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劉佳

（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，對井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生極大的影響。針對這一問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)生改查；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)測量監(jiān)控路由協(xié)議信息傳輸安全能耗

0引言

  煤炭資源是我國重要的能源，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)測系統(tǒng)是非常必要的。目前，我國礦井下普遍采用有線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)容易腐蝕造成信號干擾，而且一旦發(fā)生礦難，有線設(shè)備就會遭到嚴(yán)重的破壞，從而使整個檢測系統(tǒng)癱瘓。此外，隨著開采面的不斷推進(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。

  近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因自身具備的優(yōu)勢而被逐漸應(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)測系統(tǒng)，在礦井無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議承擔(dān)了重要的角色，關(guān)系著整個監(jiān)測系統(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

  在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個至關(guān)重要的問題就是能量約束，一個能量有效的路由協(xié)議可以大大提高網(wǎng)絡(luò)性能。本文針對井下環(huán)境特點(diǎn)以及礦井安全監(jiān)測網(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 protocolbased on negotiation, CHPBN).

礦井下地形復(fù)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(huán)境下，無線傳感器網(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。

  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)巷道的劃分對簇進(jìn)行劃分。每個坑道中，在距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的位置部署一個能量較強(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。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。由于各個巷道之間存在一定的距離，因此網(wǎng)絡(luò)中各個簇之間傳送信息是相互獨(dú)立的。

2信號傳輸能耗模型

能量約束是設(shè)計(jì)無線傳感器路由算法時(shí)首要考慮的問題。節(jié)點(diǎn)信號傳輸?shù)哪芰肯�耗模型如圖2所示。

  無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括兩個發(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)信號的傳輸距離為d時(shí)，發(fā)送kbits數(shù)據(jù)所消耗的能量為：

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

式中：E。，。為節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收l bit數(shù)據(jù)所消耗的能量；e fs和e。。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；d為距離常數(shù)。

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

3  CHPBN的具體過程

  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)定每個坑道為一個簇，部署一個能量較強(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，基站廣播子請求信息包NRQ，通知每個坑道的簇首節(jié)點(diǎn)。之后各個簇首節(jié)點(diǎn)會廣播子請求信息包到簇內(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)來的請求信息包，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。

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，這些傳感器節(jié)點(diǎn)成為移動節(jié)點(diǎn)，將改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)有移動節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，它將在其通信半徑內(nèi)廣播父請求信息包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信息包給移動節(jié)點(diǎn)；移動節(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)。加入的移動節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)加入過程如圖4所示。

當(dāng)有移動節(jié)點(diǎn)離開時(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)沒有收到H信息包，就表示其父節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)。這時(shí)，子節(jié)點(diǎn)查詢路由表，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)。移動節(jié)點(diǎn)離開過程如圖5所示。

  在分簇型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇首節(jié)點(diǎn)是一個重要的環(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100 m×1000 m的矩形坑道，在這一矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分配100個、200個無線傳感器節(jié)點(diǎn)，在這兩種場景中均將其中一個傳感器設(shè)置為專門部署的能量較強(qiáng)的簇首節(jié)點(diǎn)，初始能量為2.5 J，坐標(biāo)為(O，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。

  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5nJ／biUsignal。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)兩個部分。

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，第一個節(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)量的兩個重要參數(shù)。因此，在仿真對比過程中這兩個參數(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。分配100個傳感器時(shí)仿真結(jié)果如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，對于LEACH協(xié)議，在第150輪時(shí)第一個節(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個傳感器的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，對于LEACH協(xié)議，第165輪時(shí)第一個節(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)議中第一個節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間為827輪，l139輪時(shí)節(jié)點(diǎn)全部死亡。

圖9和圖10分別給出了分配100個傳感器節(jié)點(diǎn)和200個傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)的各時(shí)間對比。從兩組仿真結(jié)果中可以看出．CHPBN協(xié)議中第一個節(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)議不但有效地延長了無線傳感器網(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線傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)。

5結(jié)束語

  礦井安全監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要應(yīng)用，由于礦井環(huán)境復(fù)雜，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又存在嚴(yán)重的能量約束問題，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)，采用長條形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對網(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，更適用于礦井下無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。