礦井下無線傳感器網絡路由協議的研究

Research on the Routing Protocol of Wireless Sensor Networks in Downhole

劉　佳1,2

(山西職業技術學院電子信息工程系1，山西 太原　030006; 太原理工大學機械電子工程研究所2，山西 太原　030024)

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礦井下無線傳感器網絡路由協議的研究

Research on the Routing Protocol of Wireless Sensor Networks in Downhole

劉佳1,2

(山西職業技術學院電子信息工程系1，山西 太原030006; 太原理工大學機械電子工程研究所2，山西 太原030024)

摘要：礦井下環境復雜惡劣，對井下無線傳感器網絡產生極大的影響。針對這一問題提出一種適用于井下環境的分簇協商通信路由協議——CHPBN算法。根據礦井坑道特點，采用一次性分簇，即在網絡初始化時選取特殊處理的簇首，之后不再發生改變;剩余傳感器節點協商成簇，簇首與匯聚節點之間采用多跳方式進行通信，降低能量消耗。仿真結果證明，CHPBN算法能有效延長網絡的生命周期。

關鍵詞：煤炭礦井傳感器網絡測量監控路由協議信息傳輸安全能耗 是論文的檢索標志，是表達文獻主題概念的自然語言詞匯，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

煤炭資源是我國重要的能源，其生產工作多數在地下進行。礦井生產環境惡劣，各種災害事故頻發，因此在井下建立完善的安全監測系統是非常必要的。目前，我國礦井下普遍采用有線檢測系統，該系統容易腐蝕造成信號干擾，而且一旦發生礦難，有線設備就會遭到嚴重的破壞,從而使整個檢測系統癱瘓[1-2]。此外，隨著開采面的不斷推進，需要鋪設更多的電纜，這不但費時費力而且成本很高[3]。

近年來，無線傳感器網絡因自身具備的優勢而被逐漸應用于礦井中。根據礦井的特殊環境構建煤礦生產安全監測系統[4-5]，在礦井無線傳感器監測網絡中，路由協議承擔了重要的角色，關系著整個監測系統中數據是否可以高效可靠地傳輸。

1礦井網絡模型及CHPBN的基本思想

在無線傳感器網絡中一個至關重要的問題就是能量約束，一個能量有效的路由協議可以大大提高網絡性能[6]。本文針對井下環境特點以及礦井安全監測網絡的需求，提出一種適用于礦井下的路由協議——分簇協商通信路由協議(clustering hierarchy protocol based on negotiation, CHPBN)。

礦井下地形復雜，多為長度在幾公里到幾十公里長的巷道，這些巷道十分狹窄，在這種特殊環境下，無線傳感器網絡的部署與其他網絡的部署有很大的差異。因此根據礦井實際環境構建適合井下的網絡模型，如圖1所示。

圖1　礦井下無線傳感器網絡模型

井下工作都是在巷道中進行，因此井下網絡部署采用一種長條形結構。根據LEACH的分簇思想，可以根據巷道的劃分對簇進行劃分。每個坑道中，在距離匯聚節點較近的位置部署一個能量較強的傳感器節點作為簇首節點;同時在礦井的固定位置隨機部署多數傳感器節點，將傳感器節點安裝到井下開采設備以及作業人員身上，節點隨曠工以及設備移動。簇內的傳感器節點將實時采集的環境信息傳送給簇首節點;簇首節點將信息進行處理后傳送給匯聚節點;監控中心根據收到信息進行監控處理。由于各個巷道之間存在一定的距離，因此網絡中各個簇之間傳送信息是相互獨立的。

2信號傳輸能耗模型

能量約束是設計無線傳感器路由算法時首要考慮的問題。節點信號傳輸的能量消耗模型如圖2所示。

圖2　信號傳輸能耗模型

無線傳感器節點主要包括兩個發送模塊和接收模塊，其中發送模塊又包括發射電路和放大電路。

當信號的傳輸距離為d時，發送kbits數據所消耗的能量為：

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)

節點接收kbits數據所消耗的能量：

ER(k)=ER×k=Eele×k

(3)

式中:Eelec為節點發送或接收1 bit數據所消耗的能量;εfs和εamp分別為自由空間模型系數和多徑衰落系數;d為基站與傳感器節點之間的距離;d0為距離常數。

設節點接收1bit數據的能耗為50nJ，簇頭節點進行數據融合時，處理1bit數據所消耗的能量為5nJ/bit/signal[7]。

3CHPBN的具體過程

在分簇型網絡中，簇首節點既要負責調節非簇首節點的工作，又要負責數據的融合并且轉發給匯聚節點，因此簇首節點的能耗非常大。在選取簇首時，通常由網絡周期性地監測所有傳感器節點的剩余能量，若節點剩余能量大于某一閾值時，則該節點被選為簇首節點。基于礦井這種特殊的工作環境，CHPBN協議設定每個坑道為一個簇，部署一個能量較強的節點在坑道口靠近匯聚節點處，作為該簇的簇首節點。這樣可以降低多次生成簇的能量消耗，較強的簇首節點也能完成信息傳輸的任務，延長了網絡的生命周期。

在網絡初始階段，基站廣播子請求信息包NRQ，通知每個坑道的簇首節點。之后各個簇首節點會廣播子請求信息包到簇內節點，簇內節點在首次接收到NRQ信息包后，將停止接收其他節點發來的請求信息包，選擇其為自己的父節點，并給其回復應答信息包BRP，通知成為其子節點。接著，相同的過程依次執行，最后簇內節點構成相連通的網絡。網絡初始階段如圖3所示。

圖3　CHPBN網絡初始階段

由于少數傳感器節點安置在設備和礦工身上，隨著設備和礦工的移動，這些傳感器節點成為移動節點，將改變網絡的拓撲結構。當有移動節點加入時，它將在其通信半徑內廣播父請求信息包PRQ，尋找其父節點;鄰居節點接收到該信息包后回復BRQ信息包給移動節點；移動節點在首次收到BRQ信息包后將不再接收其他鄰居節點的信息包，同時回復應答信息包BRP給所選父節點，成為其子節點。加入的移動節點會周期性地廣播父請求信息包PRQ，直到其收到BRQ信息包為止。移動節點加入過程如圖4所示。

圖4　移動節點加入過程

當有移動節點離開時，該節點便不能正常地與其他節點通信，造成網絡數據不能正常傳輸。為了防止這種由于節點離開而造成的網絡數據傳輸中斷，父節點周期性地發送H信息包給子節點，若子節點在規定的時間內沒有收到H信息包，就表示其父節點離開網絡。這時，子節點查詢路由表，選擇新的合適的父節點，并發送BRP信息包成為其子節點。移動節點離開過程如圖5所示。

圖5　移動節點離開過程

在分簇型無線傳感器網絡中，簇首節點是一個重要的環節，一旦簇首節點發生故障不能實現功能時，數據無法傳送到匯聚節點，地面監控系統就不能進行正常的監控。為了保證簇首節點的正常工作，在坑道口簇首節點邊部署一個備用簇首節點。該備用簇首節點平時處于休眠狀態，當基站無法收到某一坑道的數據時，基站將激活該坑道的備用簇首節點，保證數據的正常傳輸。同時由于簇首節點部署在坑道口，人員可以方便到達，發生故障后及時修理。

4實驗仿真與分析

利用Matlab進行試驗仿真，模擬一個100 m×1 000 m的矩形坑道，在這一矩形區域內隨機分配100個、200個無線傳感器節點，在這兩種場景中均將其中一個傳感器設置為專門部署的能量較強的簇首節點，初始能量為2.5 J，坐標為(0,50)，剩余傳感器為普通節點，隨機分布在坑道中，初始能量為0.25 J。Matlab仿真坑道模型如圖6所示。

圖6　井下坑道節點模型

設定網絡中各節點每次傳輸的數據包大小為4 000 bits。簇首節點所消耗的能能量由三部分組成：一部分用于接收數據，一部分用于數據融合，還有一部分用于發送數據。其中，接收數據消耗的能量為50 nJ/bit，進行數據融合所消耗的能量為5 nJ/bit/signal。其他普通節點的能量消耗只包括接收數據和發送數據兩個部分[8]。

對于無線傳感器網絡來說，第一個節點死亡時間和節點全部死亡時間是衡量網絡質量的兩個重要參數。因此，在仿真對比過程中這兩個參數為衡量標準，和經典的LEACH算法進行比較，證明了CHPBN算法的優越性。首先，依據坑道進行一次性分簇，降低了多次生成簇的能量消耗。其次，對簇首節點的特殊處理平衡了簇內節點的剩余能量，使網絡的生命周期有效地延長。分配100個傳感器時仿真結果如圖7所示。

圖7　100個傳感器節點時CHPBN算法與

從仿真結果可以看出，對于LEACH協議，在第150輪時第一個節點死亡，在965輪時節點全部死亡;而在CHPBN協議中，在第809輪時網絡中節點開始死亡，在第1 123輪時節點全部死亡。圖8為分配200個傳感器的仿真結果。從仿真結果可以看出，對于LEACH協議，第165輪時第一個節點死亡，在第1 003輪時節點全部死亡；而在CHPBN協議中第一個節點的死亡時間為827輪，1 139輪時節點全部死亡。

圖8　200個傳感器節點時本算法與

圖9和圖10分別給出了分配100個傳感器節點和200個傳感器節點時的各時間對比。從兩組仿真結果中可以看出，CHPBN協議中第一個節點的死亡時間和節點全部死亡的時間明顯增加，節點全部死亡時間與第一個節點死亡時間的差值明顯減少。仿真結果證明，CHPBN協議不但有效地延長了無線傳感器網絡的生命周期，還降低了網絡的能耗。因此，該協議更適用于礦井下的無線傳感器檢測網絡。

圖9　100個節點時各時間對比

圖10　200個節點時各時間對比

5結束語

礦井安全監測是無線傳感器網絡的一個重要應用，由于礦井環境復雜，無線傳感器網絡又存在嚴重的能量約束問題，因此設計能量高效的路由協議十分重要。而分簇型結構類似于礦井分坑道的情況，本文提出的CHPBN協議根據礦井坑道特點，采用長條形的網絡結構，對網絡進行一次性分簇，部署特殊處理的簇首節點，剩余節點協商成簇，利用簇間多跳實現數據傳輸。經仿真證明，本文提出的算法能有效延長網絡的生命周期，使網絡能適應拓撲結構的變化，更適用于礦井下無線傳感器監測網絡。

參考文獻

[1] 趙青梅,陳湘源.新型無線通信系統在煤礦井下應用的前景[J].煤礦機電,2005(2):26-28.

[2] 陳祖爵,蔣仕俊,陳瀟君.礦井環境下無線傳感器網絡路由協議研究.計算機應用研究,2008,25(12):3747-3749.

[3] 吳迪.礦井環境下無線傳感器網絡中若干關鍵技術研究[D].長沙：湖南大學,2011.

[4] 李鋼．無線傳感器網絡路由協議的研究與仿真[D]．北京：北京郵電大學，2008.

[5] 杜寬．無線傳感器網絡路由節能算法[D]．沈陽：沈陽工業大學，2011.

[6] 陶東．基于無線傳感器網絡LEACH路由協議的節能技術研究[D].北京：北京交通大學,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.

科技期刊關鍵詞和引言的撰寫

科技論文的關鍵詞是從其題名、摘要和正文中選出來的。關鍵詞包括3部分：1)敘詞(正式主題詞)，經過規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(標引需要但主題詞表中找不到的詞)。

每篇論文中應專門列出3~8個關鍵詞，其中敘詞應盡可能多一些。關鍵詞作為論文的組成部分，置于摘要段之后。

引言又稱前言或緒論，是論文整體的有機組成部分。引言寫在正文之前，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容。

引言要寫得自然、概括、簡潔、確切。引言中要寫的內容大致有如下幾項：1)研究的理由、目的和背景 ；2)理論依據、實驗基礎和研究方法；3)預期的成果及其作用和意義。

引言的寫作要求是：1)開門見山，不繞圈子。注意一起筆就切題，不能鋪墊太遠；2)言簡意賅，突出重點；3)尊重科學，不落俗套。

引言中要求寫的內容較多，而篇幅有限，這就需要根據研究課題的具體情況確定闡述重點。共知的、前人文獻中已有的不必細寫，主要寫好研究的理由和目的，使讀者對論文有一個總體的了解。

中圖分類號：TH86;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602016

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(編號：61303207)；

國家自然科學基金面上項目(編號：61371062)。

修改稿收到日期：2015-07-01。

作者劉佳(1983-)，女，現為太原理工大學機械工程專業在讀博士研究生，講師；主要從事通信與信息系統的教學研究。