煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠路由協(xié)議研究

1、<p>　　申請人姓名： 司永潔</p><p><b>　　指導(dǎo)教師： 張長森</b></p><p>　　學(xué)位類別： 工學(xué)碩士</p><p>　　河南理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 二○一四年六月</p><p>　　河南理工大學(xué)</p><p>　煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2、可靠路由協(xié)議研究碩士學(xué)位論文煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠路由協(xié)議研究</p><p>　　中圖分類號： TD655 密 級： 公開</p><p>　　UDC： 39 單位代碼：10460</p><p>　　煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠路由協(xié)議</p><p><b>　　研究</b></p><p&g

3、t;　　Research of Reliable Routing Protocol for Wireless Sensor Network Used for Mine</p><p>　　申請人姓名 司永潔 申請學(xué)位 工學(xué)碩士</p><p>　　學(xué)科專業(yè) 通信與信息系統(tǒng) 研究方向 現(xiàn)代通信技術(shù)</p><p>　　導(dǎo)師 張長森 職稱 教授</p>

4、<p>　　提交日期 2014.04 答辯日期 2014.06</p><p><b>　　河南理工大學(xué)</b></p><p>　　河 南 理 工 大 學(xué)</p><p>　　學(xué) 位 論 文 原 創(chuàng) 性 聲 明</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文：煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠路由協(xié)</p&

5、gt;<p>　　議研究 ，是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。論文中</p><p>　　除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表</p><p>　　或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作</p><p>　　了明確的聲明并表示了謝意。</p><p>

6、;　　本人愿意承擔(dān)因本學(xué)位論文引發(fā)的一切相關(guān)責(zé)任。</p><p>　　學(xué) 位 論 文 作 者 簽 名 :</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　河南理工大學(xué)</b></p><p>　　學(xué)位論文使用授權(quán)聲明</p><p>　　本學(xué)位論

7、文作者及導(dǎo)師完全了解河南理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)</p><p>　　定，即：學(xué)校有權(quán)保留和向有關(guān)部門、機(jī)構(gòu)或單位送交論文的復(fù)印件和電子版，</p><p>　　允許論文被查閱和借閱，允許將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)</p><p>　　行檢索和傳播，允許采用任何方式公布論文內(nèi)容，并可以采用影印、縮印、掃描</p><p

8、>　　或其他手段保存、匯編、出版本學(xué)位論文。</p><p>　　保 密 的 學(xué) 位 論 文 在 解 密 后 適 用 本 授 權(quán) 。</p><p>　　學(xué) 位 論 文 作 者 簽 名 ： 導(dǎo) 師 簽 名 ：</p><p>　　年 月 日 年 月 日</p><p><b>　　致 謝</b></p>

9、<p>　　三年的研究生學(xué)習(xí)經(jīng)歷使我感觸頗深，在此，謹(jǐn)向所有幫助和指導(dǎo)我的師長、</p><p>　　同學(xué)、朋友和家人表示最真摯的敬意和最衷心的感謝！</p><p>　　首先要感謝我最敬愛的導(dǎo)師張長森教授，三年來，張老師不僅在學(xué)術(shù)上給予</p><p>　　我們悉心指導(dǎo)，更以其崇高的師長風(fēng)范教育我們?nèi)绾巫鋈?。張老師在我們研一確</p>

10、<p>　　認(rèn)導(dǎo)師以后，就為我們確立了研究題目，指明了碩士期間的研究方向，使我們在</p><p>　　以后的科研工作中少走了很多彎路。另外，隔周組織的研究小組匯報也督促著我</p><p>　　們在各自的研究領(lǐng)域不斷探索，張老師總是能在我們的匯報中找到各自存在的問</p><p>　　題，并耐心的給我們講解，啟發(fā)新思路。在此，特向張老師表示衷心的感謝！&

11、lt;/p><p>　　感謝 319 實驗室的各位老師和同學(xué)在科研工作和論文撰寫的過程中給予的珍</p><p>　　貴建議和幫助，以及在日常生活中給予我的關(guān)心和照顧。</p><p>　　感謝我親愛的家人和朋友，感謝他們對我的無私奉獻(xiàn)和無限關(guān)愛！</p><p>　　感謝一切幫助和鼓勵過我的人，謝謝！</p><p>&

12、lt;b>　　摘要</b></p><p>　　煤礦井下工作條件惡劣，通信環(huán)境復(fù)雜多變，這就要求礦井中的通信網(wǎng)絡(luò)具</p><p>　　有較高的靈活性和較好的適應(yīng)性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有布置簡易、靈活</p><p>　　性強(qiáng)、精度高、經(jīng)濟(jì)性好等特點，很適用于礦井監(jiān)控環(huán)境。為此本文主要進(jìn)行了</p><p><

13、b>　　以下研究內(nèi)容：</b></p><p>　　一、研究礦井監(jiān)控系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀以及現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了一種將</p><p>　　有線工業(yè)以太網(wǎng)和 WSN 有機(jī)結(jié)合的礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信系統(tǒng)，設(shè)計了礦井工作面</p><p>　　和巷道的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正常工作時，將 Ethernet 作為礦井通信骨干網(wǎng)，WSN 作</p>&

14、lt;p>　　為輔助通信網(wǎng)絡(luò)，完成井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與傳輸；有線線路中斷時，WSN 與未</p><p>　　中斷的有線線路快速形成礦井應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，使救援信息及時可靠的傳輸?shù)降孛?lt;/p><p>　　控制中心，以便及時采取救援措施。</p><p>　　二、系統(tǒng)分析比較了現(xiàn)有 WSN 路由協(xié)議的優(yōu)缺點，結(jié)合礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信</p><p

15、>　　系統(tǒng)的要求，提出了一種工作面路由協(xié)議 LRWF。LRWF 利用分簇的思想，將工</p><p>　　作面節(jié)點按照跳數(shù)分層后，根據(jù)各層的不同負(fù)載形成不同規(guī)模的簇以便均衡網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　能量，之后以簇首間時變的傳輸延時、節(jié)點剩余能量和傳輸能耗構(gòu)建的復(fù)合指標(biāo)</p><p>　　選取路徑，實現(xiàn)簇間數(shù)據(jù)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)。</p><p&g

16、t;　　三、結(jié)合礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信系統(tǒng)中的兩種不同工作模式，提出了一種巷道</p><p>　　路由協(xié)議 RRPR。正常工作時，傳感器節(jié)點將巷道中距離最近的 sink 作為簇首，</p><p>　　與 sink 直接通信，若 sink 位于節(jié)點通信范圍之外，則根據(jù)節(jié)點能量和位置選擇中</p><p>　　繼節(jié)點；有線線路中斷時，由下行 sink 通知上行 sink

17、 對兩 sink 間的 WSN 進(jìn)行分</p><p>　　層，依據(jù)鄰居延時和能量的復(fù)合指標(biāo)選取下跳節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)由下到上的逐層傳</p><p><b>　　輸。</b></p><p>　　本文采用 OMNET++仿真平臺對所設(shè)計的路由協(xié)議進(jìn)行仿真實驗，并與現(xiàn)有</p><p>　　的礦井 WSN 路由協(xié)議 LEAC

18、H-M、LBUC-M 和 CHM-VG 比較，通過對節(jié)點平均</p><p>　　剩余能量、數(shù)據(jù)傳輸延時和數(shù)據(jù)包接收率等性能參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，所設(shè)</p><p>　　計的路由協(xié)議更適合于礦井監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：礦井；WSN ；路由協(xié)議；及時可靠</p><p><b>　　I</b></

19、p><p><b>　　II</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　According to the bad working conditions and complicated communication</p><p>　　environment in c

20、oal mine, the communication network underground should be more</p><p>　　flexible and adaptive. The wireless sensor network (WSN) has lots of advantages, such</p><p>　　as easy layout, strong flex

21、ibility, high accuracy, efficientive economy, etc. It is very</p><p>　　suitable for the mine monitoring environment.This paper mainly carried out the</p><p>　　following research contents:</p&

22、gt;<p>　　First, studying the current situation and defects of the existing mine monitoring</p><p>　　system, we put forward a mine monitoring and emergency communication system</p><p>　　co

23、mbining Ethernet and WSN. Design the network topology of the working face and the</p><p>　　roadway. For normal work, regard Ethernet as mine communication backbone, and</p><p>　　WSN as auxiliary

24、 communication network, transmitting the monitoring data timely and</p><p>　　reliably; When the cable line is break, the WSN and the cable line which is not break</p><p>　　will constitute emerge

25、ncy communication network, to implement the transmission of</p><p>　　voice data timely and reliably, which is convenient for the ground control center to take</p><p>　　rescue measures in time.&l

26、t;/p><p>　　Second, comparing the existing WSN routing protocols systematically, combined</p><p>　　with the requirements of the mine monitoring and emergency communication system,</p><p&g

27、t;　　put forward the routing protocol LRWF for working face. LRWF will first divide the</p><p>　　monitoring area into different layers, and according to the different data load of layers,</p><p>

28、　　formulat different size clusters to balance the network energy, and then based on the</p><p>　　time-varying discovery delay, residual energy and communication cost to build</p><p>　　compound i

29、ndex for choosing road, realizing the data transmisson between clusters.</p><p>　　Third, combined with the different working mode in the mine monitoring and</p><p>　　emergency communication syst

30、em, we put forward the routing protocol RRPR for</p><p>　　roadway. For normal work, the wireless sensor node will select the nearest sink to be its</p><p>　　cluster head and transmit data to sin

31、k directly, if the sink’s location is out of the node’s</p><p>　　communication range, it will choose the relay node depending on the node energy and</p><p>　　location;When the cable lines break,

32、 the downward sink will inform the upward sink to</p><p>　　adjust the WS nodes between two sinks, diving the network into different layers by hop</p><p><b>　　III</b></p><p

33、>　　count, and choosing the next hop node depending on the neighbor latency and energy，to</p><p>　　implement the transmission of emergency data layer by layer.</p><p>　　Finally using OMNET++ t

34、o simulate and analysis the protocol put forward, and</p><p>　　comparing with LEACH-M, LBUC-M and CHM-VG, through the analysis of residual</p><p>　　energy, time delay and packet reception rate,

35、the designed reliable routing protocol is</p><p>　　more suitable for mine.</p><p>　　Key words：mine；WSN；Routing protocols；Timely and reliable</p><p><b>　　IV</b></p>

36、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要 ........................................................................................................................................ I</p><p>

37、　　Abstract...............................................................................................................................III</p><p>　　目錄 ......................................................

38、.................................................................................V</p><p>　　1 緒論 ..............................................................................................................

39、.......................1</p><p>　　課題背景 ...................................................................................................................1</p><p>　　研究現(xiàn)狀.........................

40、..........................................................................................2</p><p>　　礦井中 WSN 應(yīng)用研究現(xiàn)狀...........................................................................2</p><

41、p>　　礦井中 WSN 路由協(xié)議研究現(xiàn)狀...................................................................3</p><p>　　研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)...............................................................................................4&

42、lt;/p><p>　　研究內(nèi)容 ........................................................................................................4</p><p>　　論文結(jié)構(gòu) ............................................................

43、............................................5</p><p>　　小結(jié)...........................................................................................................................6</p><p>　　2 基

44、于 Ethernet 和 WSN 的礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信體系.....................................................7</p><p>　　現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)的缺點.......................................................................................7</p><

45、;p>　　WSN 應(yīng)用于礦井監(jiān)控的優(yōu)勢..................................................................................7</p><p>　　應(yīng)用要求........................................................................................

46、...........................8</p><p>　　礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ...............................................................................9</p><p>　　整體結(jié)構(gòu) ...............................................

47、.........................................................9</p><p>　　工作模式 ......................................................................................................10</p><p>　　礦井監(jiān)控與應(yīng)急

48、通信系統(tǒng)對 WSN 路由協(xié)議的要求...........................................11</p><p>　　小結(jié).........................................................................................................................12</p>

49、<p>　　3 WSN 路由協(xié)議分析 .........................................................................................................13</p><p>　　WSN 路由協(xié)議概述......................................................

50、..........................................13</p><p>　　WSN 路由協(xié)議的特點..................................................................................13</p><p>　　WSN 路由協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)......................

51、....................................................14</p><p>　　典型 WSN 路由協(xié)議..............................................................................................14</p><p>　　以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議 .

52、.........................................................................14</p><p>　　基于分層的路由協(xié)議 ..................................................................................18</p><p><b&g

53、t;　　V</b></p><p>　　基于位置的路由協(xié)議.................................................................................. 21</p><p>　　基于機(jī)會的路由協(xié)議........................................................

54、.......................... 22</p><p>　　典型 WSN 路由協(xié)議比較........................................................................... 24</p><p>　　基于礦井環(huán)境的 WSN 路由協(xié)議 .....................................

55、.................................... 25</p><p>　　LEACH-M..................................................................................................... 25</p><p>　　LBUC-M .................

56、...................................................................................... 26</p><p>　　CHM-VG......................................................................................................

57、. 27</p><p>　　礦井 WSN 路由協(xié)議比較........................................................................... 27</p><p>　　小結(jié) ............................................................................

58、............................................ 29</p><p>　　4 礦井下 WSN 可靠路由協(xié)議設(shè)計.................................................................................... 31</p><p>　　應(yīng)用環(huán)境..................

59、............................................................................................... 31</p><p>　　關(guān)鍵問題 ..............................................................................................

60、.................. 31</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)模型 ................................................................................................................ 32</p><p>　　工作面路由協(xié)議設(shè)計........................

61、..................................................................... 32</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)分層....................................................................................................... 33</p><

62、;p>　　簇建立過程................................................................................................... 35</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸過程............................................................................

63、................... 38</p><p>　　巷道路由協(xié)議設(shè)計 ................................................................................................ 43</p><p>　　正常工作模式......................................

64、......................................................... 43</p><p>　　緊急通信模式............................................................................................... 44</p><p>　　協(xié)議流程......

65、................................................................................................. 47</p><p>　　小結(jié) ..............................................................................................

66、.......................... 47</p><p>　　5 礦井下 WSN 可靠路由協(xié)議仿真與分析........................................................................ 49</p><p>　　仿真平臺的選擇..........................................

67、........................................................... 49</p><p>　　OMNET++介紹 ....................................................................................................... 50</p><p&g

68、t;　　組成............................................................................................................... 50</p><p>　　建模過程.........................................................................

69、.............................. 51</p><p>　　仿真環(huán)境設(shè)置......................................................................................................... 52</p><p>　　仿真分析.......................

70、.......................................................................................... 53</p><p>　　能量有效性分析........................................................................................... 53<

71、;/p><p>　　延時性能分析............................................................................................... 56</p><p><b>　　VI</b></p><p>　　可靠性分析 .......................

72、............................................................................57</p><p>　　小結(jié) ....................................................................................................................

73、.....58</p><p>　　6 總結(jié)與展望 .......................................................................................................................59</p><p>　　已作工作總結(jié) ...............................

74、..........................................................................59</p><p>　　未來工作展望 .........................................................................................................60</p&

75、gt;<p>　　參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................61</p><p>　　作者簡歷 ...........................................

76、...................................................................................65</p><p>　　學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 ........................................................................................................

77、..........67</p><p><b>　　VII</b></p><p><b>　　VIII</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b&g

78、t;　　課題背景</b></p><p>　　中國是世界上主要的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國之一，煤炭約占我國能源結(jié)構(gòu)的</p><p>　　70%，煤炭消費(fèi)量約為美國的三倍。據(jù) IEA(國際能源機(jī)構(gòu))研究預(yù)測，在未來，中</p><p>　　國和印度的煤炭需求量將占世界總需求量的 2/3,是世界煤炭需求增長的主要來源，</p><p>　

79、　因此在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)，煤炭仍是我國的主要能源。在我國，大多數(shù)煤礦采</p><p>　　用地下作業(yè)的形式進(jìn)行煤炭開采，由于我國煤層構(gòu)造復(fù)雜多變以及沒有足夠完善</p><p>　　的礦井監(jiān)控與應(yīng)急救援通信系統(tǒng)，導(dǎo)致過去的 10 余年中，我國煤炭生產(chǎn)百萬噸死</p><p>　　亡率一直很高，在生命和財產(chǎn)方面帶來了嚴(yán)重的損失，如何保證煤炭安全生產(chǎn)和</p&

80、gt;<p>　　災(zāi)后應(yīng)急救援已成為目前國家和社會關(guān)注的焦點。</p><p>　　礦井中空間狹小、煤炭粉塵大且濕氣重，存在大量腐蝕性氣體和可燃性氣體，</p><p>　　其工作環(huán)境的特殊性會導(dǎo)致頻繁地機(jī)電設(shè)備啟動和較大的無線傳輸損耗等情況。</p><p>　　當(dāng)前大部分礦井監(jiān)控系統(tǒng)使用的是有線傳輸方式，其有線線路成本高、線路鋪設(shè)</p>

81、;<p>　　麻煩且監(jiān)測區(qū)域不全面[1]，并且一旦意外事故發(fā)生，有線骨干網(wǎng)絡(luò)通信中斷，整個</p><p>　　井下通信系統(tǒng)將面臨癱瘓，受困員工無法及時與地面控制中心取得聯(lián)系，這將極</p><p>　　大程度地增加了災(zāi)后救援工作的困難性與復(fù)雜度，不能很好地實現(xiàn)全方位的監(jiān)測</p><p>　　和災(zāi)后系統(tǒng)的快速重建。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless S

82、ensor Network，WSN)[2]由數(shù)</p><p>　　量龐大且市價較低的無線傳感器節(jié)點自組織形成，是傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無</p><p>　　線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的綜合體，能夠通過各類集成化</p><p>　　的微型傳感器節(jié)點協(xié)作的完成檢測、感知和采集各種環(huán)境信息或被檢測對象的信</p><p>　　

83、息，并對信息進(jìn)行處理，可以通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所</p><p>　　感知的信息傳送到用戶終端，這些特點無疑是井下移動信息傳輸所不可或缺的。</p><p>　　然而，礦井中采煤空間很大，若只使用單純的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，則無法</p><p>　　保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性與可靠性，因此，從經(jīng)濟(jì)、使用角度出發(fā)，將無線傳感網(wǎng)</p>

84、<p>　　絡(luò)融入到有線監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)正常工作時，無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為輔助網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測人</p><p>　　員、設(shè)備信息及環(huán)境參數(shù)；當(dāng)有線骨干網(wǎng)絡(luò)中斷時，局部 WSN 網(wǎng)絡(luò)被喚醒，構(gòu)成</p><p>　　Ethernet---WSN---Ethernet 的通信鏈路，快速、自動構(gòu)建礦井應(yīng)急救援通信系統(tǒng)，</p><p>　　實現(xiàn)地面與井下的可靠通信聯(lián)絡(luò)。本

85、文首先研究的就是這種基于 Ethernet 和 WSN</p><p>　　的礦井監(jiān)控與通信系統(tǒng)。礦井安全監(jiān)控與應(yīng)急通信系統(tǒng)不僅要周期性的收集井下</p><p>　　人員、設(shè)備與環(huán)境參數(shù)，還要在有線線路中斷時及時構(gòu)建“軟網(wǎng)橋”，保證井下與</p><p><b>　　1</b></p><p>　　河南理工大學(xué)碩士學(xué)位

86、論文</p><p>　　地面的可靠通信，因此網(wǎng)絡(luò)建設(shè)首先要解決的問題就是研究設(shè)計適合井下特殊結(jié)</p><p>　　構(gòu)環(huán)境的路由協(xié)議。由于 WSN 路由協(xié)議的設(shè)計具有一定的應(yīng)用相關(guān)性，現(xiàn)有的一</p><p>　　些 WSN 路由協(xié)議都是面向特定的應(yīng)用環(huán)境所設(shè)計的，在本課題的礦井監(jiān)控與應(yīng)急</p><p>　　通信系統(tǒng)中不能發(fā)揮很好的作用，

87、因此本研究的另一個重要內(nèi)容就是為該系統(tǒng)設(shè)</p><p>　　計一種及時可靠的路由協(xié)議。</p><p><b>　　研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　礦井中 WSN應(yīng)用研究現(xiàn)狀</p><p>　　礦井安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)問題包括礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、</p><p>　　傳感

88、器節(jié)點的覆蓋控制、以及對礦工的定位和狀態(tài)監(jiān)測等[3]。在過去的幾年中，無</p><p>　　線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煤礦井下環(huán)境的研究發(fā)現(xiàn)有了突破性的進(jìn)展，這些研究主要</p><p>　　集中在對人員和設(shè)備位置的監(jiān)控、礦井環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控和應(yīng)急救災(zāi)通信三個方面。</p><p>　　文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種綜合以太網(wǎng)和 Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)，整個<

89、/p><p>　　系統(tǒng)分為四層，由高到低依次為井上監(jiān)控計算機(jī)、交換機(jī)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚</p><p>　　節(jié)點和無線傳感器節(jié)點，該設(shè)計對系統(tǒng)中的匯聚節(jié)點、信息采集節(jié)點和人員定位</p><p>　　節(jié)點進(jìn)行了詳細(xì)分析，實現(xiàn)了井下數(shù)據(jù)的井上可見和井下人員的考勤管理。</p><p>　　文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井火災(zāi)源監(jiān)測方案

90、，根據(jù)礦井中的</p><p>　　實際環(huán)境，將網(wǎng)絡(luò)分簇并采用網(wǎng)狀拓?fù)?，使用覆蓋配置協(xié)議對節(jié)點進(jìn)行休眠調(diào)度</p><p>　　以減少節(jié)點能耗，并使用最小二乘法實現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合構(gòu)建 RSSI 模型，該系統(tǒng)很好地</p><p>　　解決了火災(zāi)源定位的難題。文獻(xiàn)[6]提出一個用于礦井瓦斯監(jiān)測的 WSN 系統(tǒng)，系統(tǒng)</p><p>　　中無線傳感器節(jié)

91、點通過與有線網(wǎng)絡(luò)相連的井下分站實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳，為使系</p><p>　　統(tǒng)具備更低的功耗和更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，該文獻(xiàn)設(shè)計了一種基于 ATmegal128L</p><p>　　芯片和無線收發(fā)模式的礦井瓦斯監(jiān)測方案，并在 TinyOS 操作系統(tǒng)中證明了該系統(tǒng)</p><p>　　的穩(wěn)定性、實時性與可靠性。</p><p>　　文獻(xiàn)[7]介

92、紹了一種基于 WSN 的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)研究方案，當(dāng)系統(tǒng)電力失靈</p><p>　　時，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集礦井?dāng)?shù)據(jù)，同時結(jié)合 GPRS 手機(jī)模塊、GSM 手機(jī)模</p><p>　　塊或 CDMA 手機(jī)模塊等，利用成熟的移動通信技術(shù)傳輸信號，實現(xiàn)井下與地面控</p><p>　　制中心的實時通信。文獻(xiàn)[8]提出了一種礦井人員定位管理和救援方案，采用工業(yè)以<

93、;/p><p>　　太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸，結(jié)合 WSN 實現(xiàn)對礦井各類參數(shù)的采集與傳輸，同時對</p><p>　　井下人員進(jìn)行實時定位和跟蹤，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)井下狀態(tài)在井上可視化，一旦</p><p>　　發(fā)生事故，可在地面監(jiān)控中心直接獲取受困人員位置，從而及時實施救援。</p><p><b>　　2</b></

94、p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　這些研究對 WSN 在煤礦井下的應(yīng)用進(jìn)行了深入的探索并取得了一些成就，但</p><p>　　是這些設(shè)計沒有很好的將礦井監(jiān)控系統(tǒng)與災(zāi)后緊急通信功能有機(jī)統(tǒng)一起來，礦井</p><p>　　下復(fù)雜多變的環(huán)境與地形以及意外事故的突發(fā)性考驗著井下的緊急通信服務(wù)，如</p

95、><p>　　何解決這個技術(shù)難題至關(guān)重要?？紤] WSN 的布設(shè)簡易、靈活性高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)</p><p>　　點，把已有的有線工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與 WSN 有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造一種基于 Ethernet</p><p>　　和 WSN 的礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是很有必要的。</p><p>　　礦井中 WSN路由協(xié)議研究現(xiàn)狀</p>&

96、lt;p>　　礦井中的特殊環(huán)境對 WSN 路由協(xié)議的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)，近年來，關(guān)于礦</p><p>　　井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究取得了一些探索性的成果。</p><p>　　文獻(xiàn)[9]提出了一種基于 LEACH 的改進(jìn)協(xié)議，該協(xié)議根據(jù)地理位置將礦井監(jiān)控</p><p>　　區(qū)域劃分為多個區(qū)，生成節(jié)點的區(qū)地址和區(qū)內(nèi)地址，在簇首選取時同時兼顧傳感<

97、;/p><p>　　器的剩余能量和位置信息，使得剩余能量較低的傳感器節(jié)點不易選為簇首，大大</p><p>　　延長了網(wǎng)絡(luò)生命期限。</p><p>　　文獻(xiàn)[10]提出了一種對 LEACH 的改進(jìn)協(xié)議 LEACH-M，該協(xié)議在簇首選擇時考</p><p>　　慮節(jié)點的剩余能量，利用 prim 算法在簇首間構(gòu)建最小生成樹，將 LEACH 中簇首&

98、lt;/p><p>　　的單跳通信方式變?yōu)槎嗵ㄐ欧绞?，從而減少簇首節(jié)點能耗，提升路由協(xié)議性能。</p><p>　　文獻(xiàn)[11]提出了一種用于煤礦采空區(qū)的 WSN 路由協(xié)議 EBMC，該協(xié)議同樣采用</p><p>　　分簇的形式，在簇首選舉時，對 LEACH 中的簇首選舉閾值加以改進(jìn)，增加節(jié)點剩</p><p>　　余能量參數(shù)，以避免低能量節(jié)

99、點當(dāng)選簇首，由于采空區(qū)通常無人可達(dá)，且節(jié)點拓</p><p>　　撲結(jié)構(gòu)變化無常，因此在簇首間構(gòu)建多徑路由，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳傳輸，EBMC</p><p>　　具有很好的能量有效性和特殊環(huán)境的數(shù)據(jù)可達(dá)性。</p><p>　　文獻(xiàn)[12] 通過對 SPIN 路由協(xié)議的改進(jìn)設(shè)計了一種可靠節(jié)點的路由協(xié)議</p><p>　　SPIN-RE（SP

100、IN-Reliable and Energy efficient），該協(xié)議在 REQ 消息中添加了節(jié)點</p><p>　　能量條目，在選擇下一跳節(jié)點時選擇剩余能量最大的節(jié)點，同時在數(shù)據(jù)傳輸失敗</p><p>　　時實行數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量并提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　　文獻(xiàn)[13] 設(shè)計了一種礦井非均勻分簇 LBUC-M（Load Bal

101、ancing Unequal</p><p>　　Clustering of Mine）路由協(xié)議，該協(xié)議按“輪”進(jìn)行，結(jié)合節(jié)點的平均能量和網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　均衡度構(gòu)造一個新的閾值公式來選舉候選簇首，利用非均勻競爭半徑確定簇首，</p><p>　　形成礦井中帶狀區(qū)域的非均勻分簇，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，距離測量精度對該協(xié)議</p><p>

102、<b>　　性能具有很大影響。</b></p><p><b>　　3</b></p><p>　　河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　文獻(xiàn)[14]針對礦井環(huán)境中 WSN 路由協(xié)議的“熱區(qū)‖問題，設(shè)計了一種能耗均衡</p><p>　　的非均勻分簇路由協(xié)議算法 LEBUC（Liner En

103、ergy-Balanced Uneven Cluster Routing</p><p>　　Protocol Algorithm for Coal Mine），與 LEACH 類似，LEBUC 同樣采用“輪”的概</p><p>　　念，每輪中簇首的選取綜合考慮節(jié)點域匯聚節(jié)點的距離、節(jié)點能量和節(jié)點密度三</p><p>　　個元素，同時加入了一定的數(shù)據(jù)融合算法，基

104、于簇首能量和通信距離實現(xiàn)簇首間</p><p>　　的最小跳數(shù)路由算法，在改善“熱區(qū)”問題和降低網(wǎng)絡(luò)能耗方面具有很好的效果。</p><p>　　文獻(xiàn)[15]提出了一種用于礦井監(jiān)測的基于虛擬柵格的簇頭多跳路由協(xié)議</p><p>　　CHM-VG（cluster heads multi-hops protocol based on virtual grid），其依據(jù)

105、能量損耗</p><p>　　模型將礦井中的帶狀巷道區(qū)域劃分為多個虛擬柵格，各柵格中的節(jié)點形成一個簇，</p><p>　　簇首選舉時考慮簇的平均能量和節(jié)點傳輸距離兩個方面，簇間采用多跳通信方式，</p><p>　　均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，有效利用了網(wǎng)絡(luò)資源。</p><p>　　以上研究根據(jù)礦井的特殊環(huán)境注重分簇機(jī)制和簇間通信的探討，在一定程度&

106、lt;/p><p>　　上降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，實現(xiàn)節(jié)點間負(fù)載均衡，但是較少探討移動節(jié)點路由以及路由</p><p>　　協(xié)議的可靠性，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸對于礦井環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)尤其是井</p><p>　　下災(zāi)后應(yīng)急通信系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。</p><p><b>　　研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)</b></p>

107、<p><b>　　研究內(nèi)容</b></p><p>　　本文首先研究設(shè)計基于 Ethernet 和 WSN 的礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)</p><p>　　正常工作時，把有線工業(yè)以太網(wǎng)當(dāng)做井下通信的骨干網(wǎng)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為</p><p>　　輔助網(wǎng)絡(luò)，完成礦井監(jiān)測信息的可靠傳輸。當(dāng)有意外事故發(fā)生造成有線骨干網(wǎng)絡(luò)</

108、p><p>　　中斷時，WSN 要與沒有中斷的有線網(wǎng)絡(luò)迅速搭建 Ethernet—WSN—Ethernet 通路，</p><p>　　實現(xiàn)災(zāi)后應(yīng)急通信，并保證數(shù)據(jù)的及時可靠傳輸，以便救援人員及時采取救援措</p><p>　　施。然后為以上這種礦井監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一個及時可靠的路由協(xié)</p><p>　　議。依據(jù)上述應(yīng)用環(huán)境的需求，

109、所設(shè)計的路由協(xié)議應(yīng)符合以下要求：</p><p><b>　　1）能量有效性。</b></p><p>　　井下應(yīng)用環(huán)境中的 WSN 與普通應(yīng)用環(huán)境的不同，這里的 WSN 分為正常工作</p><p>　　和緊急通信兩種模式，正常工作時，WSN 作為輔助網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測環(huán)境、設(shè)備參數(shù)和人</p><p>　　員信息；在緊急通信時

110、，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要快速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)與帶有兩種接口的無線</p><p>　　接入點一起實現(xiàn)信息的可靠傳輸，鑒于無線傳感器節(jié)點自身能量較少且不能續(xù)航，</p><p>　　所設(shè)計的路由協(xié)議具備較好的能量有效性。</p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　緒論</b></p&

111、gt;<p><b>　　2）可靠低時延。</b></p><p>　　在基于 Ethernet 和 WSN 的礦井監(jiān)控與應(yīng)急通信系統(tǒng)中，正常工作時，會遇到</p><p>　　緊急監(jiān)測數(shù)據(jù)，例如采集到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)超標(biāo)時，這就需要將這樣的緊急數(shù)據(jù)</p><p>　　及時可靠的傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，盡量避免重大事故的發(fā)生；另一方面

112、，當(dāng)系統(tǒng)</p><p>　　處于緊急通信狀態(tài)時，主要任務(wù)就是搜救受困人員，此時的緊急數(shù)據(jù)為救援語音</p><p>　　信息，這就更需要將這類緊急數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的傳送到地面控制中心，以便及時救</p><p>　　助受困人員，因此，可靠低時延是這種環(huán)境中路由協(xié)議設(shè)計的重點。</p><p><b>　　3）數(shù)據(jù)區(qū)分服務(wù)。</b

113、></p><p>　　針對系統(tǒng)中的兩種不同工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中有不同類型的數(shù)據(jù)需要傳輸，因此</p><p>　　為滿足不同類型數(shù)據(jù)的要求，所設(shè)計的路由協(xié)議要對不同數(shù)據(jù)采取不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)</p><p><b>　　發(fā)方式。</b></p><p><b>　　論文結(jié)構(gòu)</b></p>