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[摘 要]无线传感器网络具有结构灵活、部署方便、自由组织等特点，适用于煤矿井下等恶劣环境。路由协义是无线传感器网络技术研究的核心技术之一。设计有效的路由协议，充分利用节点能量、均衡节点能耗，从而延长无线传感器网络的生命周期是非常必要的。本文针对无线传感器网络及路由协议进行分析，希望能够为相关工作人员提供参考。
[关键词]煤矿井下监测；无线传感器网络；路由协议；能量消耗
中图分类号：R852 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）26-0333-01
我国煤矿安全事故时有发生，国家对煤矿安全生产非常重视，煤矿井下监测系统的建设力度不断加强。无线传感器网络技术作为新一代信息获取和处理技术，在煤矿监测和现代化管理的应用中发挥着越来越重要的作用。基于煤矿井下环境的特殊性，设计适合井下无线传感器网络的路由协议，对提髙井下无线传感器网络的服务质量有着重要作用。
1 无线传感器网络及其路由协议概述
1.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络将传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等结合在一起，能够对网络域内的环境或监测对象的信息进行实时监测、感知和采集。通过无线方式将这些信息传输，实现物理世界、计算世界以及人类社会的连通。l）无线传感器网络的體系结构：无线传感器网络是由部署在监测区的数量较大的微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自由组织网络，无线传感器网络通过节点间的快速感知，实时采集和处理监测区域的数据信息，通过SINK节点将数据信息转发给客户端。2）无线传感器网络拓扑结构：无线传感器网络拓扑结构是路由实施的关键，为网络通讯、节点数据集合等方面奠定了基础。无线传感器网络拓扑技术包括节点功率控制和层次性拓扑控制两种类型，拓扑控制可概括为对整个网络传感器节点的功率进行控制，以减少网络开销和无线电干扰。
1.2 无线传感器网络路由协议的分析与研究
1）无线传感器网络协议结构：无线传感器网络协议通常包含集中不同的层次内容，分别为数据链路层、传输层、物理层、应用层以及网络层。其中，物理层是进行数据传输的主要介质，进行数据传输的主要目的就是为了提高能量的有效性和网络生存时间的能力；数据链路层是进行数据控制的主要环节，包括对数据链路的控制以及使数据成帖、容错控制、媒体访问等；网络层的主要任务就是对信息传输选择最佳的路径，确保能够有效的进行无线传感网络通信服务；传输层是进行数据传输控制的主要环节，做好传输层控制，可以提高通信的可靠性；应用层是为用户提供各种形式应用服务的主要环节，在结构上包含了进行监测的任务软件。2）无线传感器网络特点对路由协议的分析：对无线传感器网络的特点进行分析是进行路由协议研究的必要条件，无线传感器网络的一个基本原则就是以数量庞大的节点组建网络，通过节点之间的相互协作获得高效的路由协议来进行信息的采集、融合和传递。网络特点对无线传感器网络路由协议的设计有很大影响，其特点大致有如下几类：信息报告模式的多样性及多对一和一对多为主的业务模式、网络拓扑的动态变化、数量庞大节点组成的密集网络、应用相关性等。3）路由协议设计的关键问题分析：无线传感器网络路由协议可认为是在具体应用环境下对信息传输路径选择算法的一种实现策略，路由协议的设计需要综合考虑应用环境、节点部署特点、电池能量有效性、网络的可扩展性和网络对数据传输的稳定性等因素。路由协议设计中存在的关键问题具体包括网络节点部署、能量有效性、可扩展性、数据传输可靠性四个方面。
2 煤矿井下无线传感器监测网络路由协议分析
2.1 井下无线传感器网络特点及路由协议设计目标
1）在煤矿井下主巷道中，采用有线监测方式布设光纤主干网络，在采煤工作面、分巷道中布设无线传感器网络节点，构成井下无线监测网络。2）煤矿井下地形限制无线传感器网络节点的部署，其节点主要分为两类：一类是巷道内的信标节点，作用是连接各类传感器并采集其信息，另一类是可移动节点，包括井下设备、人员所携带的传感器节点，可移动节点实时监测移动设备、人员的位置及状态信息，移动节点可实现井下人员及设备的定位跟踪，毎个节点都可以进行数据采集、信息的接收和发送，节点间互相协作，实时监测井下信息。3）井下数量庞大的无线传感器网络节点均采用电池供电，井下坏境的恶劣导致节点更换电池非常不便，环境及其他外在因素还影响着电池的能量水平，每个节点进行数据处理、通信过程的能量消耗也不尽相同，导致网络中节点能耗不均，极易造成节点过早失效而导致监测盲区的出现，给煤矿安全生产造成隐患，因此结合煤矿井下无线传感器网络特点研究提高能量有效性延长网络寿命的路由算法是十分必要的
2.2 分簇路由协议的适用性
分簇路由之所以能较好的适用于井下无线传感器网络主要是基于下面几点分析：1）无线传感器网络的分簇路由协议具有更好的可扩展性，分簇机制将无线传感器网络中节点密集、数据冗余、数据融合空间大和无线传感器网络覆盖面等问题综合起来考虑，使网络规模发生较大变化时，网络控制和维护的开销不会有大幅增加；2）无线传感器网络的分簇路由协议能更好的利用资源，分簇路由中簇内节点只需向簇内簇头发送数据，簇内节点的能量会得到节约，簇间的数据传输由簇首将数据采用多跳通信方式进行传送，减少了与基站通信节点数量；3）无线传感器网络的分簇路由改善数据延迟分簇路由中簇头到SINK节点间的数据传输链路均由簇头构成，有效降低了数据的延迟性。
2.3 典型分簇路由LEACH算法及分簇化制简介
1）LEACH协议的分演算法：LEACH算法的分簇过程分为两个阶段；选取簇首过程和簇形成过程。在协议进行第一次成簇前，协议会根据节点能耗模型计算出信息采集过程中网络能耗最小情况下所期望的最优簇首个数。选取簇首阶段如下：成簇过程中每个节点要先随机选出0-1之间的数值，然后与阀值比较，若小于阀值，则此节点当选为簇首。担任簇首的能耗将均摊到网络中的各个节点中，节点在当前轮成为簇首后，会向网络中其它节点广播当选消息，其它节点根据簇首信息的信号强弱来选择一个簇加入。2）LEACH化议能量有巧性分析：LEACH协议通过分簇机制和数据融合减少了网络中的兀余数据，降低了网络能耗，簇首选举的随机性可在一定程度上分担节点的能耗压力，但是其仍然存在许多问题，例如，LEACH协议的簇首选举算法是理想情况下的模型，网络中节点在运行一段时间后的剩余能量是不相等的。
结语
应用无线传感器网络进行信息采集，是煤矿井下监测系统的发展方向，随着无线传感器网络技术的发展，在煤矿信息监测等方面将会得到大规模的应用。路由协议作为无线传感器网络关键性技术之一，目前仍是在国内外关注的热点问题。传感器网络对路由协议要求较髙，需要合理设计符合应用环境的路由协议，对煤矿井下无线传感器路由协议的能耗问题，应该继续进行深入的研究。
参考文献
[1] 司永潔.煤矿井下无线传感器网络可靠路由协议研究[D].河南理工大学，2014.
[2] 王浩然.煤矿井下无线传感器监测网络路由协议研究[D].辽宁工程技术大学，2014.
[关键词]煤矿井下监测；无线传感器网络；路由协议；能量消耗
中图分类号：R852 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）26-0333-01
我国煤矿安全事故时有发生，国家对煤矿安全生产非常重视，煤矿井下监测系统的建设力度不断加强。无线传感器网络技术作为新一代信息获取和处理技术，在煤矿监测和现代化管理的应用中发挥着越来越重要的作用。基于煤矿井下环境的特殊性，设计适合井下无线传感器网络的路由协议，对提髙井下无线传感器网络的服务质量有着重要作用。
1 无线传感器网络及其路由协议概述
1.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络将传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等结合在一起，能够对网络域内的环境或监测对象的信息进行实时监测、感知和采集。通过无线方式将这些信息传输，实现物理世界、计算世界以及人类社会的连通。l）无线传感器网络的體系结构：无线传感器网络是由部署在监测区的数量较大的微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自由组织网络，无线传感器网络通过节点间的快速感知，实时采集和处理监测区域的数据信息，通过SINK节点将数据信息转发给客户端。2）无线传感器网络拓扑结构：无线传感器网络拓扑结构是路由实施的关键，为网络通讯、节点数据集合等方面奠定了基础。无线传感器网络拓扑技术包括节点功率控制和层次性拓扑控制两种类型，拓扑控制可概括为对整个网络传感器节点的功率进行控制，以减少网络开销和无线电干扰。
1.2 无线传感器网络路由协议的分析与研究
1）无线传感器网络协议结构：无线传感器网络协议通常包含集中不同的层次内容，分别为数据链路层、传输层、物理层、应用层以及网络层。其中，物理层是进行数据传输的主要介质，进行数据传输的主要目的就是为了提高能量的有效性和网络生存时间的能力；数据链路层是进行数据控制的主要环节，包括对数据链路的控制以及使数据成帖、容错控制、媒体访问等；网络层的主要任务就是对信息传输选择最佳的路径，确保能够有效的进行无线传感网络通信服务；传输层是进行数据传输控制的主要环节，做好传输层控制，可以提高通信的可靠性；应用层是为用户提供各种形式应用服务的主要环节，在结构上包含了进行监测的任务软件。2）无线传感器网络特点对路由协议的分析：对无线传感器网络的特点进行分析是进行路由协议研究的必要条件，无线传感器网络的一个基本原则就是以数量庞大的节点组建网络，通过节点之间的相互协作获得高效的路由协议来进行信息的采集、融合和传递。网络特点对无线传感器网络路由协议的设计有很大影响，其特点大致有如下几类：信息报告模式的多样性及多对一和一对多为主的业务模式、网络拓扑的动态变化、数量庞大节点组成的密集网络、应用相关性等。3）路由协议设计的关键问题分析：无线传感器网络路由协议可认为是在具体应用环境下对信息传输路径选择算法的一种实现策略，路由协议的设计需要综合考虑应用环境、节点部署特点、电池能量有效性、网络的可扩展性和网络对数据传输的稳定性等因素。路由协议设计中存在的关键问题具体包括网络节点部署、能量有效性、可扩展性、数据传输可靠性四个方面。
2 煤矿井下无线传感器监测网络路由协议分析
2.1 井下无线传感器网络特点及路由协议设计目标
1）在煤矿井下主巷道中，采用有线监测方式布设光纤主干网络，在采煤工作面、分巷道中布设无线传感器网络节点，构成井下无线监测网络。2）煤矿井下地形限制无线传感器网络节点的部署，其节点主要分为两类：一类是巷道内的信标节点，作用是连接各类传感器并采集其信息，另一类是可移动节点，包括井下设备、人员所携带的传感器节点，可移动节点实时监测移动设备、人员的位置及状态信息，移动节点可实现井下人员及设备的定位跟踪，毎个节点都可以进行数据采集、信息的接收和发送，节点间互相协作，实时监测井下信息。3）井下数量庞大的无线传感器网络节点均采用电池供电，井下坏境的恶劣导致节点更换电池非常不便，环境及其他外在因素还影响着电池的能量水平，每个节点进行数据处理、通信过程的能量消耗也不尽相同，导致网络中节点能耗不均，极易造成节点过早失效而导致监测盲区的出现，给煤矿安全生产造成隐患，因此结合煤矿井下无线传感器网络特点研究提高能量有效性延长网络寿命的路由算法是十分必要的
2.2 分簇路由协议的适用性
分簇路由之所以能较好的适用于井下无线传感器网络主要是基于下面几点分析：1）无线传感器网络的分簇路由协议具有更好的可扩展性，分簇机制将无线传感器网络中节点密集、数据冗余、数据融合空间大和无线传感器网络覆盖面等问题综合起来考虑，使网络规模发生较大变化时，网络控制和维护的开销不会有大幅增加；2）无线传感器网络的分簇路由协议能更好的利用资源，分簇路由中簇内节点只需向簇内簇头发送数据，簇内节点的能量会得到节约，簇间的数据传输由簇首将数据采用多跳通信方式进行传送，减少了与基站通信节点数量；3）无线传感器网络的分簇路由改善数据延迟分簇路由中簇头到SINK节点间的数据传输链路均由簇头构成，有效降低了数据的延迟性。
2.3 典型分簇路由LEACH算法及分簇化制简介
1）LEACH协议的分演算法：LEACH算法的分簇过程分为两个阶段；选取簇首过程和簇形成过程。在协议进行第一次成簇前，协议会根据节点能耗模型计算出信息采集过程中网络能耗最小情况下所期望的最优簇首个数。选取簇首阶段如下：成簇过程中每个节点要先随机选出0-1之间的数值，然后与阀值比较，若小于阀值，则此节点当选为簇首。担任簇首的能耗将均摊到网络中的各个节点中，节点在当前轮成为簇首后，会向网络中其它节点广播当选消息，其它节点根据簇首信息的信号强弱来选择一个簇加入。2）LEACH化议能量有巧性分析：LEACH协议通过分簇机制和数据融合减少了网络中的兀余数据，降低了网络能耗，簇首选举的随机性可在一定程度上分担节点的能耗压力，但是其仍然存在许多问题，例如，LEACH协议的簇首选举算法是理想情况下的模型，网络中节点在运行一段时间后的剩余能量是不相等的。
结语
应用无线传感器网络进行信息采集，是煤矿井下监测系统的发展方向，随着无线传感器网络技术的发展，在煤矿信息监测等方面将会得到大规模的应用。路由协议作为无线传感器网络关键性技术之一，目前仍是在国内外关注的热点问题。传感器网络对路由协议要求较髙，需要合理设计符合应用环境的路由协议，对煤矿井下无线传感器路由协议的能耗问题，应该继续进行深入的研究。
参考文献
[1] 司永潔.煤矿井下无线传感器网络可靠路由协议研究[D].河南理工大学，2014.
[2] 王浩然.煤矿井下无线传感器监测网络路由协议研究[D].辽宁工程技术大学，2014.