矿井下无线传感器网络路由协议的研究

Research on the Routing Protocol of Wireless Sensor Networks in Downhole

刘　佳1,2

(山西职业技术学院电子信息工程系1，山西 太原　030006; 太原理工大学机械电子工程研究所2，山西 太原　030024)



矿井下无线传感器网络路由协议的研究

Research on the Routing Protocol of Wireless Sensor Networks in Downhole

刘佳1,2

(山西职业技术学院电子信息工程系1，山西 太原030006; 太原理工大学机械电子工程研究所2，山西 太原030024)

摘要：矿井下环境复杂恶劣，对井下无线传感器网络产生极大的影响。针对这一问题提出一种适用于井下环境的分簇协商通信路由协议——CHPBN算法。根据矿井坑道特点，采用一次性分簇，即在网络初始化时选取特殊处理的簇首，之后不再发生改变;剩余传感器节点协商成簇，簇首与汇聚节点之间采用多跳方式进行通信，降低能量消耗。仿真结果证明，CHPBN算法能有效延长网络的生命周期。

关键词：煤炭矿井传感器网络测量监控路由协议信息传输安全能耗 是论文的检索标志，是表达文献主题概念的自然语言词汇，一般是词和词组。

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

煤炭资源是我国重要的能源，其生产工作多数在地下进行。矿井生产环境恶劣，各种灾害事故频发，因此在井下建立完善的安全监测系统是非常必要的。目前，我国矿井下普遍采用有线检测系统，该系统容易腐蚀造成信号干扰，而且一旦发生矿难，有线设备就会遭到严重的破坏,从而使整个检测系统瘫痪[1-2]。此外，随着开采面的不断推进，需要铺设更多的电缆，这不但费时费力而且成本很高[3]。

近年来，无线传感器网络因自身具备的优势而被逐渐应用于矿井中。根据矿井的特殊环境构建煤矿生产安全监测系统[4-5]，在矿井无线传感器监测网络中，路由协议承担了重要的角色，关系着整个监测系统中数据是否可以高效可靠地传输。

1矿井网络模型及CHPBN的基本思想

在无线传感器网络中一个至关重要的问题就是能量约束，一个能量有效的路由协议可以大大提高网络性能[6]。本文针对井下环境特点以及矿井安全监测网络的需求，提出一种适用于矿井下的路由协议——分簇协商通信路由协议(clustering hierarchy protocol based on negotiation, CHPBN)。

矿井下地形复杂，多为长度在几公里到几十公里长的巷道，这些巷道十分狭窄，在这种特殊环境下，无线传感器网络的部署与其他网络的部署有很大的差异。因此根据矿井实际环境构建适合井下的网络模型，如图1所示。

图1　矿井下无线传感器网络模型

井下工作都是在巷道中进行，因此井下网络部署采用一种长条形结构。根据LEACH的分簇思想，可以根据巷道的划分对簇进行划分。每个坑道中，在距离汇聚节点较近的位置部署一个能量较强的传感器节点作为簇首节点;同时在矿井的固定位置随机部署多数传感器节点，将传感器节点安装到井下开采设备以及作业人员身上，节点随旷工以及设备移动。簇内的传感器节点将实时采集的环境信息传送给簇首节点;簇首节点将信息进行处理后传送给汇聚节点;监控中心根据收到信息进行监控处理。由于各个巷道之间存在一定的距离，因此网络中各个簇之间传送信息是相互独立的。

2信号传输能耗模型

能量约束是设计无线传感器路由算法时首要考虑的问题。节点信号传输的能量消耗模型如图2所示。

图2　信号传输能耗模型

无线传感器节点主要包括两个发送模块和接收模块，其中发送模块又包括发射电路和放大电路。

当信号的传输距离为d时，发送kbits数据所消耗的能量为：

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)

节点接收kbits数据所消耗的能量：

ER(k)=ER×k=Eele×k

(3)

式中:Eelec为节点发送或接收1 bit数据所消耗的能量;εfs和εamp分别为自由空间模型系数和多径衰落系数;d为基站与传感器节点之间的距离;d0为距离常数。

设节点接收1bit数据的能耗为50nJ，簇头节点进行数据融合时，处理1bit数据所消耗的能量为5nJ/bit/signal[7]。

3CHPBN的具体过程

在分簇型网络中，簇首节点既要负责调节非簇首节点的工作，又要负责数据的融合并且转发给汇聚节点，因此簇首节点的能耗非常大。在选取簇首时，通常由网络周期性地监测所有传感器节点的剩余能量，若节点剩余能量大于某一阈值时，则该节点被选为簇首节点。基于矿井这种特殊的工作环境，CHPBN协议设定每个坑道为一个簇，部署一个能量较强的节点在坑道口靠近汇聚节点处，作为该簇的簇首节点。这样可以降低多次生成簇的能量消耗，较强的簇首节点也能完成信息传输的任务，延长了网络的生命周期。

在网络初始阶段，基站广播子请求信息包NRQ，通知每个坑道的簇首节点。之后各个簇首节点会广播子请求信息包到簇内节点，簇内节点在首次接收到NRQ信息包后，将停止接收其他节点发来的请求信息包，选择其为自己的父节点，并给其回复应答信息包BRP，通知成为其子节点。接着，相同的过程依次执行，最后簇内节点构成相连通的网络。网络初始阶段如图3所示。

图3　CHPBN网络初始阶段

由于少数传感器节点安置在设备和矿工身上，随着设备和矿工的移动，这些传感器节点成为移动节点，将改变网络的拓扑结构。当有移动节点加入时，它将在其通信半径内广播父请求信息包PRQ，寻找其父节点;邻居节点接收到该信息包后回复BRQ信息包给移动节点；移动节点在首次收到BRQ信息包后将不再接收其他邻居节点的信息包，同时回复应答信息包BRP给所选父节点，成为其子节点。加入的移动节点会周期性地广播父请求信息包PRQ，直到其收到BRQ信息包为止。移动节点加入过程如图4所示。

图4　移动节点加入过程

当有移动节点离开时，该节点便不能正常地与其他节点通信，造成网络数据不能正常传输。为了防止这种由于节点离开而造成的网络数据传输中断，父节点周期性地发送H信息包给子节点，若子节点在规定的时间内没有收到H信息包，就表示其父节点离开网络。这时，子节点查询路由表，选择新的合适的父节点，并发送BRP信息包成为其子节点。移动节点离开过程如图5所示。

图5　移动节点离开过程

在分簇型无线传感器网络中，簇首节点是一个重要的环节，一旦簇首节点发生故障不能实现功能时，数据无法传送到汇聚节点，地面监控系统就不能进行正常的监控。为了保证簇首节点的正常工作，在坑道口簇首节点边部署一个备用簇首节点。该备用簇首节点平时处于休眠状态，当基站无法收到某一坑道的数据时，基站将激活该坑道的备用簇首节点，保证数据的正常传输。同时由于簇首节点部署在坑道口，人员可以方便到达，发生故障后及时修理。

4实验仿真与分析

利用Matlab进行试验仿真，模拟一个100 m×1 000 m的矩形坑道，在这一矩形区域内随机分配100个、200个无线传感器节点，在这两种场景中均将其中一个传感器设置为专门部署的能量较强的簇首节点，初始能量为2.5 J，坐标为(0,50)，剩余传感器为普通节点，随机分布在坑道中，初始能量为0.25 J。Matlab仿真坑道模型如图6所示。

图6　井下坑道节点模型

设定网络中各节点每次传输的数据包大小为4 000 bits。簇首节点所消耗的能能量由三部分组成：一部分用于接收数据，一部分用于数据融合，还有一部分用于发送数据。其中，接收数据消耗的能量为50 nJ/bit，进行数据融合所消耗的能量为5 nJ/bit/signal。其他普通节点的能量消耗只包括接收数据和发送数据两个部分[8]。

对于无线传感器网络来说，第一个节点死亡时间和节点全部死亡时间是衡量网络质量的两个重要参数。因此，在仿真对比过程中这两个参数为衡量标准，和经典的LEACH算法进行比较，证明了CHPBN算法的优越性。首先，依据坑道进行一次性分簇，降低了多次生成簇的能量消耗。其次，对簇首节点的特殊处理平衡了簇内节点的剩余能量，使网络的生命周期有效地延长。分配100个传感器时仿真结果如图7所示。

图7　100个传感器节点时CHPBN算法与

从仿真结果可以看出，对于LEACH协议，在第150轮时第一个节点死亡，在965轮时节点全部死亡;而在CHPBN协议中，在第809轮时网络中节点开始死亡，在第1 123轮时节点全部死亡。图8为分配200个传感器的仿真结果。从仿真结果可以看出，对于LEACH协议，第165轮时第一个节点死亡，在第1 003轮时节点全部死亡；而在CHPBN协议中第一个节点的死亡时间为827轮，1 139轮时节点全部死亡。

图8　200个传感器节点时本算法与

图9和图10分别给出了分配100个传感器节点和200个传感器节点时的各时间对比。从两组仿真结果中可以看出，CHPBN协议中第一个节点的死亡时间和节点全部死亡的时间明显增加，节点全部死亡时间与第一个节点死亡时间的差值明显减少。仿真结果证明，CHPBN协议不但有效地延长了无线传感器网络的生命周期，还降低了网络的能耗。因此，该协议更适用于矿井下的无线传感器检测网络。

图9　100个节点时各时间对比

图10　200个节点时各时间对比

5结束语

矿井安全监测是无线传感器网络的一个重要应用，由于矿井环境复杂，无线传感器网络又存在严重的能量约束问题，因此设计能量高效的路由协议十分重要。而分簇型结构类似于矿井分坑道的情况，本文提出的CHPBN协议根据矿井坑道特点，采用长条形的网络结构，对网络进行一次性分簇，部署特殊处理的簇首节点，剩余节点协商成簇，利用簇间多跳实现数据传输。经仿真证明，本文提出的算法能有效延长网络的生命周期，使网络能适应拓扑结构的变化，更适用于矿井下无线传感器监测网络。

参考文献

[1] 赵青梅,陈湘源.新型无线通信系统在煤矿井下应用的前景[J].煤矿机电,2005(2):26-28.

[2] 陈祖爵,蒋仕俊,陈潇君.矿井环境下无线传感器网络路由协议研究.计算机应用研究,2008,25(12):3747-3749.

[3] 吴迪.矿井环境下无线传感器网络中若干关键技术研究[D].长沙：湖南大学,2011.

[4] 李钢．无线传感器网络路由协议的研究与仿真[D]．北京：北京邮电大学，2008.

[5] 杜宽．无线传感器网络路由节能算法[D]．沈阳：沈阳工业大学，2011.

[6] 陶东．基于无线传感器网络LEACH路由协议的节能技术研究[D].北京：北京交通大学,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.

科技期刊关键词和引言的撰写

科技论文的关键词是从其题名、摘要和正文中选出来的。关键词包括3部分：1)叙词(正式主题词)，经过规范化的并收入主题词表中的词或词组；2)非正式主题词(词表中的上位词+下位词+替代词)；3)自由词(标引需要但主题词表中找不到的词)。

每篇论文中应专门列出3~8个关键词，其中叙词应尽可能多一些。关键词作为论文的组成部分，置于摘要段之后。

引言又称前言或绪论，是论文整体的有机组成部分。引言写在正文之前，属于整篇论文的引论部分。它的作用是向读者初步介绍文章内容。

引言要写得自然、概括、简洁、确切。引言中要写的内容大致有如下几项：1)研究的理由、目的和背景 ；2)理论依据、实验基础和研究方法；3)预期的成果及其作用和意义。

引言的写作要求是：1)开门见山，不绕圈子。注意一起笔就切题，不能铺垫太远；2)言简意赅，突出重点；3)尊重科学，不落俗套。

引言中要求写的内容较多，而篇幅有限，这就需要根据研究课题的具体情况确定阐述重点。共知的、前人文献中已有的不必细写，主要写好研究的理由和目的，使读者对论文有一个总体的了解。

中图分类号：TH86;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602016

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(编号：61303207)；

国家自然科学基金面上项目(编号：61371062)。

修改稿收到日期：2015-07-01。

作者刘佳(1983-)，女，现为太原理工大学机械工程专业在读博士研究生，讲师；主要从事通信与信息系统的教学研究。