王春

(國家能源集團 寧夏煤業(yè)有限責任公司 麥垛山煤礦， 寧夏 銀川 750408)

0 引言

眾所周知，監(jiān)測煤礦采空區(qū)范圍內的礦壓顯現(xiàn)、瓦斯與CO集聚、遺煤自燃等現(xiàn)象對于保證開采進度和保障煤礦安全是非常重要的。但是由于采空區(qū)環(huán)境惡劣、地形復雜，常規(guī)的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)難以布置與維護。目前主要還是采用束管系統(tǒng)進行氣體的采集與分析[1]。近年來，人們開始提出將無線傳感器網絡(WSN)用于煤礦采空區(qū)的環(huán)境監(jiān)測。資料[2]設計了一個基于Zigbee的煤礦采空區(qū)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，資料[3][4]給出了煤礦采空區(qū)無線傳感器網絡的路由協(xié)議，資料[5]研究了采用無線傳感器網絡對采空區(qū)自燃進行監(jiān)測。這些研究對推動無線傳感器網絡在采空區(qū)的應用起到了積極的作用。

對于WSN來說，煤礦采空區(qū)是一個特殊的無線傳輸空間。這不僅是由于其工作環(huán)境的惡劣，還由于其無線網絡布置和傳輸?shù)奶厥庑浴Ｃ旱V采空區(qū)是一個時空變化的空間。采空區(qū)在隨著工作面不斷地推進。一方面，傳感器節(jié)點無法跟隨推進而移動，為了持續(xù)的監(jiān)測，只能不斷從工作面向采空區(qū)加入新的節(jié)點；另一方面，采空區(qū)的“三帶(散熱帶、氧化帶、窒息帶)”[1]也在不斷向前推進，舊節(jié)點逐步進入窒息帶而失去監(jiān)測意義，新節(jié)點不斷加入到散熱帶而發(fā)揮作用。如果不考慮采空區(qū)的這些時空變化特性，就難以發(fā)揮WSN監(jiān)測的作用和效率。

本研究利用集群概念和平面結構的路由器協(xié)議實現(xiàn)一種適合煤礦采空區(qū)使用的高效率路由方法，將多個傳感器節(jié)點放在一個群中，以適應采空區(qū)變化的無線環(huán)境，而不改變網絡的目的和功能。下面主要介紹相關原理、系統(tǒng)模型和該算法的詳細操作，對所使用的方法進行性能分析。

1 WSN網絡現(xiàn)狀

與采空區(qū)WSN不同，一般的WSN網絡主要是為了支持傳感器節(jié)點的移動性，通常認為是均勻各性同性的網絡。由于移動無線傳感器節(jié)點可以連接到人體、車輛和其他移動對象，為有效維護接收節(jié)點與傳感器節(jié)點之間的路由，提出了各種路由算法。其中最有影響力的是LEACH算法、PEGASIS算法和SPIN算法等。

LEACH將整個網絡劃分為集群[5]。每個集群都有一個簇頭。每個集群中的節(jié)點將其數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭。然后，簇頭收集數(shù)據(jù)并將其中繼到基站。每個集群使用不同的CDMA碼分多址方式來避免沖突。LEACH是一種基于分層的協(xié)議，它簡單且可伸縮。但是該協(xié)議對于節(jié)點來說并不是非常有效的。此外，必須隨時打開集群簇頭的無線電，從其集群中的節(jié)點接收數(shù)據(jù)包，簇頭節(jié)點會迅速地流失電能,于是有了各種改進的簇頭選擇算法。

PEGASIS通常被稱為基于鏈的協(xié)議，通過單個鏈來組織傳感器節(jié)點，消息從基站最遠的節(jié)點開始按沿鏈發(fā)送[6]。其主要優(yōu)點是小的總能量耗散，因為節(jié)點只需要與鄰居通信。然而PEGASIS的缺點是假設每個節(jié)點都有其他節(jié)點的全局知識，這會產生明顯的延時。

SPIN算法是一種以數(shù)據(jù)為中心的協(xié)同算法，相鄰節(jié)點間通過協(xié)商來減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸，以達到節(jié)能的目的[7]。

為了克服普通WSN網絡在工業(yè)應用的實時性、可靠性和確定性問題，人們又提出了工業(yè)WSN，即IWSN[8-9]。顯然，WSN和IWSN都不是針對采空區(qū)場景提出來的，難以適應采空區(qū)這種特定的場景。為此，本文提出IGCP集成網關節(jié)點控制協(xié)議。

2 集成網關控制協(xié)議IGCP及其混合算法

雖然WSN層次結構是高效的，數(shù)據(jù)聚合和網絡處理相對容易，但為均衡簇頭等節(jié)點中的能量消耗，層次結構需要頻繁重新創(chuàng)建。而扁平結構有多跳通信，但數(shù)據(jù)傳輸效率較低。另外，WSN的能源使用，是非常低效的，因為所有傳感器節(jié)點應始終用于通信。本研究提出一種由多個節(jié)點組成的虛擬網關節(jié)點，即集成網關控制協(xié)議IGCP(Integrated Gateway Control Protocol)，其既使用分層結構路由協(xié)議簇，又允許虛擬節(jié)點之間的平面結構路由協(xié)議。由于采空區(qū)的新節(jié)點相對能量較強，因此，IGCP的混合算法中自然傾向于使用新節(jié)點作為這些虛擬節(jié)點，而其他節(jié)點自動轉為普通測量節(jié)點，這也符合隨著工作面的推進，舊節(jié)點逐步向窒息帶過渡的具體情況如下:

1) 初始泛洪。路由信息從接收節(jié)點中溢出。每個節(jié)點為每個接收器節(jié)點設置路由信息的過程與距離向量算法相似。在路由信息包中，包含到特定接收節(jié)點的躍點數(shù)和發(fā)送節(jié)點的地址。當節(jié)點從鄰居節(jié)點接收路由信息時，它會增加一個躍點數(shù)，并將該數(shù)字作為其自身的躍點數(shù)，然后使用其自己的地址重新傳輸此信息。當從不同的相鄰節(jié)點接收到不同數(shù)量的躍點數(shù)時，使用的是最小數(shù)目。如果節(jié)點在重新傳輸路由信息后接收到較小的數(shù)字，則應再次傳輸較小的數(shù)字以更正傳播的錯誤。通過此過程，每個節(jié)點都可以知道它自己的躍點數(shù)到特定的接收器和下一個躍點節(jié)點的地址到接收器。

2) 群集。初始群集在初始路由信息分發(fā)過程中發(fā)生。在路由信息包中，應包括發(fā)送節(jié)點的能量狀態(tài)信息。當節(jié)點傳輸路由信息時，節(jié)點的每個鄰居，除了以前傳輸信息的人，都將重新傳輸信息。該節(jié)點可以利用路由信息包收集每個相鄰節(jié)點的能量狀態(tài)信息，并將其與自身的能量狀態(tài)進行比較。當節(jié)點發(fā)現(xiàn)它具有最大能量時，它就成為簇頭(通常為采空區(qū)新加入的節(jié)點)，并向其鄰居廣播簇頭廣告(CHAD)消息。在節(jié)點決定成為群集頭之前，必須等待足夠的時間從所有相鄰節(jié)點收集能量狀態(tài)信息。決定不成為群集頭的節(jié)點等待來自任何其他節(jié)點的CHAD消息。如果等待CHAD消息的節(jié)點不能接收一個預先確定的時間段，它會重復使用其他非附屬節(jié)點的能量狀態(tài)信息的交換過程。此過程是重復的，直到每個節(jié)點都隸屬于一個群集頭。任何非附屬節(jié)點的分支機構，其CHAD按它首先收到的節(jié)點。

3) 網關選擇。一個群集頭有一個網關節(jié)點到一個接收節(jié)點。網關節(jié)點是由簇頭選擇的節(jié)點之間，其中一個躍點接近接收節(jié)點后，群集頭被選出。網關節(jié)點可能是或不是群集頭的群集成員，群集頭選擇它作為網關。群集頭將網關選擇消息發(fā)送到選定的網關節(jié)點，因此所選節(jié)點可以知道它的網關。從接收節(jié)點和數(shù)據(jù)收集到接收節(jié)點的查詢傳播是通過群集頭和網關節(jié)點執(zhí)行的。

4) 集成網關節(jié)點。雖然分層結構在數(shù)據(jù)聚合和網絡處理方面都很容易，但是層次結構不能長期維護，需要再次創(chuàng)建，因為密集的能量使用在節(jié)點,如簇頭。扁平結構比分層的多跳通信更容易維護，甚至允許每個節(jié)點的能源使用。然而，無線傳感器網絡最重要的方面能源使用是非常低效的，因為所有傳感器節(jié)點應始終用于通信。本算法對兩種結構的脆弱性進行補償，即集成網關節(jié)點算法。它是一種由多個節(jié)點組成的虛擬網關節(jié)點，根據(jù)工作面WSN網絡布置原則[10]，這些虛擬網關節(jié)點以采空區(qū)新加入的節(jié)點為主，如分層結構路由協(xié)議簇，允許虛擬節(jié)點之間的平面結構路由協(xié)議。

5) 鏈接設置群集頭廣告(CHAD)主要分為繁忙狀態(tài)和靜態(tài)狀態(tài)。繁忙狀態(tài)是作為IGNH(集成網關節(jié)點頭)運行的狀態(tài)，靜態(tài)狀態(tài)是作為IGNM(集成網關節(jié)點成員)運行的狀態(tài)，因為不需要IGNH角色。繁忙的狀態(tài)發(fā)生時，不同的設計，相鄰的新創(chuàng)建，或相鄰的路由表的變化。它也成為繁忙的狀態(tài)，當它缺少IGNM節(jié)點，需要借用IGNM節(jié)點與許多IGNM節(jié)點。在繁忙的狀態(tài)下，IGNM不扮演IGNM節(jié)點的角色，而是只扮演角色，總是保持清醒。IGNH在繁忙狀態(tài)下有許多角色,因而不扮演任何角色的為數(shù)據(jù)通信，但僅工作為控制信號通信。它甚至排除所有傳感器節(jié)點在虛擬節(jié)點中的能量使用。當IGNM在IGNH通信期間沒有任何控制通信信號時，就會出現(xiàn)靜態(tài)狀態(tài)。通信周期由幀同步組成,幀是虛擬節(jié)點進行通信和同步的時間,是計劃重新配置和錯誤處理的時間,同步比幀短很多。IGNH在靜態(tài)狀態(tài)中沒有許多角色，IGNH作為IGNM節(jié)點工作。一旦初始化級別結束，并且創(chuàng)建了虛擬節(jié)點，就會成為漸變級別的繁忙狀態(tài),則需要在虛擬節(jié)點或IGNH信息之間進行IGNM傳輸?shù)牟僮?。在第一個繁忙狀態(tài)中，在創(chuàng)建路由表之前，它不會移動到靜態(tài)狀態(tài)。

盡管路由表配置在發(fā)送查詢或廣播時就像其他平面結構協(xié)議一樣進行，但配置方法卻存在一點差異。如果虛擬節(jié)點在廣播中接收查詢或數(shù)據(jù)包，則它首先檢查接收到的節(jié)點是否接收到傳輸距離的不到一半的功率。如果接收到的節(jié)點具有更多的電源，并且在其他情況下被忽略，則創(chuàng)建路由表。此外，路由表信息最多可保存2個虛擬節(jié)點躍點。虛擬節(jié)點需要接收電源的原因是通信限制。圖1所示為在集成網關節(jié)點初始化的過程。節(jié)點B作為IGNH運行，節(jié)點A和C作為IGNM運行。

圖1 初始操作

6) 泛洪位優(yōu)先。一旦集群形成，泛洪過程就不會被執(zhí)行。根據(jù)水淹所獲得的水平，節(jié)點在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中利用自己的級別進行更新。這一級別更新過程見圖2。

(a)

那些具有最低級別值的節(jié)點，轉向它的相鄰節(jié)點。然后，此節(jié)點將其自身級別設置為降1，如從Low Level 4降為Low Level 5，并添加到現(xiàn)有級別的結果。這些進程是在級別更新時發(fā)生的。過程(a)、(b)和(c)表示從通常的低層傳感器節(jié)點到高層網關節(jié)點。

7) 數(shù)據(jù)傳輸。一旦群集形成，作為一項規(guī)則，其所有操作都由網關節(jié)點控制。在群集中檢測和獲取的信息被傳輸?shù)骄W關節(jié)點。然后，網關節(jié)點通過數(shù)據(jù)聚合將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^節(jié)點。接下來，中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭x定的上部鏈接,有助于設置上層鏈接。

3 仿真與分析

用C++創(chuàng)建一個模擬器，對采空區(qū)WSN模擬如圖3所示。并將傳感器節(jié)點作為一個類對象。每個類都包含一個處理每個事件并根據(jù)處理程序的不同類型而操作的處理器。對于表示傳感器節(jié)點的類，也可以在本研究中創(chuàng)建虛擬節(jié)點，并應用運算算法。數(shù)據(jù)包也是類對象，并繼承要配置的事件。根據(jù)數(shù)據(jù)包的功能和數(shù)據(jù)包在節(jié)點對象中的處理，有多種類型。選擇了任意節(jié)點對象，如果對象處于非活動狀態(tài)，或者已經是其他虛擬節(jié)點的成員，則選擇下一個對象。如果所選對象不是虛擬節(jié)點的成員或處于非活動狀態(tài)，則將執(zhí)行在節(jié)點對象中定義的算法。隨著這種過程的重復，虛擬節(jié)點算法被應用到所有被選擇的節(jié)點對象。創(chuàng)建虛擬節(jié)點的傳感器字段的數(shù)據(jù)設置為在同步節(jié)點中進行。數(shù)據(jù)包類型可以是"興趣"或"查詢"，具體取決于平面結構路由協(xié)議，并且可以更改大小以適合應用程序運行的條件。同時，在CBR(Computer Build Report計算機生成的報告商品指數(shù))方法中可以在一定的時間段內傳輸數(shù)據(jù)包,將研究應用的參數(shù)值進行仿真。

圖3 采空區(qū)節(jié)點布置模擬

該仿真分析了現(xiàn)有路由協(xié)議運行時所使用的能量值，并應用了本研究提出的算法后所使用的能量值。此模擬不考慮初始化級別中用于創(chuàng)建虛擬節(jié)點的能量值,這是因為相比總能量值的使用,它是一個非常小的能量值。

在這個模擬中，一個1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)包是同步創(chuàng)建的，這個數(shù)據(jù)包發(fā)送到整個網絡，并分析了該過程中使用的能量。使用的路由協(xié)議是泛洪和旋轉。使用參數(shù)用于其他模擬相同的條件下進行的實驗。

圖4顯示了一般泛洪之間的能量比較，在這種情況下，虛擬節(jié)點算法不被使用，并且通過虛擬節(jié)點在其中應用虛擬節(jié)點算法進行注水。如圖4所示，在應用該算法時，有多達55%的節(jié)能效果。

圖4 一般泛洪能量比較的模擬結果

同時，采用虛擬節(jié)點后，能源效率也有較大提高。圖5是帶虛擬節(jié)點和不帶虛擬節(jié)點兩種方式應用于SPIN算法進行的能量消耗比較。模擬中設置數(shù)據(jù)大小為32個字節(jié)。與泛洪一樣，通過所提出的虛擬節(jié)點算法，可達到32%的節(jié)能效果。

圖5 消耗能量比較的模擬結果

4 結論

無線傳感器網絡的多種能效路由方法主要可以分為分層結構算法和平面結構算法。每個算法都有自己的優(yōu)缺點。根據(jù)煤礦采空區(qū)WSN的特點提出了一種基于虛擬網關節(jié)點的混合算法，包括了現(xiàn)有的分層結構算法和平面結構算法的優(yōu)越性。該算法在捆綁多個節(jié)點后，與平面結構類型協(xié)議的應用進行通信，如分層結構群集，并使它們作為一個節(jié)點工作。虛擬網關節(jié)點算法不僅提高了無線傳感器網絡中重要的能源效率，而且還創(chuàng)造了虛擬節(jié)點，從而實現(xiàn)了高效的能效管理。此外，還可以實現(xiàn)各種應用。它還通過允許每個節(jié)點的能效使用，以及執(zhí)行現(xiàn)有傳感器網絡路由協(xié)議中的數(shù)據(jù)聚合和內聯(lián)網，來彌補現(xiàn)有的分層結構路由協(xié)議的缺點。

論文中提出的算法可以方便地創(chuàng)建具有簡單MAC協(xié)議的虛擬節(jié)點，因為控制信號創(chuàng)建虛擬節(jié)點的過程并不復雜，并且數(shù)據(jù)包可以平滑地流過，此外在沒有許多傳感器節(jié)點用于通信的條件下,會有較少的數(shù)據(jù)包沖突,減少數(shù)據(jù)重新傳輸過程的次數(shù)。仿真分析表明，該算法在能效使用上表現(xiàn)出很大的性能，不需要大量的能量值來創(chuàng)建虛擬節(jié)點，虛擬節(jié)點的選擇適用于采空區(qū)這種有大量新節(jié)點加入的應用環(huán)境。所以它在如采空區(qū)這樣較長鏈路數(shù)據(jù)及時空變化傳輸環(huán)境中更有效率。

虛擬節(jié)點算法具有許多特點和優(yōu)越性，有望在采空區(qū)WSN監(jiān)測領域中得到廣泛使用，提高能源的使用效率和采空區(qū)監(jiān)測的有效性。如果涉及到采空區(qū)動態(tài)監(jiān)測等實時應用，仍需要研究協(xié)議的同步與時延問題。