基于WSN的煤矿采空区路由协议的设计与研究.doc

基于WSN的煤矿采空区路由协议的设计与研究 基于WSN 的煤矿采空区路由协议的设计与 研究 王丹，丁恩杰* 作者简介王丹，（1987-），女，硕士，通信与信息系统. E-mail 45 监控终端，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、可靠性高等优点。通过该系统实现 监测监控和抢险救灾是矿井无线通信发展的趋势。目前，无线传感器网络方面的研究成果主 要还是用在地上，所以不能把这些成果简单的复制到矿井中，需要根据矿井的特点，构建符 合矿井的无线传感器网络。本文以煤矿采空区瓦斯监测系统为研究背景[1]，主要从路由方面 入手，选择符合采空区需求的路由协议，分析其性能并改进从而更适合在矿井采空区中应用。 50 1 适用于煤矿采空区的无线传感器网络 煤矿监测系统是煤矿安全生产必不可少的一部分，采空区监测是其中之一。煤矿采空区 是人员不可达区域，现有的有线监测系统无法在采空区进行部署[2]，无线传感器网络的出现， 实现了无人值守的环境监测功能，因此有必要设计一种适用于采空区监测的无线传感器网络 结构。 55 1.1 采空区监测系统网络拓扑结构的设计 采空区环境特点对无线传感器网络部署的要求是节点在监测区域均匀随机分布，节点 密度无需过大但需具有较好的连通性，能保证覆盖范围；节点一旦布设就无需移动并通过自 组织形成网络；节点能量消耗少，能胜任长期监测任务。 无线传感器网络基本拓扑结构中[3]，基于链的线性网络路由协议比较简单，如图1 所示， 60 网络健壮性较差，某个节点失效可能影响单条链路的信息传输；基于网的平面网络，如图2 所示，虽然连通性好，网络健壮，但这种网络拓扑的巨大缺点是能量效率差；基于簇的分层 网络，如图3 所示，不仅具备基于网的平面网络的优点，同时还具有分布式协同处理和数据 网络等优势。 65 图1 基于链的线性网络 Fig.1 Chain-based Linear Mesh a b c 70 图2 不同的拓扑结构 a.平面多跳网络型 b.星状单跳拓扑 c.组织化网格 Fig.2a. Flat Multi-hop Mesh b. Star-connected Single-hop Topology c. Structured Grid 图3 采空区分簇网状拓扑结构 Fig.3Cluster topological network i 75 n Goal mining area 另外，结合采空区位置特点，在上下顺槽布置双Sink 节点。基于以上考虑，本文在分 簇式网络结构的基础上，设计了采空区无线传感器网络分簇式双Sink 节点网络拓扑结构， 如图4 所示。 80 采空区无线传感器网络部署通过人工方式布设少量位置已知的锚节点[5]，普通节点随机 均匀撒播在锚节点周围。节点布设完成后，网络内部采用分簇算法形成簇状拓扑结构，簇内 节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合后把结果发送给汇聚节点。 图4 采空区分簇式双簇头网络拓扑结构 85 Fig.4 Model of clustering between two sink networks topology in Gob 鉴于采空区的环境特点，采空区无线传感器网络可以通过任意播撒的方式形成自组织网 络，这符合典型意义的无线传感器网络应用。 1.2 采空区无线传感器网络监测系统的设计 90 系统工作原理是由布设在采空区的无线传感器网络进行实时信息采集，由于网络节点 众多，采集的数据量较大，为了保证通信的有效性，提高通信速度，我们采用现有的井下 10/100M 高速工业以太网和无线网关进行通信，将数据发送到地面矿局域网数据库服务器， 地面监控中心通过访问数据库服务器，可对网络监测的数据信息进行分析和处理，从而实现 矿难的预测和预防。图5 所示为基于无线传感器网络的采空区监测系统示意图。 95 图5 基于无线传感器网络的采空区监测系统示意图 Fig.5 Schematic diagram of Mined area monitoring system based on WSN 100 本文设计的采空区监测系统具有以下优点 1、覆盖面大。布设在采空区内的大量节点能够保证监测区域的覆盖，减少监测盲区， 而大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性； 2、体积小。现代集成电路技术的发展使得无线传感器节点能够做的很小，微小的体积 105 保证了设备只占用很小的空间，这对于狭小的工作面顺槽来说尤为有利； 3、传输速度高。采用无线传感器网络与成熟的工业以太网结合，以太网10/100M 的宽 带能够保证数据高速稳定可靠传输； 4、成本低。传感器节点价格低廉，组网成本可以有效控制，无线传感器网络工作在ISM 免费频段，节点通过自组织形成网络，可节省日常维护费用； 110 5、可移植性好。无线传感器网络节点具有通用性，当完成监测任务后可以回收，再经 过简单的配置即可应用到其他场合。 2 采空区监测系统路由协议设计 2.1 LEACH 协议及其应用于采空区存在的问题 LEACH 协议的基本思想是减少普通节点与Sink 节点直接通信的节点数目，并通过数据 115 融合技术减少通信能量的损耗。LEACH 协议的执行过程是周期的，每轮循环分为簇的设置 阶段和稳定工作阶段。在簇的初始阶段，相邻节点自组织形成簇，随机产生簇头；在稳定工 作阶段，簇内成员把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给Sink 节点[6]。 由于采空区的特征，无线传感器网络是一种矩形分布、信息流量统计结果不是均衡的网 络主信息流传输是单方向进行的，因此形成一头大一头小的棒椎式结构，必然造成能量分布 120 不均衡，LEACH 协议支持数据融合，同一区域内的传感器节点可以通过协作将数据进行融 合，故将该协议作为研究对象[7]。 但是LEACH 协议不能完全应用于采空区中，在簇头和簇间都存在一些问题，具体如下 （1）簇头选择方式在采空区应用中的不足 LEACH 协议中簇头的产生具有极大的随机性，虽然使得网络中的节点可以较为平等的 125 担任簇头来均衡高能耗，但是这种随机性不会自动地导致特定节点集合中数据传输的最小能 量消耗。考虑矿井采空区地形特点，采空区监测系统中传感器节点以电池功能，电池能量有 限且无法更换，因此采空区路由协议的选择首先要考虑节点能量的有效性和能耗的均衡性。 但是由于LEACH 协议在选择簇头的过程中没有考虑节点的地理位置信息，选出的簇头可能 会出现分布不均匀的情况。 130 （2）簇间通信方式在采空区应用中的不足 LEACH 算法假设所有的节点都能直接与簇首节点和Sink 节点通信，簇内节点采用单跳 通信方式，即每个节点直接和簇头通信而不需要其它节点进行数据转发，这带来了通信的方 便和简单的优点。簇头节点接收到簇内成员节点发送来的数据后，对接收的数据进行数据融 合，然后直接发送到Sink 节点。但这种假设对于煤矿采空区大规模无线传感器网络是不合 135 理的。所以必须对LEACH 进行一定的改进，才适合在矿井采空区中应用。 2.2 采空区路由算法设计 针对煤矿采空区恶劣环境对路由协议的特殊要求，提出适合煤矿采空区的无线传感器网 络路由协议基于能量的多跳路由协议EBMC（Energy-based multi-hop clustering routing protocol）。 140 1、改进的簇头选择机制 关于能量有效性，从以下两个方面考虑第一、选择能量有效的路由协议，根据第二章 的现有路由协议分析比较得出，典型的路由协议就是MIT 的Chanrakasan 等人设计的低功耗 自适应分簇路由协议LEACH 协议。仿真表明，LEACH 协议与一般协议相比能量利用率 提高15，因此以此协议为参考，分析设计适合采空区监测系统的路由协议。第二、设计 145 能量均衡的算法，在分簇路由协议中，簇内与簇间节点之间通信能耗不均[4]，为实现能量均 衡的功能，需设计完善的簇头选择机制来确定合适的簇头位置。 2、改进的簇间通信机制 我们采用簇头节点多跳通信的方式来实现采空区数据远距离传输，降低能量消耗和延长 网络寿命。在多跳网络中，其常见的路由优化策略主要有两种最小生成树算法和最短距离树 150 算法，前者使得从给定节点到其他若干节点的路径之和最短，后者使得从给定节点到其他各 个节点的路径均最短。当簇间数据融合程度不同时，两种算法会产生不一样的效果。 图6 簇头通信示意图 Fig.6 luster-head Communication diagram 155 举例说明，如图4-8 所示，一个典型的簇头节点通信示意图。A、B 和C 节点均为簇头 节点，BC 距离为3，AC 距离为4，AB 距离为5，且B 和C 均有一个数据需要发送给A。 当簇间进行数据融合时，按照最小生成树理论建立起来的数据融合树为B-C-A。B 首先发送 1 个数据到C，通信代价为3；C 将从B 处接收到的1 个数据和本地产生的1 个数据融合为 160 1 个，再将其发送给A，通信代价为4，则数据融合树的总通信代价为7。如果按照最短路 径建立路由，则路由路径为B-A，C-A。B 将1 个数据发送给A，通信代价为5；C 将1 个 数据发送给A，通信代价为4，则总通信代价为9。当簇间无法进行数据融合时，B 到C 的 通信代价依然为3，而C 则需要将两个数据发送给距离4 外的A，通信代价变为8，则总通 信代价增大为11。 165 由于采空区的地形特点和需采集和监测数据的冗余性，我们这里采用最小生成树算法的 多跳路由，用来实现簇头与Sink 节点之间的多跳通信。 3、多径路由机制的设计 由于煤矿采空区是无人可达区域，节点部署后节点能量有限且能量无法供给，随着矿井 开采和掘进的进行，会有一些新的节点加入，部分采空区或许会出现冒落、塌陷，一些节点 170 可能消亡，部分传输路径会中断，因此需要多径路由机制。 基于能量的多径路由协议的设计考虑了传输数据包时的能耗的有效性并提高了路由协 议的服务质量。所以基于能量的多径路由协议将会在煤矿井下数据获取方面得到较好的应 用。 3 仿真结果与分析 175 本文主要比较了LEACH 协议和EBMC 协议在矿井采空区环境下的性能，由于LEACH 协议是簇头跟Sink 节点直接通信，节点的通信距离有限，所以为了更好的比较两个协议的 性能，我们设置节点的通信距离为50m，仿真场景的大小为150m50m。具体仿真如下 （1）网络中节点存活数 在仿真实验一中，我们比较了矿井采空区中LEACH 和EBMC 协议在相同网络规模下 180 的网络生命周期，即出现不同比例的死亡节点所经历的时间。如图7 所示。 图7 节点存活数目比较 Fig.7 Number of nodes with simulation times 185 从上面仿真结果图可以看出，在相同网络规模情况下，EBMC 协议相对于LEACH 协议 的网络生命周期有所延长，EBMC 协议推迟了死亡节点出现的时间，减少了死亡节点出现 的比例。LEACH 协议的节点消亡速度明显大于EBMC 协议，而仿真时间较长的时候EBMC 协议的节点消亡速度快于LEACH 协议，LEACH 协议的节点消亡速度是先快后慢，而EBMC 协议的节点消亡速度是先慢后快。 190 （2）基站接收数据量与网络总能耗的关系 在仿真实验二中，我们比较了矿井采空区LEACH 协议与EBMC 在相同网络规模情况 下，基站接收数据信息与总能量消耗之间的关系。基站接收的数据量是网络中两个Sink 节 点接收到数据量的总和。如图8 所示。 195 图8 网络能耗与基站接收数据量比较图 Fig.8 Number of data signals received at BS with energy consumption 从上面仿真结果图可以看出，在传输监测区域向基站传输相同数据信息的情况下， LEACH 协议比EBMC 协议消耗更多的能量。从仿真结果我们还可以看出，传输相同的数据 200 信息在仿真实验初期比后期消耗的能量要少，这也证实了在网络仿真开始时，所有节点都有 足够的能量，数据传输有更好的路径选择，仿真时间越久，网络中有部分节点的能量过低或 消亡，在这种情况下，节点数据转发的路由选择无法达到最优，以至簇内和簇间数据传输消 耗更高的能量；另外，监测区域中节点分布密度变小，节点监测的数据信息相关度降低，或 者也可能会出现部分监测盲区，使得簇头节点无法发挥数据融合的优势，从而增加网络中发 205 送到基站的数据量，因此增多了网络中能量的消耗。 （3）基站接收到的数据量 图9 基站接收数据量比较图 Fig.9 Number of data signals received at BS 210 在相同仿真时间内，基站接收到的数据量。网络仿真的时间截止到网络中节点的存活数 目无法自组织成簇的时刻，基站接收到的数据量是指两个Sink 节点接收数据量的求和。 （4）网络总能耗 在仿真实验四中，我们比较了矿井采空区LEACH 协议与EBMC 在相同网络规模情况 215 下，网络的总能耗。如图10 所示。 图10 网络能耗比较图 Fig.10 Energy consumption 220 从下面仿真结果中可以看出，在相同时间里，改进后协议较源协议能耗明显降低。从仿 真结果图中还可以看出，EBMC 协议较LEACH 协议有效仿真时间长，这也证实了改进后协 议的网络仿真时间得到了延长。 4 总结 为了在采空区实现无线传感器网络监测，本文综合分析了无线传感器网络的特点，介绍 225 了采空区的两种安全隐患，并总结了煤矿采空区监测监控系统的现状及存在的不足。另外， 提出了适合于矿井采空区无线传感器网络的拓扑结构。文章讨论了LEACH 协议应用到采空 区中存在的问题，对其从簇头选择机制和簇间通信方式进行了改进，提出了网络多跳路由机 制，设计了EBMC 协议，并分别做了两种协议的四项仿真实验，得出的仿真实验结果证明 了协议改进的有效性与必要性。