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摘 要：为了更为有效地进行矿井数据监测和采集，保证安全生产，本文提出了一种基于最大通信距离的矿井无线传感器网络部署算法。进一步地，本文给出了一种通过部署备用节点优化无线传感器网络性能的策略，以克服原部署算法导致地网络健壮性不强、覆盖率偏低等缺点。实验仿真结果表明，优化后的无线传感器网络的健壮性和覆盖率都有了较大的提高。
关键词：矿山监测；无线传感器网络；部署；备用节点；
中图分类号：TP393 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.04.020
Wireless Sensor Network Deployment Algorithm of the Mine
taNG Bo, YaNG Liang
(China University of Geosciences (Beijing) Institute of Higher Education, Beijing 100083, China)
【Abstract】 In order to make the monitoring and collection of the minning data more effectively, as well as to ensure the safe production, this paper proposed one kind of wireless sensor network deployment algorithm based on the maximum communication distance of the mine. further, by deploy redundancy nodes ,this paper proposed a strategy to optimize the performance of wireless sensor networks, so as to overcome the original deployment algorithm’s weak robustness and low coverage shortcomings. the simulation results show that the optimized wireless sensor network’s robustness and coverage has been greatly improved.
【Key words】Monitoring of the mine; wireless sensor networks; Deployment; redundancy node;
0 引 言
井下无线传感器骨干网络部署反映了安全监测和目标跟踪的质量和效果，找出一种部署算法使得网络利用率最大、单个任务消耗量最小具有重要的意义。同时，煤矿井下情况特殊、环境恶劣[1]，为了提升传感网络的健壮性和覆盖率，部署算法优化问题也是当前井下无线传感器网络研究中的基本问题。
现有节点部署方法有很多种，主要分为随机部署和确定性部署两大类，过去无线传感器网络节点部署的研究大部分是基于假设节点是通过飞机或炮弹随机部署的[2]，近期人们正逐渐开展面向目标覆盖的确定性部署问题的研究[3]。因矿井的建设成本问题，不可能大范围的布置传感器节点，而在布置很少节点的情况下如果随机放置节点很可能导致中间存在通信链路有断点，所以在井下定位系统中使用确定性部署。
陶丹等[4]介绍了一种针对可移动的无线传感器网络的虚拟势场(Virtual Force Algorithm，VFA)算法，其十分适用于以二维网格建立为模型建立的传感区域。针对部署算法的优化问题，徐淑丽[5]针对不可移动的节点的部署提出来一种利用冗余节点部署对网络进行优化的策略，通过该策略，当网络中出现有节点损坏的情况时，可以利用已经部署的备用节点形成一条备用路径，使网络继续保证通信。袁辉勇等[6]提出了一种基于矢量的中继无线传感器网络节点部署算法。该算法在感应源节点位置和中继节点数的基础上,通过高效的部署中继节点的位置达到使整个无线传感器网络的能量有效配置。
在以上研究成果的基础上，本文首先参照确定性部署的原则提出了一种基于最大通信距离的井下无线传感器网络部署算法，然后通过部署冗余节点的方法提升无线传感器网络健壮性和覆盖率，对部署算法进行优化。实验仿真结果表明，优化后的网络寿命明显延长、覆盖率显著提升。
1 基于最大通信距离的井下无线传感网络节点部署算法
井下影响无线传感网络通信情况的因素主要是信号屏蔽和信号衰减[7]。
信号屏蔽是指由于矿车、建筑、矿井拐点等对节点的通信信号产生遮挡，使得节点的通信范围受到限制，在巷道中的折线节点处这种现象尤为明显。信号衰减是指信号在通信的过程中由于通信介质或其他环境因素的影响，信号的强度将随时间和距离的增加而减弱的现象。井下传感器节点发出的信号的强度会随着距离的增加而逐渐减少，所以在其通信半径的末端，节点可能会因为信号的衰弱而失去通信能力。
关键词：矿山监测；无线传感器网络；部署；备用节点；
中图分类号：TP393 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.04.020
Wireless Sensor Network Deployment Algorithm of the Mine
taNG Bo, YaNG Liang
(China University of Geosciences (Beijing) Institute of Higher Education, Beijing 100083, China)
【Abstract】 In order to make the monitoring and collection of the minning data more effectively, as well as to ensure the safe production, this paper proposed one kind of wireless sensor network deployment algorithm based on the maximum communication distance of the mine. further, by deploy redundancy nodes ,this paper proposed a strategy to optimize the performance of wireless sensor networks, so as to overcome the original deployment algorithm’s weak robustness and low coverage shortcomings. the simulation results show that the optimized wireless sensor network’s robustness and coverage has been greatly improved.
【Key words】Monitoring of the mine; wireless sensor networks; Deployment; redundancy node;
0 引 言
井下无线传感器骨干网络部署反映了安全监测和目标跟踪的质量和效果，找出一种部署算法使得网络利用率最大、单个任务消耗量最小具有重要的意义。同时，煤矿井下情况特殊、环境恶劣[1]，为了提升传感网络的健壮性和覆盖率，部署算法优化问题也是当前井下无线传感器网络研究中的基本问题。
现有节点部署方法有很多种，主要分为随机部署和确定性部署两大类，过去无线传感器网络节点部署的研究大部分是基于假设节点是通过飞机或炮弹随机部署的[2]，近期人们正逐渐开展面向目标覆盖的确定性部署问题的研究[3]。因矿井的建设成本问题，不可能大范围的布置传感器节点，而在布置很少节点的情况下如果随机放置节点很可能导致中间存在通信链路有断点，所以在井下定位系统中使用确定性部署。
陶丹等[4]介绍了一种针对可移动的无线传感器网络的虚拟势场(Virtual Force Algorithm，VFA)算法，其十分适用于以二维网格建立为模型建立的传感区域。针对部署算法的优化问题，徐淑丽[5]针对不可移动的节点的部署提出来一种利用冗余节点部署对网络进行优化的策略，通过该策略，当网络中出现有节点损坏的情况时，可以利用已经部署的备用节点形成一条备用路径，使网络继续保证通信。袁辉勇等[6]提出了一种基于矢量的中继无线传感器网络节点部署算法。该算法在感应源节点位置和中继节点数的基础上,通过高效的部署中继节点的位置达到使整个无线传感器网络的能量有效配置。
在以上研究成果的基础上，本文首先参照确定性部署的原则提出了一种基于最大通信距离的井下无线传感器网络部署算法，然后通过部署冗余节点的方法提升无线传感器网络健壮性和覆盖率，对部署算法进行优化。实验仿真结果表明，优化后的网络寿命明显延长、覆盖率显著提升。
1 基于最大通信距离的井下无线传感网络节点部署算法
井下影响无线传感网络通信情况的因素主要是信号屏蔽和信号衰减[7]。
信号屏蔽是指由于矿车、建筑、矿井拐点等对节点的通信信号产生遮挡，使得节点的通信范围受到限制，在巷道中的折线节点处这种现象尤为明显。信号衰减是指信号在通信的过程中由于通信介质或其他环境因素的影响，信号的强度将随时间和距离的增加而减弱的现象。井下传感器节点发出的信号的强度会随着距离的增加而逐渐减少，所以在其通信半径的末端，节点可能会因为信号的衰弱而失去通信能力。