黎望懷,　夏旭,2

(1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程系， 湖南 長(zhǎng)沙　410151；2.中南大學(xué) 軟件學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410075)

?

基于多Sink節(jié)點(diǎn)的煤礦巷道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

黎望懷1,夏旭1,2

(1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程系， 湖南 長(zhǎng)沙410151；2.中南大學(xué) 軟件學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410075)

針對(duì)傳統(tǒng)的單Sink節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中時(shí)，遠(yuǎn)離巷道口的傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地將巷道深處的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较锏揽赟ink節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題，提出一種適用于長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu)煤礦巷道的基于多Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。該協(xié)議引入多Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和非均勻成簇的思想，采用基于多Sink節(jié)點(diǎn)的功率控制算法和非均勻成簇算法，對(duì)各個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)通信半徑、發(fā)射功率、簇首的選擇和非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑的計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該路由協(xié)議在連通度、延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)生存期上具有優(yōu)勢(shì)，可有效降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。

煤礦巷道； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 多Sink節(jié)點(diǎn)； 路由協(xié)議； 功率控制； 非均勻成簇

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1028.012.html

0　引言

為避免煤礦井下有線通信線纜在事故中受到破壞而造成監(jiān)控中斷，井下無(wú)線通信技術(shù)研究具有重要意義[1]。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)成為煤礦安全生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

通過(guò)研究煤礦巷道特征可發(fā)現(xiàn)，巷道呈長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu)，因此，應(yīng)用于煤礦巷道的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有不同于一般應(yīng)用的特點(diǎn)：① 煤礦巷道環(huán)境復(fù)雜，存在易爆氣體，傳感器節(jié)點(diǎn)電池的更換非常困難，需要優(yōu)先考慮延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期；② 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)單Sink節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)無(wú)法保證遠(yuǎn)離Sink節(jié)點(diǎn)的簇首將數(shù)據(jù)傳送給巷道口的Sink節(jié)點(diǎn)，同時(shí)遠(yuǎn)離Sink節(jié)點(diǎn)的簇首為了能將數(shù)據(jù)傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，必須工作在大功耗狀態(tài)，導(dǎo)致簇首需要更大的能耗，影響網(wǎng)絡(luò)生存期；③ 在分簇的設(shè)計(jì)上，為了達(dá)到能耗均衡，需要對(duì)簇首的選擇、非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑進(jìn)行合理計(jì)算，保證簇首不會(huì)由于負(fù)擔(dān)重而過(guò)早死亡，保證距離Sink節(jié)點(diǎn)較近且具有較高能量的傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)先成為簇首。

已有的針對(duì)煤礦無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究以單Sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，該種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)法保證巷道深處的傳感器節(jié)點(diǎn)及時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給巷道口的Sink節(jié)點(diǎn)，如參考文獻(xiàn)[3]提出的EEUC非均勻成簇算法。部分基于多Sink節(jié)點(diǎn)的路由算法研究則沒(méi)有針對(duì)煤礦特殊的長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu)，如參考文獻(xiàn)[4]提出了一種多Sink節(jié)點(diǎn)部署位置優(yōu)化算法(MSGA)，該算法在網(wǎng)絡(luò)模型的選擇上并沒(méi)有針對(duì)煤礦巷道的特殊結(jié)構(gòu)；參考文獻(xiàn)[5]提出了一種基于多Sink節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)鏈狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法，但是在非均勻成簇的方法上沒(méi)有采用適合巷道特殊結(jié)構(gòu)的算法，存在一定的局限性。

本文在煤礦巷道的特殊結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出在煤礦巷道使用多Sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并利用非均勻成簇的思想，提出一種基于多Sink節(jié)點(diǎn)的非均勻分簇的能量均衡路由協(xié)議(Unequal Clustering and Energy-balanced Routing Protocol Based on Multi-Sink，UCERP)。該協(xié)議的基本思想：在煤礦巷道內(nèi)的中央位置每隔一段隨機(jī)距離部署Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行控制來(lái)保證對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，同時(shí)各個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)部作為一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，利用非均勻成簇的思想，對(duì)簇首的選擇、非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑的計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)能耗均衡。仿真實(shí)驗(yàn)證明，UCERP符合煤礦巷道的長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，并有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。

1　網(wǎng)絡(luò)模型

基于UCERP的煤礦巷道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是在巷道的中央位置部署多個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)，各Sink節(jié)點(diǎn)可以獲得自身位置信息，并通過(guò)功率控制消息(Power Control Message，PCM)獲得鄰居Sink節(jié)點(diǎn)的工作功率情況。

為了方便研究，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，分布在一個(gè)狹長(zhǎng)的L×W區(qū)域內(nèi)，且L?W，傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)一旦部署完畢，位置將固定；傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可控，并且可根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度推算出節(jié)點(diǎn)之間的距離和接收功率；傳感器節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，初始能量相同，具有數(shù)據(jù)融合和自我剩余能量感知功能，Sink節(jié)點(diǎn)能量不受限制。

2　UCERP原理

根據(jù)煤礦巷道的特點(diǎn)，UCERP協(xié)議包括多Sink節(jié)點(diǎn)的功率控制算法(Multi-Sink Power Control Algorithm，MSPC)和各Sink節(jié)點(diǎn)內(nèi)部區(qū)域的非均勻成簇算法(Unequal Clustering and Energy-Balanced Algorithm，UCEB)2個(gè)部分。

MSPC主要是對(duì)相鄰Sink節(jié)點(diǎn)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證多Sink節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋率；UCEB主要包括簇首的選擇、非均勻競(jìng)選半徑的計(jì)算及最終簇首的產(chǎn)生，對(duì)于2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)重疊覆蓋的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)將選擇距離較近的Sink節(jié)點(diǎn)，加入其所在區(qū)域的簇。具體的分簇機(jī)制如圖1所示，離Sink1節(jié)點(diǎn)較近的簇半徑小，離Sink1節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的簇半徑大。

圖1　UCERP非均勻分簇機(jī)制

2.1MSPC

2.1.1功率控制模型

為了保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率及連通度，需要各個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)之間協(xié)商運(yùn)行時(shí)的工作功率。在參考文獻(xiàn)[6]和參考文獻(xiàn)[7]中描述了如何利用Friis公式計(jì)算節(jié)點(diǎn)的接收功率，如式(1)所示：

(1)

式中：Pr為節(jié)點(diǎn)的接收功率；Pt為節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率；gt，gr分別為發(fā)送天線和接收天線的增益；λ為由載波頻率所決定的載波波長(zhǎng)；d為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離；n為信道衰落系數(shù)，通常取2。

由式(1)可得到節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率：

(2)

式(2)中，λ，n，gt，gr在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中都是確定值，參考文獻(xiàn)[8]研究表明，可根據(jù)所接收信號(hào)的強(qiáng)度推算接收功率，因此，當(dāng)d值為Sink節(jié)點(diǎn)的最佳通信半徑時(shí)，可通過(guò)式(2)計(jì)算最優(yōu)發(fā)射功率，從而將發(fā)射功率的控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換為通信半徑的控制問(wèn)題。

2.1.2網(wǎng)絡(luò)覆蓋率

在長(zhǎng)為a、寬為b的矩形區(qū)域內(nèi)部署2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)S1，S2，如圖2所示。Sink節(jié)點(diǎn)位于該矩形區(qū)域的中央位置，如果2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信半徑相交且交點(diǎn)(即E，F(xiàn))位于該矩形區(qū)域之外，同時(shí)該矩形區(qū)域的4個(gè)頂點(diǎn)(即A，B，C，D)都位于2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信半徑之內(nèi)，則可以保證2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)對(duì)該矩形區(qū)域的覆蓋率為100%。

圖2　具有2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)上述分析，網(wǎng)絡(luò)中存在2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)，其無(wú)線射程需要滿(mǎn)足式(3)：

(3)

式中：(x,y)為位于Sink節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的任意傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；(xS1，yS1)，(xS2，yS2)分別為2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)在矩形區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)；rS1，rS2分別為2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射程。

為了實(shí)現(xiàn)覆蓋率為100%，且每個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率最小，可定義函數(shù)：

(4)

s.t.

xE>0,xF

yE≥b,yF≤0

式中：(xA，yA)，(xC，yC)，(xE，yE)，(xF，yF)分別為點(diǎn)A，C，E，F(xiàn)的坐標(biāo)。

以上分析了Sink節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為2的情況。當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)超過(guò)2個(gè)時(shí)，分析方法類(lèi)似。

2.1.3分布式功率控制算法

在MSPC中，為了保證不同的Sink節(jié)點(diǎn)之間正常通信，首先需要定義一種握手?jǐn)?shù)據(jù)包，如圖3所示。

圖3MSPC握手?jǐn)?shù)據(jù)包的幀格式

該握手?jǐn)?shù)據(jù)包包括3個(gè)數(shù)據(jù)域：Header，表示握手?jǐn)?shù)據(jù)包頭；Sink ID，全網(wǎng)唯一，用于標(biāo)識(shí)各個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)，按升序排列；Sink Location，表示初始狀態(tài)Sink節(jié)點(diǎn)的位置。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，通過(guò)該握手?jǐn)?shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)各Sink節(jié)點(diǎn)之間信息的交互。

將k個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)部署在L×W的網(wǎng)絡(luò)中，其坐標(biāo)為(xSj,ySj)，j=1,2，…，k。為方便說(shuō)明，令P(a,b)為一矩形區(qū)域，C(xSj,ySj,rSj)表示以(xSj,ySj)為圓心、以rSj為半徑的圓形區(qū)域。為了保證Sink節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋，須滿(mǎn)足式(5)：

(5)

根據(jù)功率控制模型中的結(jié)論，Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的計(jì)算問(wèn)題實(shí)際上是最優(yōu)通信半徑的求解問(wèn)題。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，為了保證所有Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從第2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)開(kāi)始的無(wú)線射程rSj(j=2,3,…,k)必須滿(mǎn)足式(6)：

(6)

由此可得如圖4所示的3種無(wú)線射程情況。通過(guò)計(jì)算可使各Sink節(jié)點(diǎn)獲得最佳的無(wú)線射程，從而使每個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)獲得最優(yōu)的發(fā)射功率。

各Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射程為

(7)

(c) 射程偏小

在各Sink節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率調(diào)整完畢后，即可使用UCEB進(jìn)行分簇。MSPC流程如圖5所示。

圖5　MSPC流程

2.2Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的UCEB

MSPC執(zhí)行完后，在各Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域內(nèi)根據(jù)UCEB進(jìn)行分簇和數(shù)據(jù)傳送。UCEB包括候選簇首的選擇、非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑的計(jì)算、最終簇首選取和簇的形成3個(gè)部分。

2.2.1候選簇首選擇

各Sink節(jié)點(diǎn)在完成功率的調(diào)校后，將獲得各自的覆蓋區(qū)域，并在其覆蓋區(qū)域內(nèi)廣播Sink ID，接收到相同Sink ID的傳感器節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為位于同一個(gè)區(qū)域內(nèi)，然后在該區(qū)域進(jìn)行分簇處理。

采用參考文獻(xiàn)[2]提出的方法選擇候選簇首。預(yù)設(shè)一個(gè)閾值T，首先傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值u，u∈[0,1],利用式(8)計(jì)算：

(8)

式中：E0，E分別為某一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量和剩余能量。

將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的u0和閾值T進(jìn)行比較，選擇滿(mǎn)足關(guān)系u0≤T的傳感器節(jié)點(diǎn)成為候選簇首，其他傳感器節(jié)點(diǎn)則作為普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

對(duì)式(8)進(jìn)行分析可知，具有較大剩余能量的傳感器節(jié)點(diǎn)更容易成為候選簇首節(jié)點(diǎn)。

2.2.2非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑的計(jì)算

為了減少各Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的簇間干擾，控制簇的規(guī)模，從候選簇首中確定最終簇首，需要獲得一個(gè)合適的非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑。參考文獻(xiàn)[3]提出一種非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算公式，但未考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量。本文提出的非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算公式為

圖3b為距離掘進(jìn)工作面2 m的yz截面濃度等值線圖，由圖可知，風(fēng)筒距離工作面3 m處，高濃度的硫化氫貼附回風(fēng)巷壁向外回流，截齒頭至進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道硫化氫體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)15×10-6；風(fēng)筒距離工作面5、7 m時(shí)工作面附近硫化氫分布規(guī)律相似，下隅角處高濃度的硫化氫隨回風(fēng)進(jìn)入渦流區(qū)域，硫化氫的分布范圍明顯擴(kuò)大，當(dāng)L=5 m時(shí)截齒頭至回風(fēng)側(cè)硫化氫濃度達(dá)到最高，超過(guò)了35×10-6，因此風(fēng)筒在此位置時(shí)最不利于硫化氫的集中治理，也加劇了掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的污染程度。

(9)

對(duì)式(9)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，競(jìng)爭(zhēng)半徑的大小和候選簇首與Sink節(jié)點(diǎn)距離、剩余能量均存在正向關(guān)系，即距離和剩余能量越小，競(jìng)爭(zhēng)半徑也越小，從而實(shí)現(xiàn)能耗均衡。

2.2.3最終簇首選取和簇的形成

UCEB中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要保存一張鄰居節(jié)點(diǎn)表，表中存儲(chǔ)其鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，所有收到相同Sink ID的傳感器節(jié)點(diǎn)位于同一區(qū)域內(nèi)，同時(shí)接收到2個(gè)Sink ID的傳感器節(jié)點(diǎn)則計(jì)算自身到Sink節(jié)點(diǎn)的距離，選擇較為靠近的Sink節(jié)點(diǎn)所覆蓋區(qū)域并加入簇。表1為某候選簇首的鄰居節(jié)點(diǎn)表，其由候選簇首ID、狀態(tài)、剩余能量和到Sink節(jié)點(diǎn)的距離構(gòu)成。

表1　某候選簇首的鄰居節(jié)點(diǎn)表

以下為UCEB算法流程。

(1) 收到相同Sink ID的傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)區(qū)域，重疊區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)將獲得2個(gè)Sink ID，此時(shí)分別計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)到2個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的距離，將傳感器節(jié)點(diǎn)加入距離較近的簇中。

(2) 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算u0，并與閾值T進(jìn)行比較，小于閾值T則成為候選簇首，否則成為普通傳感器節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑rra。

(4) 每個(gè)候選簇首啟動(dòng)定時(shí)器。

(5) 若某候選簇首在其定時(shí)器時(shí)間結(jié)束前沒(méi)有收到鄰居候選簇首的消息，表明該候選簇首競(jìng)選成功，轉(zhuǎn)向步驟(7)，否則轉(zhuǎn)向步驟(6)。

(6) 該候選簇首競(jìng)選失敗并退出競(jìng)選，成為普通傳感器節(jié)點(diǎn)。

(7) 該候選簇首競(jìng)選成功，成為簇首，發(fā)送競(jìng)選成功消息給其所有鄰居候選簇首。

(8) 簇首以rra為半徑廣播競(jìng)選成功消息給普通傳感器節(jié)點(diǎn)。

(9) 普通傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入消息通知簇首，成為簇成員，并向簇首傳送數(shù)據(jù)。

為方便說(shuō)明，將候選簇首Vq的鄰居節(jié)點(diǎn)表記為Neitab(Vq)。該鄰居節(jié)點(diǎn)表可表示為

Neitab(Vq)={Vl| Vl為候選簇首，且

range(Vq,Vl)

range(Vq,Vl)表示候選簇首Vq與Vl之間的距離；rraq,rral分別為候選簇首Vq，Vl的非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑。定時(shí)器時(shí)間t可利用式(10)計(jì)算。

(10)

式中：h為一隨機(jī)產(chǎn)生的實(shí)數(shù)，其取值范圍為[0,1]；t0為事先約定的候選簇首競(jìng)選持續(xù)時(shí)間；Ea，Da分別為競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量和平均距離，可參考文獻(xiàn)[9]進(jìn)行計(jì)算。

(11)

(12)

3　仿真與分析

3.1UCERP分析

對(duì)UCERP中涉及到的參數(shù)T，ω1，ω2，rmax取值進(jìn)行分析和說(shuō)明。

T的取值直接影響候選簇首數(shù)量，ω1和ω2的取值則體現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量和傳感器節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的距離對(duì)簇競(jìng)爭(zhēng)半徑的影響程度，這3個(gè)值的選取必須適當(dāng)，否則會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存期造成較大影響。實(shí)驗(yàn)證明，T，ω1，ω2取值分別為0.4，0.6，0.2可獲得最佳效果。

rmax的取值直接影響到非均勻競(jìng)爭(zhēng)半徑rra的大小。由于分簇發(fā)生在各Sink節(jié)點(diǎn)通信半徑調(diào)節(jié)完成后，因此rmax不可能大于rSj。而在一些大型煤礦井下的試驗(yàn)證明，rmax=75 m[10]。因此在計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)rSj>75 m時(shí)，rmax=75 m；當(dāng)rSj<75 m時(shí)，rmax=rSj。

3.2算法仿真

為了驗(yàn)證UCERP適用于煤礦巷道的長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu)，在連通度、延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)生存期上，將UCERP和MSGA進(jìn)行對(duì)比分析。采用Java語(yǔ)言，利用OMNET++4.2作為仿真工具搭建仿真平臺(tái)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)參數(shù)

連通度是指被Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋的傳感器節(jié)點(diǎn)占全部傳感器節(jié)點(diǎn)的比例。當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定值時(shí)，連通度為100%，意味著所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都被網(wǎng)絡(luò)覆蓋到。所有試驗(yàn)結(jié)果都是對(duì)1 000次仿真結(jié)果求平均值。圖6為Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化時(shí)，采用UCERP與MSGA的平均連通度對(duì)比?？梢?jiàn)隨著網(wǎng)絡(luò)中Sink節(jié)點(diǎn)的增加，采用UCERP時(shí)網(wǎng)絡(luò)平均連通度更有優(yōu)勢(shì)，如Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量為12時(shí)，MSGA的連通度為74%，UCERP為98%。

圖6　采用UCERP與MSGA的平均連通度對(duì)比

延時(shí)是指數(shù)據(jù)包從簇首節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間。主要對(duì)不同數(shù)量Sink節(jié)點(diǎn)的延時(shí)情況進(jìn)行對(duì)比。圖7為Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化時(shí)數(shù)據(jù)包延時(shí)對(duì)比，可看出Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量為4時(shí)，數(shù)據(jù)包延時(shí)最小?？梢?jiàn)多Sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)延時(shí)將大大減小。

圖7　Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化時(shí)數(shù)據(jù)包延時(shí)對(duì)比

圖8為Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化時(shí)，采用UCERP與MSGA的網(wǎng)絡(luò)生存期對(duì)比，分別進(jìn)行50次仿真，對(duì)其生存期取平均值?？煽闯霾捎肬CERP時(shí)較采用MSGA的網(wǎng)絡(luò)生存期提高14%左右，即UCERP具有更好的能耗均衡性能。

圖8　采用UCERP與MSGA的網(wǎng)絡(luò)生存期對(duì)比

4　結(jié)語(yǔ)

在分析煤礦巷道長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于煤礦巷道的基于多Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，并在仿真工具OMNET++環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了建模和仿真。仿真結(jié)果證明該路由協(xié)議在連通度、延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)生存期上符合煤礦巷道多Sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能有效降低能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。

[1]孫繼平.煤礦監(jiān)控新技術(shù)與新裝備[J].工礦自動(dòng)化，2015,41(1):1-5.

[2]夏旭，黎望懷，李登，等．煤礦采空區(qū)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J]．工礦自動(dòng)化，2014，40(4)：32-37．

[3]李成法，陳貴海，葉懋，等．一種基于非均勻分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007，30(1)：27-36.

[4]DAI S, TANG C, QIAO S, et al. Optimal multiple sink nodes deployment in wireless sensor networks based on gene expression programming[C]//International Conference on Communication Software and Networks, Singapore,2010:355-359.

[5]夏旭，陳志剛，曾鋒，等．基于多Sink的長(zhǎng)鏈狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015,28(6)：920-926.

[6]CHEN W, JIANG X, LI X, et al. Wireless sensor network nodes correlation method in coal mine tunnel based on Bayesian decision[J]. Measurement, 2013, 46(8): 2335-2340.

[7]ZHOU G, HUANG L, ZHU Z, et al. A zoning strategy for uniform deployed chain-type wireless sensor network in underground coal mine tunnel[C]//IEEE Internation Conference on High Performance Computing and Communications and IEEE International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing, Zhangjiajie,2013: 1135-1138.

[8]WOO A, TONG T, CULLER D. Taming the underlying challenges of reliable multihop routing in sensor networks[C]//Proceedings of International Conference on Embedded Networked Sensor Systems, New York, 2003:14-27.

[9]劉明，曹建農(nóng)，陳貴海，等．EADEEG：能量感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議[J]．軟件學(xué)報(bào)，2007，18(5)：1092-1109.

[10]劉曉文，閆靜杰，苗錦，等．礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH協(xié)議的改進(jìn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(4)：46-49.

Research of routing protocol for wireless sensor network in coal mine tunnel based on multi sink nodes

LI Wanghuai1,XIA Xu1,2

(1.Department of Electrical and Information Engineering, Hunan Vocational College of Security Technology, Changsha 410151, China; 2.School of Software, Central South University,Changsha 410075, China)

When traditional wireless sensor network based on single sink node is applied in coal mine monitoring system, the sensors far away from tunnel crossing cannot transmit monitoring data to sink nodes in the tunnel crossing real timely and exactly. In order to solve above problem, a routing protocol for wireless sensor network based on multi sink nodes was proposed which was suitable for long strip structure of coal mine tunnel. The protocol introduces wireless sensor network structure based on multi sink nodes and unequal clustering thought, and adopts a power control algorithm based on multi sink nodes and an unequal clustering algorithm to optimize the optimal communication radius, transmit power, cluster head selection and calculation method of unequal radius of each sink node. The simulation results show that the protocol has advantages in connectivity, delay and network lifetime, and can reduce the whole network energy consumption effectively and prolong network survival time.

coal mine tunnel; wireless sensor network; multi sink nodes; routing protocol; power control; unequal clustering

1671-251X(2016)06-0046-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.012

2016-02-02；

2016-04-15；責(zé)任編輯：李明。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61272149)；國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(hunan-0012-2015AQ)；中南大學(xué)博士生自主探索創(chuàng)新項(xiàng)目(2014zzts043)。

黎望懷(1973-)，男，湖南汨羅人，副教授，主要研究方向?yàn)閼?yīng)用電子技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、煤礦安全技術(shù)，E-mail:672703649@qq.com。通信作者:夏旭(1980-),女,湖南益陽(yáng)人,副教授,博士研究生,研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、煤礦安全監(jiān)控技術(shù)，E-mail:wuwuxuxu@163.com。

TD67

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:28

黎望懷, 夏旭.基于多Sink節(jié)點(diǎn)的煤礦巷道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(6)：46-51.