礦井下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究

Research on the Routing Protocol of Wireless Sensor Networks in Downhole

劉　佳1,2

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系1，山西 太原　030006; 太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所2，山西 太原　030024)

?

礦井下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究

Research on the Routing Protocol of Wireless Sensor Networks in Downhole

劉佳1,2

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系1，山西 太原030006; 太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所2，山西 太原030024)

摘要：礦井下環(huán)境復(fù)雜惡劣，對(duì)井下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生極大的影響。針對(duì)這一問(wèn)題提出一種適用于井下環(huán)境的分簇協(xié)商通信路由協(xié)議——CHPBN算法。根據(jù)礦井坑道特點(diǎn)，采用一次性分簇，即在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)選取特殊處理的簇首，之后不再發(fā)生改變;剩余傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)商成簇，簇首與匯聚節(jié)點(diǎn)之間采用多跳方式進(jìn)行通信，降低能量消耗。仿真結(jié)果證明，CHPBN算法能有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：煤炭礦井傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量監(jiān)控路由協(xié)議信息傳輸安全能耗 是論文的檢索標(biāo)志，是表達(dá)文獻(xiàn)主題概念的自然語(yǔ)言詞匯，一般是詞和詞組。

Abstract：The complex and harsh environment under coal mine has greatly influenced the underground wireless sensor network. In order to solve this problem, a clustering hierarchy protocol based on negotiation (CHPBN) is put forward, which is applicable to the coal mine underground environment. According to the characteristics of mine tunnel, CHPBN uses the one-time clustering, that is to say selecting the special processing cluster head in the network initialization, and doesn’t change any more. Remaining sensor nodes negotiate to clusters, and the cluster heads communicate with aggregation node via multi-hop, which can reduce energy consumption. The simulation results show that, CHPBN algorithm can effectively prolong the life cycle of wireless networks.

Keywords:CoalMineSensor networkMeasurementMonitoringRouting protocolInformation transmissionSecurityEnergy consumption

0引言

煤炭資源是我國(guó)重要的能源，其生產(chǎn)工作多數(shù)在地下進(jìn)行。礦井生產(chǎn)環(huán)境惡劣，各種災(zāi)害事故頻發(fā)，因此在井下建立完善的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。目前，我國(guó)礦井下普遍采用有線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)容易腐蝕造成信號(hào)干擾，而且一旦發(fā)生礦難，有線(xiàn)設(shè)備就會(huì)遭到嚴(yán)重的破壞,從而使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)癱瘓[1-2]。此外，隨著開(kāi)采面的不斷推進(jìn)，需要鋪設(shè)更多的電纜，這不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且成本很高[3]。

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)因自身具備的優(yōu)勢(shì)而被逐漸應(yīng)用于礦井中。根據(jù)礦井的特殊環(huán)境構(gòu)建煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5]，在礦井無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議承擔(dān)了重要的角色，關(guān)系著整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是否可以高效可靠地傳輸。

1礦井網(wǎng)絡(luò)模型及CHPBN的基本思想

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題就是能量約束，一個(gè)能量有效的路由協(xié)議可以大大提高網(wǎng)絡(luò)性能[6]。本文針對(duì)井下環(huán)境特點(diǎn)以及礦井安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的需求，提出一種適用于礦井下的路由協(xié)議——分簇協(xié)商通信路由協(xié)議(clustering hierarchy protocol based on negotiation, CHPBN)。

礦井下地形復(fù)雜，多為長(zhǎng)度在幾公里到幾十公里長(zhǎng)的巷道，這些巷道十分狹窄，在這種特殊環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署與其他網(wǎng)絡(luò)的部署有很大的差異。因此根據(jù)礦井實(shí)際環(huán)境構(gòu)建適合井下的網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1　礦井下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

井下工作都是在巷道中進(jìn)行，因此井下網(wǎng)絡(luò)部署采用一種長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)。根據(jù)LEACH的分簇思想，可以根據(jù)巷道的劃分對(duì)簇進(jìn)行劃分。每個(gè)坑道中，在距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的位置部署一個(gè)能量較強(qiáng)的傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn);同時(shí)在礦井的固定位置隨機(jī)部署多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)，將傳感器節(jié)點(diǎn)安裝到井下開(kāi)采設(shè)備以及作業(yè)人員身上，節(jié)點(diǎn)隨曠工以及設(shè)備移動(dòng)。簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)采集的環(huán)境信息傳送給簇首節(jié)點(diǎn);簇首節(jié)點(diǎn)將信息進(jìn)行處理后傳送給匯聚節(jié)點(diǎn);監(jiān)控中心根據(jù)收到信息進(jìn)行監(jiān)控處理。由于各個(gè)巷道之間存在一定的距離，因此網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)簇之間傳送信息是相互獨(dú)立的。

2信號(hào)傳輸能耗模型

能量約束是設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感器路由算法時(shí)首要考慮的問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸?shù)哪芰肯哪Ｐ腿鐖D2所示。

圖2　信號(hào)傳輸能耗模型

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括兩個(gè)發(fā)送模塊和接收模塊，其中發(fā)送模塊又包括發(fā)射電路和放大電路。

當(dāng)信號(hào)的傳輸距離為d時(shí)，發(fā)送kbits數(shù)據(jù)所消耗的能量為：

ET(k,d)=ET×k+Efs×k×dλ=

Eele×k+εfs×k×d2d≤d0

(1)

ET(k,d)=ET×k+Efs×k×dλ=

Eele×k+εamp×k×d4d>d0

(2)

節(jié)點(diǎn)接收kbits數(shù)據(jù)所消耗的能量：

ER(k)=ER×k=Eele×k

(3)

式中:Eelec為節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收1 bit數(shù)據(jù)所消耗的能量;εfs和εamp分別為自由空間模型系數(shù)和多徑衰落系數(shù);d為基站與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離;d0為距離常數(shù)。

設(shè)節(jié)點(diǎn)接收1bit數(shù)據(jù)的能耗為50nJ，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)，處理1bit數(shù)據(jù)所消耗的能量為5nJ/bit/signal[7]。

3CHPBN的具體過(guò)程

在分簇型網(wǎng)絡(luò)中，簇首節(jié)點(diǎn)既要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)非簇首節(jié)點(diǎn)的工作，又要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合并且轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，因此簇首節(jié)點(diǎn)的能耗非常大。在選取簇首時(shí)，通常由網(wǎng)絡(luò)周期性地監(jiān)測(cè)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，若節(jié)點(diǎn)剩余能量大于某一閾值時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)被選為簇首節(jié)點(diǎn)。基于礦井這種特殊的工作環(huán)境，CHPBN協(xié)議設(shè)定每個(gè)坑道為一個(gè)簇，部署一個(gè)能量較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)在坑道口靠近匯聚節(jié)點(diǎn)處，作為該簇的簇首節(jié)點(diǎn)。這樣可以降低多次生成簇的能量消耗，較強(qiáng)的簇首節(jié)點(diǎn)也能完成信息傳輸?shù)娜蝿?wù)，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

在網(wǎng)絡(luò)初始階段，基站廣播子請(qǐng)求信息包NRQ，通知每個(gè)坑道的簇首節(jié)點(diǎn)。之后各個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播子請(qǐng)求信息包到簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在首次接收到NRQ信息包后，將停止接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求信息包，選擇其為自己的父節(jié)點(diǎn)，并給其回復(fù)應(yīng)答信息包BRP，通知成為其子節(jié)點(diǎn)。接著，相同的過(guò)程依次執(zhí)行，最后簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成相連通的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)初始階段如圖3所示。

圖3　CHPBN網(wǎng)絡(luò)初始階段

由于少數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)安置在設(shè)備和礦工身上，隨著設(shè)備和礦工的移動(dòng)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)成為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，將改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，它將在其通信半徑內(nèi)廣播父請(qǐng)求信息包PRQ，尋找其父節(jié)點(diǎn);鄰居節(jié)點(diǎn)接收到該信息包后回復(fù)BRQ信息包給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在首次收到BRQ信息包后將不再接收其他鄰居節(jié)點(diǎn)的信息包，同時(shí)回復(fù)應(yīng)答信息包BRP給所選父節(jié)點(diǎn)，成為其子節(jié)點(diǎn)。加入的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地廣播父請(qǐng)求信息包PRQ，直到其收到BRQ信息包為止。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入過(guò)程如圖4所示。

圖4　移動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入過(guò)程

當(dāng)有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)便不能正常地與其他節(jié)點(diǎn)通信，造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不能正常傳輸。為了防止這種由于節(jié)點(diǎn)離開(kāi)而造成的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中斷，父節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送H信息包給子節(jié)點(diǎn)，若子節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到H信息包，就表示其父節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。這時(shí)，子節(jié)點(diǎn)查詢(xún)路由表，選擇新的合適的父節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送BRP信息包成為其子節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)過(guò)程如圖5所示。

圖5　移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)過(guò)程

在分簇型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇首節(jié)點(diǎn)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，一旦簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障不能實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，數(shù)據(jù)無(wú)法傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，地面監(jiān)控系統(tǒng)就不能進(jìn)行正常的監(jiān)控。為了保證簇首節(jié)點(diǎn)的正常工作，在坑道口簇首節(jié)點(diǎn)邊部署一個(gè)備用簇首節(jié)點(diǎn)。該備用簇首節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)基站無(wú)法收到某一坑道的數(shù)據(jù)時(shí)，基站將激活該坑道的備用簇首節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。同時(shí)由于簇首節(jié)點(diǎn)部署在坑道口，人員可以方便到達(dá)，發(fā)生故障后及時(shí)修理。

4實(shí)驗(yàn)仿真與分析

利用Matlab進(jìn)行試驗(yàn)仿真，模擬一個(gè)100 m×1 000 m的矩形坑道，在這一矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分配100個(gè)、200個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，在這兩種場(chǎng)景中均將其中一個(gè)傳感器設(shè)置為專(zhuān)門(mén)部署的能量較強(qiáng)的簇首節(jié)點(diǎn)，初始能量為2.5 J，坐標(biāo)為(0,50)，剩余傳感器為普通節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)分布在坑道中，初始能量為0.25 J。Matlab仿真坑道模型如圖6所示。

圖6　井下坑道節(jié)點(diǎn)模型

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小為4 000 bits。簇首節(jié)點(diǎn)所消耗的能能量由三部分組成：一部分用于接收數(shù)據(jù)，一部分用于數(shù)據(jù)融合，還有一部分用于發(fā)送數(shù)據(jù)。其中，接收數(shù)據(jù)消耗的能量為50 nJ/bit，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合所消耗的能量為5 nJ/bit/signal。其他普通節(jié)點(diǎn)的能量消耗只包括接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)兩個(gè)部分[8]。

對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間和節(jié)點(diǎn)全部死亡時(shí)間是衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的兩個(gè)重要參數(shù)。因此，在仿真對(duì)比過(guò)程中這兩個(gè)參數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，和經(jīng)典的LEACH算法進(jìn)行比較，證明了CHPBN算法的優(yōu)越性。首先，依據(jù)坑道進(jìn)行一次性分簇，降低了多次生成簇的能量消耗。其次，對(duì)簇首節(jié)點(diǎn)的特殊處理平衡了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，使網(wǎng)絡(luò)的生命周期有效地延長(zhǎng)。分配100個(gè)傳感器時(shí)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)CHPBN算法與

從仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于LEACH協(xié)議，在第150輪時(shí)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，在965輪時(shí)節(jié)點(diǎn)全部死亡;而在CHPBN協(xié)議中，在第809輪時(shí)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)開(kāi)始死亡，在第1 123輪時(shí)節(jié)點(diǎn)全部死亡。圖8為分配200個(gè)傳感器的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于LEACH協(xié)議，第165輪時(shí)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，在第1 003輪時(shí)節(jié)點(diǎn)全部死亡；而在CHPBN協(xié)議中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間為827輪，1 139輪時(shí)節(jié)點(diǎn)全部死亡。

圖8　200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)本算法與

圖9和圖10分別給出了分配100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)的各時(shí)間對(duì)比。從兩組仿真結(jié)果中可以看出，CHPBN協(xié)議中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間和節(jié)點(diǎn)全部死亡的時(shí)間明顯增加，節(jié)點(diǎn)全部死亡時(shí)間與第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間的差值明顯減少。仿真結(jié)果證明，CHPBN協(xié)議不但有效地延長(zhǎng)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，還降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗。因此，該協(xié)議更適用于礦井下的無(wú)線(xiàn)傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖9　100個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)各時(shí)間對(duì)比

圖10　200個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)各時(shí)間對(duì)比

5結(jié)束語(yǔ)

礦井安全監(jiān)測(cè)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要應(yīng)用，由于礦井環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)又存在嚴(yán)重的能量約束問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)能量高效的路由協(xié)議十分重要。而分簇型結(jié)構(gòu)類(lèi)似于礦井分坑道的情況，本文提出的CHPBN協(xié)議根據(jù)礦井坑道特點(diǎn)，采用長(zhǎng)條形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次性分簇，部署特殊處理的簇首節(jié)點(diǎn)，剩余節(jié)點(diǎn)協(xié)商成簇，利用簇間多跳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)仿真證明，本文提出的算法能有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，使網(wǎng)絡(luò)能適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，更適用于礦井下無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙青梅,陳湘源.新型無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在煤礦井下應(yīng)用的前景[J].煤礦機(jī)電,2005(2):26-28.

[2] 陳祖爵,蔣仕俊,陳瀟君.礦井環(huán)境下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2008,25(12):3747-3749.

[3] 吳迪.礦井環(huán)境下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2011.

[4] 李鋼．無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究與仿真[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2008.

[5] 杜寬．無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能算法[D]．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2011.

[6] 陶東．基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH路由協(xié)議的節(jié)能技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué),2011.

[7] Jiang D, Wang Q, Zhao Y, et al. The research and design of high reliability routing protocol of wireless sensor network in coal mine// In International Conference on Networks Security, Wireless Communications and Trusted Computing,2009:568-571.

[8] Chen G Z, Zhu Z C, Zhou G B, et al. Sensor deployment strategy for chain-type wireless underground mine sensor network. Journal of China University of Mining and Technology,2008,18(4):561-566.

科技期刊關(guān)鍵詞和引言的撰寫(xiě)

科技論文的關(guān)鍵詞是從其題名、摘要和正文中選出來(lái)的。關(guān)鍵詞包括3部分：1)敘詞(正式主題詞)，經(jīng)過(guò)規(guī)范化的并收入主題詞表中的詞或詞組；2)非正式主題詞(詞表中的上位詞+下位詞+替代詞)；3)自由詞(標(biāo)引需要但主題詞表中找不到的詞)。

每篇論文中應(yīng)專(zhuān)門(mén)列出3~8個(gè)關(guān)鍵詞，其中敘詞應(yīng)盡可能多一些。關(guān)鍵詞作為論文的組成部分，置于摘要段之后。

引言又稱(chēng)前言或緒論，是論文整體的有機(jī)組成部分。引言寫(xiě)在正文之前，屬于整篇論文的引論部分。它的作用是向讀者初步介紹文章內(nèi)容。

引言要寫(xiě)得自然、概括、簡(jiǎn)潔、確切。引言中要寫(xiě)的內(nèi)容大致有如下幾項(xiàng)：1)研究的理由、目的和背景 ；2)理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和研究方法；3)預(yù)期的成果及其作用和意義。

引言的寫(xiě)作要求是：1)開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，不繞圈子。注意一起筆就切題，不能鋪墊太遠(yuǎn)；2)言簡(jiǎn)意賅，突出重點(diǎn)；3)尊重科學(xué)，不落俗套。

引言中要求寫(xiě)的內(nèi)容較多，而篇幅有限，這就需要根據(jù)研究課題的具體情況確定闡述重點(diǎn)。共知的、前人文獻(xiàn)中已有的不必細(xì)寫(xiě)，主要寫(xiě)好研究的理由和目的，使讀者對(duì)論文有一個(gè)總體的了解。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH86;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602016

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61303207)；

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號(hào)：61371062)。

修改稿收到日期：2015-07-01。

作者劉佳(1983-)，女，現(xiàn)為太原理工大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)在讀博士研究生，講師；主要從事通信與信息系統(tǒng)的教學(xué)研究。