這些方案都還存在改進(jìn)和完善的空間，因此本文將提出一種基于組合加權(quán)LEACH算法的礦井網(wǎng)絡(luò)四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)的整體規(guī)劃

礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和有線工業(yè)以太網(wǎng)[7]的集成，由兩部分組成：地面監(jiān)控系統(tǒng)和井下信息采集系統(tǒng)。兩系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)連接。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括服務(wù)器和用戶終端。地面服務(wù)器負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)信息，并存儲(chǔ)和整理，用戶終端通過訪問服務(wù)器里的數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)掌握井內(nèi)環(huán)境變化情況和井下人員動(dòng)態(tài)。井下信息采集系統(tǒng)包括以太網(wǎng)、交換機(jī)、匯聚節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)井下環(huán)境信息和工作人員位置信息的采集，并發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。交換機(jī)則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信的橋梁，匯聚節(jié)點(diǎn)收集信息后通過交換機(jī)和以太網(wǎng)上傳至地面服務(wù)器，地面監(jiān)控系統(tǒng)收到信息后，做出相應(yīng)的判斷和應(yīng)急反應(yīng)。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到井下惡劣的環(huán)境條件，所部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源受限，拓?fù)渚哂袆?dòng)態(tài)性，因此本文將設(shè)計(jì)一種多層次的、擴(kuò)展性強(qiáng)的井下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由圖1可看出，整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點(diǎn)、固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括四層，其中匯聚節(jié)點(diǎn)（CH1）為一級(jí)簇頭，負(fù)責(zé)接收整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并與地面服務(wù)器通過有線網(wǎng)絡(luò)連接；固定節(jié)點(diǎn)（CH2）為二級(jí)簇頭，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)還是未知節(jié)點(diǎn)定位的參考節(jié)點(diǎn)；三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)（CH3）是從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中通過組合加權(quán)LEACH算法選出來的，負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息的收集并轉(zhuǎn)發(fā)給二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)；第四層則是普通的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（CN），各CN加入到各個(gè)簇，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。endprint

2.2 固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)也可以稱做上層骨干網(wǎng)，由事先安裝在巷道內(nèi)固定位置的匯聚節(jié)點(diǎn)（CH1）和固定節(jié)點(diǎn)（CH2）組成，匯聚節(jié)點(diǎn)一般安裝在巷道口，固定節(jié)點(diǎn)則按一定間距安裝在巷道內(nèi)，它們的位置信息是已知的且存儲(chǔ)在地面監(jiān)控中心，固定節(jié)點(diǎn)一般是不可移動(dòng)的。

固定節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)簇頭，負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，因此二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)建立一個(gè)有效的通信拓?fù)?。LEACH拓?fù)淇刂扑惴ㄖ校J(rèn)為所有簇頭節(jié)點(diǎn)都能與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信，而在礦井實(shí)際環(huán)境中，這是無法實(shí)現(xiàn)的。因此根據(jù)巷道的長形結(jié)構(gòu)，構(gòu)建鏈狀的上層骨干網(wǎng)，無法與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信的二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)選擇不同的二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)作為它的父節(jié)點(diǎn)，由父節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

首先，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起建網(wǎng)信息，CH2（二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)）向周圍廣播自身信息，若收到匯聚節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)信息，則發(fā)送鏈接請(qǐng)求給匯聚節(jié)點(diǎn)，收到鏈接響應(yīng)后入網(wǎng)成功。未收到匯聚節(jié)點(diǎn)響應(yīng)信息的CH2分析是否有其他已入網(wǎng)的CH2的響應(yīng)信息，根據(jù)響應(yīng)信息的信號(hào)強(qiáng)度值，選擇距離較近的已入網(wǎng)CH2節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，并向其發(fā)送鏈接請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)中子節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙表由其父節(jié)點(diǎn)為其分配。

二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，任務(wù)較重，能耗較大，因此在實(shí)際應(yīng)用中可在重要的二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)周圍部署備用節(jié)點(diǎn)，備用節(jié)點(diǎn)一直處于睡眠狀態(tài)，只有在二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)才被喚醒，替代原來二級(jí)簇頭，同時(shí)向地面監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，提醒工作人員更換電池。備用節(jié)點(diǎn)的部署，保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，使礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更好的魯棒性和安全性[8]。

2.3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在井下網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)眾多移動(dòng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息給CH2時(shí)，容易引起信道沖突，造成能量的浪費(fèi)，因此本文根據(jù)組合加權(quán)的LEACH算法來構(gòu)建移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中選出合適的節(jié)點(diǎn)作為三級(jí)簇頭（CH3），由CH3負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集并轉(zhuǎn)發(fā)給CH2節(jié)點(diǎn)，從而提高能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

三級(jí)簇頭的選舉采用組合加權(quán)的LEACH算法，即為每一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)權(quán)值W，該權(quán)值衡量了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)適合充當(dāng)簇頭的程度，權(quán)值W越小的節(jié)點(diǎn)越適合充當(dāng)簇頭?？紤]到礦井環(huán)境的實(shí)際情況，權(quán)值W的計(jì)算考慮四個(gè)影響因子：剩余能量、節(jié)點(diǎn)度、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的平均距離。因此，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)j的權(quán)值[W（j）]可由以下公式計(jì)算可得：

[W（j）=a1×E（j）+a2×D（j）+a3×M（j）+a4×P（j）]

其中，[E（j）]表示節(jié)點(diǎn)j已經(jīng)消耗的能量，[D（j）]表示節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)度與網(wǎng)絡(luò)理想節(jié)點(diǎn)度之差，[M（j）]表示節(jié)點(diǎn)j 的移動(dòng)性，[P（j）]表示節(jié)點(diǎn)j與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的平均距離。[a1]，[a2]，[a3]，[a4]為權(quán)重因子，其取值關(guān)系為：[a1>a2>a3>a4]。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫纬蛇^程描述如下：（1）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)多由礦井工作人員構(gòu)成，他們通常聚集在一起進(jìn)入井內(nèi)，在下井之前就已成簇，由于各節(jié)點(diǎn)的初始能量相同（每個(gè)便攜式設(shè)備都已充滿電），設(shè)定第一輪的三級(jí)簇頭由ID 號(hào)最小的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)；（2）當(dāng)三級(jí)簇頭的能量下降至初始能量的70%時(shí)，將進(jìn)行下一輪的三級(jí)簇頭選舉，這時(shí)三級(jí)簇頭會(huì)在本簇中廣播一個(gè)權(quán)值查詢命令，每個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)收到命令后按權(quán)值公式計(jì)算自己的權(quán)值，并發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)權(quán)值最小的節(jié)點(diǎn)來充當(dāng)下一輪簇頭，并把新簇頭ID號(hào)發(fā)送給簇成員節(jié)點(diǎn)，同時(shí)把自己設(shè)置為非簇頭節(jié)點(diǎn)，簇成員節(jié)點(diǎn)把新簇頭ID與自己ID相比較，若相等，則把自己設(shè)為簇頭節(jié)點(diǎn)；（3）當(dāng)選為三級(jí)簇頭的節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播簇頭消息，其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到簇頭廣播消息后，發(fā)送入簇消息給所選擇簇的簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn)收到所有入簇消息后，建立一個(gè)TDMA調(diào)度時(shí)間表，并發(fā)送給簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)；（4）當(dāng)所有普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都收到時(shí)間表后，進(jìn)人數(shù)據(jù)傳輸階段，各簇成員節(jié)點(diǎn)按照TDMA時(shí)間表將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)，三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)收集所有成員節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息，對(duì)其進(jìn)行融合處理并轉(zhuǎn)發(fā)給二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在TDMA時(shí)間表分配給自己的時(shí)隙之外關(guān)閉其通信模塊。

每一輪中，當(dāng)三級(jí)簇頭的能量下降至充當(dāng)簇頭時(shí)能量的70%時(shí)，進(jìn)行下一輪的三級(jí)簇頭選舉。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，基于組合加權(quán)LEACH算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成流程圖如圖2所示。

2.4 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫纬?/p>

當(dāng)上層骨干網(wǎng)建立后，若沒有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入巷道內(nèi)，固定節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，只對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)并周期性上傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。當(dāng)有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入巷道內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自主組成簇結(jié)構(gòu)，由三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)喚醒二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)（固定節(jié)點(diǎn)），二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)記錄下移動(dòng)簇群的信息并轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。若某三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間[Tw]內(nèi)沒有發(fā)送任何信息給二級(jí)簇頭，二級(jí)簇頭則認(rèn)為該簇群已離開，同時(shí)從鏈接表中刪除該簇群信息。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化是指移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入或離開。由于井下工作人員的移動(dòng)性強(qiáng)，那么就必然涉及到單個(gè)節(jié)點(diǎn)的加入或離開，另外也有可能有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)失效的情況，從而引起網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)失效也可看作是節(jié)點(diǎn)的離開。

1） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向周圍廣播入簇請(qǐng)求信息，收到請(qǐng)求信息的三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)回復(fù)響應(yīng)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)響應(yīng)信息的信號(hào)強(qiáng)弱，選擇信號(hào)強(qiáng)的三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送鏈接請(qǐng)求給所選簇頭，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到簇頭分配的工作時(shí)間表后，加入成功。

2） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的離開：三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性的廣播查詢信息，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到查詢信息后會(huì)在自己的工作時(shí)隙內(nèi)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息給三級(jí)簇頭，如果三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間[Tw]內(nèi)未收到某節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答，則判斷為此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)已離開本簇，三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)便在自己的鏈接表中刪除該節(jié)點(diǎn)信息，并重新給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配工作時(shí)隙。endprint

4 仿真結(jié)果與分析

使用MATLAB對(duì)井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，設(shè)置巷道長為500m，寬10m，匯聚節(jié)點(diǎn)布置在巷道口，CH2按一定間距布置在巷道內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則隨機(jī)分布在巷道內(nèi)。分別對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行仿真，并與LEACH算法進(jìn)行比較分析。

1） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量。即井下網(wǎng)絡(luò)正常工作中，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，該文構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量要高于采用LEACH算法構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)?，該文采用組合加權(quán)的LEACH算法選舉出的三級(jí)簇頭綜合性能好，并且當(dāng)CH3的能量下降至充當(dāng)簇頭時(shí)能量的70%時(shí)，才進(jìn)行簇頭的更新，減少了簇頭的更新次數(shù)，從而降低了選舉簇頭帶來的能耗。

2） 生命周期。即網(wǎng)絡(luò)維持正常工作所持續(xù)的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)生命周期仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最大通信距離的增大，該文算法與LEACH算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期都在減小，并且，在整個(gè)通信范圍內(nèi)，該文算法的生命周期都優(yōu)于LEACH算法。其原因是：相比于LEACH算法，該文采用組合加權(quán)算法選出的三級(jí)簇頭綜合性能更好，節(jié)點(diǎn)能量能夠得到有效利用，負(fù)載也更均勻，從而延長了節(jié)點(diǎn)存活的時(shí)間，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期也更長。

5 結(jié)束語

本文基于組合加權(quán)的LEACH算法，提出了一種井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的四層層次型鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得選出的三級(jí)簇頭具有較好的性能，能夠有效的降

低移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能耗和延長整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。另外，由于井下工作人員構(gòu)成的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)移動(dòng)性，增添了單個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入策略和離開策略，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)出的井下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有能耗低、網(wǎng)絡(luò)生命周期長、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)部的無縫監(jiān)測(cè)。下一步研究工作可對(duì)分簇算法與功率控制相結(jié)合的礦井拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立機(jī)制做一定的嘗試和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jiping. Personnel location monitoring and systems under ground mine[J]. Coal Science and Technology， 2010， 38（11）：1-4.

[2] 黃開林.基于煤礦無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LEACH拓?fù)渌惴ǖ难芯縖J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21 （4）：1081-1083.

[3] Li N， Hou J C， Sha L. Design and analysis of an MST-based topology control algorithm[J]. IEEE Trans. on Wireless Communications， 2005， 4（3）：1195-1207.

[4] 劉志高，李春文，丁青青，等.煤礦人員定位系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010， 35（2）：329- 332.

[5] 牛春雷，楊維.瓦斯監(jiān)測(cè)層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009， 37（9）：100-103.

[6] 劉曉文，閆靜杰，苗錦，等. 礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的改進(jìn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009， 37（4）：46-49.

[7] 馬姍姍，錢建生，甄國清. 煤礦安全監(jiān)測(cè)層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011， 38（1）：34-36.

[8] 胡海江，張鳳登.一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇模型[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2006， 19（2）： 477-480.endprint

4 仿真結(jié)果與分析

使用MATLAB對(duì)井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，設(shè)置巷道長為500m，寬10m，匯聚節(jié)點(diǎn)布置在巷道口，CH2按一定間距布置在巷道內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則隨機(jī)分布在巷道內(nèi)。分別對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行仿真，并與LEACH算法進(jìn)行比較分析。

1） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量。即井下網(wǎng)絡(luò)正常工作中，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，該文構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量要高于采用LEACH算法構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)椋撐牟捎媒M合加權(quán)的LEACH算法選舉出的三級(jí)簇頭綜合性能好，并且當(dāng)CH3的能量下降至充當(dāng)簇頭時(shí)能量的70%時(shí)，才進(jìn)行簇頭的更新，減少了簇頭的更新次數(shù)，從而降低了選舉簇頭帶來的能耗。

2） 生命周期。即網(wǎng)絡(luò)維持正常工作所持續(xù)的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)生命周期仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最大通信距離的增大，該文算法與LEACH算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期都在減小，并且，在整個(gè)通信范圍內(nèi)，該文算法的生命周期都優(yōu)于LEACH算法。其原因是：相比于LEACH算法，該文采用組合加權(quán)算法選出的三級(jí)簇頭綜合性能更好，節(jié)點(diǎn)能量能夠得到有效利用，負(fù)載也更均勻，從而延長了節(jié)點(diǎn)存活的時(shí)間，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期也更長。

5 結(jié)束語

本文基于組合加權(quán)的LEACH算法，提出了一種井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的四層層次型鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得選出的三級(jí)簇頭具有較好的性能，能夠有效的降

低移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能耗和延長整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。另外，由于井下工作人員構(gòu)成的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)移動(dòng)性，增添了單個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入策略和離開策略，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)出的井下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有能耗低、網(wǎng)絡(luò)生命周期長、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)部的無縫監(jiān)測(cè)。下一步研究工作可對(duì)分簇算法與功率控制相結(jié)合的礦井拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立機(jī)制做一定的嘗試和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jiping. Personnel location monitoring and systems under ground mine[J]. Coal Science and Technology， 2010， 38（11）：1-4.

[2] 黃開林.基于煤礦無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LEACH拓?fù)渌惴ǖ难芯縖J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21 （4）：1081-1083.

[3] Li N， Hou J C， Sha L. Design and analysis of an MST-based topology control algorithm[J]. IEEE Trans. on Wireless Communications， 2005， 4（3）：1195-1207.

[4] 劉志高，李春文，丁青青，等.煤礦人員定位系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010， 35（2）：329- 332.

[5] 牛春雷，楊維.瓦斯監(jiān)測(cè)層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009， 37（9）：100-103.

[6] 劉曉文，閆靜杰，苗錦，等. 礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的改進(jìn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009， 37（4）：46-49.

[7] 馬姍姍，錢建生，甄國清. 煤礦安全監(jiān)測(cè)層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011， 38（1）：34-36.

[8] 胡海江，張鳳登.一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇模型[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2006， 19（2）： 477-480.endprint

4 仿真結(jié)果與分析

使用MATLAB對(duì)井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，設(shè)置巷道長為500m，寬10m，匯聚節(jié)點(diǎn)布置在巷道口，CH2按一定間距布置在巷道內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則隨機(jī)分布在巷道內(nèi)。分別對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行仿真，并與LEACH算法進(jìn)行比較分析。

1） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量。即井下網(wǎng)絡(luò)正常工作中，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，該文構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量要高于采用LEACH算法構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)?，該文采用組合加權(quán)的LEACH算法選舉出的三級(jí)簇頭綜合性能好，并且當(dāng)CH3的能量下降至充當(dāng)簇頭時(shí)能量的70%時(shí)，才進(jìn)行簇頭的更新，減少了簇頭的更新次數(shù)，從而降低了選舉簇頭帶來的能耗。

2） 生命周期。即網(wǎng)絡(luò)維持正常工作所持續(xù)的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)生命周期仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最大通信距離的增大，該文算法與LEACH算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期都在減小，并且，在整個(gè)通信范圍內(nèi)，該文算法的生命周期都優(yōu)于LEACH算法。其原因是：相比于LEACH算法，該文采用組合加權(quán)算法選出的三級(jí)簇頭綜合性能更好，節(jié)點(diǎn)能量能夠得到有效利用，負(fù)載也更均勻，從而延長了節(jié)點(diǎn)存活的時(shí)間，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期也更長。

5 結(jié)束語

本文基于組合加權(quán)的LEACH算法，提出了一種井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的四層層次型鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得選出的三級(jí)簇頭具有較好的性能，能夠有效的降

低移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能耗和延長整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。另外，由于井下工作人員構(gòu)成的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)移動(dòng)性，增添了單個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入策略和離開策略，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)出的井下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有能耗低、網(wǎng)絡(luò)生命周期長、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)部的無縫監(jiān)測(cè)。下一步研究工作可對(duì)分簇算法與功率控制相結(jié)合的礦井拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立機(jī)制做一定的嘗試和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jiping. Personnel location monitoring and systems under ground mine[J]. Coal Science and Technology， 2010， 38（11）：1-4.

[2] 黃開林.基于煤礦無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LEACH拓?fù)渌惴ǖ难芯縖J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21 （4）：1081-1083.

[3] Li N， Hou J C， Sha L. Design and analysis of an MST-based topology control algorithm[J]. IEEE Trans. on Wireless Communications， 2005， 4（3）：1195-1207.

[4] 劉志高，李春文，丁青青，等.煤礦人員定位系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010， 35（2）：329- 332.

[5] 牛春雷，楊維.瓦斯監(jiān)測(cè)層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009， 37（9）：100-103.

[6] 劉曉文，閆靜杰，苗錦，等. 礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的改進(jìn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009， 37（4）：46-49.

[7] 馬姍姍，錢建生，甄國清. 煤礦安全監(jiān)測(cè)層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011， 38（1）：34-36.

[8] 胡海江，張鳳登.一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇模型[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2006， 19（2）： 477-480.endprint