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一种矿井无线传感器网络汇聚模型.pdf
一种矿井无线传感器网络汇聚模型
杨礼现,童敏明 ,许姗
中国矿业大学信电学院,江苏徐州(221008 )
E-mail: youthine@
摘 要:本文根据煤矿安全监测网络的特点,提出一种适合井下应用环境的无线传感器网络
数据汇聚模型。该模型将网络节点按地理位置信息划分地理网格簇,由簇首节点协调簇内节
点的数据采集和融合,利用定向扩散路由机制实现数据的查询和汇聚。研究结果表明该模型
能有效消除定向扩散中由洪泛引起的冗余数据,加快数据的汇聚。网络在连续实时监测的同
时具备了应对瓦斯突出等突发事件的能力。
关键词:矿井安全监测无线传感器网络;定向扩散;数据汇聚;分簇算法
中图分类号:TP212
1.引言
[1]
无线传感器网络 是由具备数据采集、数据处理和数据通信的传感器节点通过自组织形
成的网络,目前已经逐步应用于军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险
救灾、危险区域远程控制等许多领域。目前煤矿安全形势严峻,瓦斯成为引发安全事故的首
要因素,将无线传感器网络技术应用到煤矿瓦斯实时监测不但能克服传统监测网络的缺陷,
还将有助于提高煤矿的抗灾害、事故能力,对减少或避免矿井灾害事故具有十分重要的意义。
井下无线传感器网络在具备良好的可靠性和扩展性的同时,必须具备很好的实时性,及
时反映瓦斯突出等环境参数动态变化,否则会造成严重后果,因此数据的快速汇聚是井下无
线传感器网络研究的重要内容。井下传感器节点采集的环境数据与地理位置信息密切相关,
而且大多数节点采用人工部署的方式,定位容易实现,因此,利用地理位置信息将查询分组
或者数据分组直接发送到目的范围,以减少数据在网络中的泛洪,加快数据汇聚速度,是井
下无线传感器网络汇聚模型设计中的一种有效的手段。目前,基于位置信息的路由协议主要
有 GPSR[2]、DREAM[3]、MECN[4]、GAF[5]、GEAR[6]等,这些协议多借助于 GPS 进行节点
定位,网络的拓扑感知能力和移动性的支持也比较差,不能直接满足井下环境的应用需求。
[7]是一种以数据为中心为的路由算法,具备良好的可靠性
定向扩散(Directed Diffusion )
和扩展性,不需要维护全局拓扑,但其实时性方面存在不足。本文在该算法的基础上,提出
一种利用地理位置信息进行网格分簇的数据汇聚模型,各个传感器节点先将监测数据传输到
簇首节点进行数据融合,簇首再通过由定向扩散形成的路径将数据汇聚到网关节点,通过有
线网络最终传递到汇聚中心。由于采用了分布式基于成簇的路由机制,克服了定向扩散算法
的泛洪缺陷,消除了冗余数据在网络中的传播,并使网络能量消耗得到均衡。该模型采用周
期性查询和实时报警两种监测机制,不但能满足连续监测的需求,而且能应对瓦斯突出等紧
急事件。
2 .系统模型
一个典型的矿井工作水平面由井底车场、运输大巷,各个煤层巷道和石门组成,在各个
煤层又分为不同的采区作业面,因此将形成众多不同的局部网络。整个系统由局部网络(无
线传感器网络)和有线主干网络组成,局部网络主要负责局部网络的数据采集,有线主干网
络负责将数据传递到汇聚中心。在每个局部网络(如作业面、巷道)安装的传感器节点可以
检测到网络区域内瓦斯浓度及环境参数,每个节点先将采集并处理后的数据传输到局部网络
- 1 -
的网关,然后通过网关接入有线网络,进而传递到整个矿井的数据汇集中心。系统的模型框
图如图1 所示。
对于井下某个局部网络,网关作为汇聚节点用来协调局部网络的数据传输和路由维护,
这样就将定向扩散算法中泛洪发送的数据分组限制在一个较小的区域内。局部网络内部再利
用位置信息划分虚拟网格,进而形成分簇结构,兴趣和探测数据仅仅在网络簇首之间进行散
布。为了均衡能耗,要求簇首节点经常变更,可以利用定向扩散算法定期查询的方式,定期
更新路由以应对簇首节点的变更。因此,新节点加入到网络或节点位置发生变化引起的拓扑
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