煤矿无线传感器网络可靠数据传输协议.pdf

第 4 3卷 第 3期 2 0 1 7年 3月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd Mi ne Aut o ma t i o n Vo1 ． 4 3 No ． 3 M a r ． 2 O 1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 3 0 0 6 5 0 6 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 3 ． 0 1 5 王晴晴 ， 汪正东， 左羽 ， 等． 煤矿无线传感器网络可靠数据传输协议[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 3 6 5 7 0 ． 煤矿无线传感器网络可靠数据传输协议 王 晴晴 ， 汪正 东‘ ， 左 羽 。 ， 崔 忠伟 ， 郭龙 1 ． 贵 州师 范学 院 数学 与计 算机 科学 学 院 ，贵州 贵 阳 5 5 0 0 1 8 ；2 ． 贵 州师 范学 院 贵 州省 高校 工业物联网工程技术研究中心 ， 贵州 贵阳 5 5 0 0 1 8 ； 3 ． 贵州师范学院 大学生互联网创新 创业 训 练 中心 ，贵州 贵 阳 5 5 0 0 1 8 ； 4 ． 江南 机 电设 计研 究所 ，贵州 贵 阳 5 5 O O O 9 摘 要 针对 煤矿 无 线传 感 器 网络 数据 流特 点 ， 设 计 了一种 基 于 节 点地 理位 置信 息 、 集 成 MA C 和路 由的 无线传感器网络可靠数据传输协议 。该协议采用概率性唤醒工作方式， 根据本地节点的连通度 、 节点 自身的 剩余能量信息和 区域事件发生概率选择转发节点， 同时引入备用节点， 在主节点发生故障时 自动转换为主节 点进行数据转发 ， 保证数据可靠传输。仿真结果表 明， 该协议能够降低无线传感器网络节点能量消耗 ， 保证 数 据 传输 的 实 时性 ， 提 高数 据传 输 的 可靠性 。 关键 词 煤炭 开采 ；工作 面 ；采 空 区 ； 无 线传 感 器 网络 ； 数 据路 由 ； 可 靠数据 传输 中图分类号 T D 6 7 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 7 0 2 2 8 1 7 0 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． e n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 3 0 1 ． 1 5 1 5 ． O 1 5 ． h t ml 收 稿 日期 2 0 1 6 1 1 - 3 0 ； 修 回 日期 2 0 1 7 0 1 1 8 ； 责 任 编 辑 李 明 。 基金项 目 贵州省省级重点 支持学科资助项 目 黔学位合字 Z D XK[ 2 0 1 6 3 2 0号 ； 贵州省科 技平台及人 才团队专项 资金资助项 目 黔科合 平台 人才 2 0 1 6 3 5 6 0 9 ； 贵州省科学技术基金计划资助项 目 黔科合基础 2 0 1 6 3 1 1 1 5 ； 贵州省教育厅 青年科技人才成 长项 目 黔教 合 KY字 2 0 1 6 ] 2 2 0 ； 贵州师 范学 院科研项 目 2 0 1 6 YB 0 1 0 。 作者简介 王 晴晴 1 9 8 6 一 ， 女 ， 江苏徐州人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研究方 向为无线传感器网络 ， E - ma i l 4 4 6 4 3 7 5 9 5 q q ． c o m。 [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 陶德保 ， 姚均 ， 冯育栋． 矿 用粉尘浓度传感器 的设 计与 应 用[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 9 2 0 2 2 ． 唐娟 ． 粉尘浓度 在线 监测技术的现状及 发展趋势 [ J ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 0 0 9 ， 3 6 5 6 9 7 1 ． 耿 凡 ， 周福宝 ， 罗刚． 煤矿综 掘工作面粉尘防治研 究现 状及 方 法 进 展 [ J ] ． 矿 业 安 全 与 环 保 ， 2 0 1 4 ， 4 1 5 85 89 ． 王开松 ， 李 武． 综 采工作 面 的煤尘 综合 防治 [ J ] ． 煤炭 科 学技术 ， 2 0 0 5 ， 3 3 1 4 8 - 5 0 ． 顾大钊． 高产 高效煤矿煤尘防治关键技 术[ J ] ． 矿业安 全与环保 ， 2 O 1 O ， 3 7 6 3 4 3 7 ． 杨昆 ， 吴东旭． 矿井 粉尘浓 度 在线监 测技 术 [ J ] ． 辽宁 工程 技 术 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 1 2 ， 3 1 6 84 6 8 49． 魏 爽． 便 携 式激 光 测 尘 仪 测 控 系统 设 计 研 究 [ D] ． 长春 长春理工 大学 ， 2 0 1 2 ． B ROGGI A ， CARAF FI C， F EDRI GA R I ， e t a 1 ． Obs t a c l e de t e c t i o n wi t h s t e r e o v i s i o n f or of f - r o a d v e h i c l e n a v i g a t i o n [ C] ／ ／ I E E E C o mp u t e r S o c i e t y [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] Co n f e r e n c e o n Co m p u t e r Vi s i o n a n d P a t t e r n Re c o gn i t i o n，2 0 05 ． 孙军华 ， 吴 子彦 ， 刘谦哲 ， 等． 大视场 双 目视觉传 感器 的 现 场 标 定 [ J ] ． 光 学 精 密 工 程 ， 2 O 0 9 ， 1 7 3 6 3 3 6 40 ． HAERI NG N 。 VENETI ANER P L， LI P TON A． T h e e v o l u t i o n o f v i d e o s u r v e i l l a n c e a n o v e r v i e w[ J ] ． Ma c h i n e Vi s i o n a n d Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 0 8，1 95 27 9 - 29 0． 赵冠华 ， 冯 晓毅 ， 王虎 ， 等． 结合对 称差分 法 和背景减 法的 目标 检 测方 法 [ J ] ． 计 算 机工 程 与 应用 ， 2 0 1 0 ， 4 6 3 1 4 5 1 4 7 ． GONZALEZ R C， W 00DS R E．Di gi t a l i ma ge p r o c e s s i n g [ M] ．2 n d E d i t i o n ．Up p e r S a d d l e R i v e r ， US A Pr e n t i c e Ha l l ，2 0 0 2 4 5 1 - 4 5 5 ． 张梁 ， 徐锦 法． 基 于双 目视 觉 的无 人飞行 器 目标跟踪 与定位[ J ] ． 计算机工程 与应用 ， 2 0 1 4 ， 5 0 2 4 2 7 3 1 ． 张广军． 视 觉测 量[ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 8 ． 6 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 A r e l i a b l e d a t a t r a n s mi s s i o n p r o t o c o l o f c o a l mi n e wi r e l e s s s e ns o r n e t wo r k W ANG Qi n g q i n g ， 。 一， W ANG Z h e n g d o n g ， ZUO Yu t 一， CUI Z h o n g we i t 。 一， GUO Lo n g ， 。 1． De pa r t me n t o f M a t he ma t i c s a nd Co m pu t e r Sc i e nc e ，Gu i z ho u Educ a t i on Uni v e r s i t y，Gui ya n g 5 5 0 0 1 8，Ch i na；2． I n dus t r i a l I nt e r ne t o f Thi n gs En gi n e e r i n g Re s e a r c h Ce nt e r o f t he H i g he r Educ a t i o n I ns t i t u t i o ns of Gu i z hou Pr ov i nc e，Gu i y a n g 55 0 01 8，Chi na；3． I n t e r ne t I n no v a t i on a nd En t r e p r e n e u r s h i p Ce n t e r ，Gu i z h o u Ed u c a t i o n Un i v e r s i t y，Gu i y a n g 5 5 0 0 1 8 ，Ch i n a ；4． J i a n g n a n De s i g n I n s t i t u t e o f Ma c h i n e r y a n d El e c t r i c i t y ，Gu i y a n g 5 5 0 0 0 9 ，Ch i n a Abs t r a c t A r e l i a bl e da t a t r a n s mi s s i o n p r ot oc o l of wi r e l e s s s e ns o r ne t wor k wa s p r op os e d a c c o r di n g t o c h a r a c t e r i s t i c s o f da t a f l ow o f c o a l m i n e wi r e l e s s s e ns or ne t wor k，wh i c h wa s ba s e d on p o s i t i on i nf o r m a t i o n of s e ns o r n od e s a nd i nt e gr a t e d M AC a nd r ou t i ng．The pr o t o c o l us e s pr o ba b i l i s t i c a wa ke ni ng wo r k mod e， a nd s e l e c t s f or wa r d i ng no de a c c o r d i ng t o c o nn e c t i vi t y o f l o c a l no d e， du m p e n e r gy o f t he n od e a nd oc c u r r e nc e pr ob a b i l i t y of r e g i o na l e v e n t ．M e a n whi l e，t he p r ot oc o l i n t r od uc e s s t a n dby no de t O f or wa r d da t a whe n m a i n n o de i s i n va l i d，S O a s t o e ns ur e r e l i a bl e d a t a t r a ns mi s s i o n．The s i m u l a t i o n r e s ul t s s h ow t h a t t he p r o t o c o l r e d u c e s e n e r g y c o n s u mp t i o n o f n o d e i n wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k a n d i mp r o v e s r e a l t i me p e r f o r ma nc e o f d a t a t r a ns m i s s i o n a s we l l a s r e l i a bi l i t y． Ke y wo r dsc o a l m i n i ng； wor k i ng f a c e； go a l ； wi r e l e s s s e n s o r ne t wor k； d a t a r o ut i n g； r e l i a bl e d a t a t r a ns mi s s i o n 0 引言 无 线 传 感 器 网 络 Wi r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k ， WS N 应 用于 煤 矿 工 作 面 和采 空 区监 测 系统 时 ， 由 于节点分布广、 密度大 ， 数据流不均匀 ， 使得现有 的 WS N路 由算法 难 以满 足 煤 矿 工作 面 和采 空 区数 据 传输 的应用需求 ] 。本文设计 了一种基于节点地 理位置信息 、 集成 MAC和路 由的可靠数据传输协 议 Re l i a b l e Da t a Tr a n s mi s s i o n P r o t o c o l ， RDTP 。 该 协议具 有 寻路 和 协 调 共享 信 道 访 问 的能 力 ， 实 现 了路 由层 和 MAC层信息共享 ， 节省 了节 点能量 消 耗 ， 提高了网络数据传输的可靠性 。 1 问题 描 述 本文根据煤矿工作面和采空区 WS N工作的特 点 ， 针对 以下 问 题 进 行 关 键 性 技 术 的 研 究 和 设 计 工 作 。 1 长距 离传 输数 据流 量 均衡 问题 。采 煤 工 作 面 WS N节点呈长距离带状分布 ， 数据信息从工 作 面巷道的 S i n k节点流出， 若采用传统的层次路 由算 法 ， 在数据传输过程 中会出现不均匀“ 棒椎式” 数 据 流 量特 点[ 5 _ 6 ] 。 2 工作面液压支架和变介质对节点通信的影 响 。在 煤矿 工作 面 和 采 空 区 ， 有 很 多 无 法 预 知 的 事 件 对无 线通 信产 生 干扰 ， 如顶 板 冒落 、 密集 排列 的液 压 支 架 的移动 、 设备 电磁干 扰等 [ 7 吲 。 3 采 空 区新 加 入节 点 动态 组 网 的特 性 。采 煤 工作 面在 不 断开采 煤 炭时 ， 采 空 区逐 渐 扩大 ， 新 的采 空 区会部 署新 的节 点 ， 完 善 网络 监 测 功 能 。这 就 要 求 WS N 路 由算 法 具 有 很 好 的扩 展 性 ， 当 有 新 节 点 布置 在新 的采空 区时 ， 能够 快 速加 入 网络 ， 进行 数据 路 由 。 4 节 点 能量 消 耗 问题 。煤 矿 工作 面 WS N 的 主要 任务 是 监测 工作 面 和采 空 区发生 突发 事件 时 的 环境信息和设备的一般工况信息， 在安全环境和安 全 生产情 况 下 ， 网络传 输 的监 测数 据较 少 ， 全 网络 长 时 间工 作 会 造 成 不 必 要 的 能 量 浪 费 引。 因此 ， 在 没 有发 生 网络监 测事 件 或者 节点 没有 进行 数 据转 发 时 ， 网络节 点可 以进 入 睡 眠状 态 ， 节 省 节 点 能 量 ； 一 旦 监测 到事 件 发生 ， 或 者节 点需 要转 发数 据 ， 要求 节 点能够及时从睡眠状态唤醒 ， 以保证 网络具有较低 的数据传输延时。 5 对 3类监 测数 据 的传 输 问 题 。根 据 煤矿 工 作面监测业务的要求和特点 ， 将传输数据按照实时 性 分 为 3 个 优 先级 灾 难性 监测 数据 的级 别 最高 ， 设 定 为 发送请 求 级别 一 H ； 工 况周 期 性 监 测数 据 的 发送优先 级 次之 ， 设 定 为发 送请 求 级 别二 H ； 一 般监 测数 据 的发 送 级 别 最 低 ， 设 定 为 发送 请 求 级 别 三 H。 。在 MAC层设 定 3 个 不 同级 别 的数 据发 送 队列 ， 分 别存 储 3个 级别 的数 据 。 2 0 1 7 年 第 3期 王 晴 晴等 煤矿 无线传 感 器 网络 可 靠数 据 传输协 议 6 7 2 WS N模 型 由于煤矿工作面和采空 区中 WS N节点的通信 环境存在很大差异 ， 且存在液压支架影响无线 电波 传输 ， 所 以将工作面和采空 区节点的路 由算法分开 考 虑 ， 2个 区域 的 W S N 节 点 可工 作 在 不 同状 态 ， 监 测 数据 在 同一个 S i n k节 点汇 聚后 上传 至 监控 中心 。 本 文 中 ， 设 计 采 空 区 和工 作 面 W S N 均 采 用 R D TP 算法进行数据传输 ， 监测数据汇聚至工作 面巷道 的 S i n k节点 ， 避 免 了工 作 面 和 采 空 区 WS N 因采 用 不 同路由算法带来的协议转换难题。 根据煤矿工作面和采空 区环境特点 ， 将该环境 抽象 为一 个 长方形 区域 A， 布 置在 采 空 区和 工 作 面 的 WS N节点 以均匀随机方式分布在 区域 A 内口 ， 如 图 1 所 示 。 ．．鼍 一 蓼 羹 图 1 煤 矿工作面和采空 区 WS N节点分布 图 1中 ， S ； 为 采 空 区 的数 据 源 节 点 ， S 为 工作 面 的数 据 源节 点 。节 点 的通 信 半径 为 R， S i n k节 点 在工作面巷道处 ， 虚线表示节点数据传输方 向。采 空 区数 据 源 节 点 S 产 生 数 据 ， 以多 跳 方 式 向 S i n k 节点传递数据 。S 和 S i n k节点间虚线圆内的节点 为转 发节 点 。新 的采空 区中布 置 的节 点对 数据 转 发 和路 由没 有影 响 。工 作 面数 据 源 节 点 S 采 用 与采 空区相 同的方式将数据传送至 S i n k节点 。 3 R D T P协议 设 计 WS N节点采用单信 道通信方 式， 其工 作过程 按 周 期 T 来 执 行 。R D TP协 议 工 作 模 式 如 图 2 所示 。 时 同 图 2 R D TP协议工作模式 RD TP协议 中， 每个工作周期 T 包括 3个 阶 段 网络维 护更 新 阶段 T。 、 节 点 睡眠 调 度 阶段 T “ 、 基 于节 点 位置 的可靠 数 据转 发 阶段 T 。其 中， 节点 睡眠调 度 阶段 T h 、 基 于节 点位 置 的可 靠数 据 转 发 阶 段 丁 在 1 个 工作 周期 内要 重复 执行 多次 。 1 网络 维护 更新 阶段 。该 阶段 主要用 于 更新 WS N节点的同步时钟 、 剩余能量和连通度 ， 为基 于 节点位置的可靠数据转发阶段的计算工作做准备。 2 节点睡眠调度阶段。在事件没有发生或没 有 数据 转发 时 ， 节点 可 以进 人 睡 眠状 态 ， 节 省 能 量 ； 一 旦有 事件 发生 或 者 需要 转 发 数 据 ， 节 点需 要 及 时 被 唤醒 工作 。为 了在 节 省节 点 能 量 的 同 时 ， 保 证 数 据实时可靠传输 ， 需要在节点睡眠调度阶段执行节 点 睡 眠调度 算法 。节 点在 睡眠调 度 阶段开 始时 的侦 听概率 ， 充分 考虑 本地 节点 的连 通度 、 节点 自身 的剩 余能量信息和区域事件发生概率 ， 其计算公式为 ，1 F P T P a ， 1 Vl m ⋯l 式 中 a ， ， y为加 权 系数 ， a p ， 一1 ； C 为 节点 i 通 信时的期望连通度 ； C 为节点 i在布置后 的节点连 通度 ； E 为节点 i当前时刻的剩余能量信息 ； E 为 节点 i 所有邻居节点 的平均能量信息 ； N 为节点 i 在当前工作周期 T 内已完成数据传输的次数； Mf 为当前时刻节点 i在当前工作周期 T 内经历数据 转 发阶段 T 的总次 数 。 3 基于节点位置的可靠数据转发阶段。该阶 段可分为节点发送竞争 、 节点转发竞争 和数据可靠 传输 3 个 过程 。 在节 点 发 送竞 争 过 程 中 ， 考虑 到煤 矿工 作 面 和 采空区传输数据的优先级不 同， 在 MAC层分别设 定3 个发送队列 ， 分别存储并转发 H 、 H。 、 H。 级别 的数 据 。 节 点转 发 竞 争过 程 紧 跟在 节 点 发送 竞 争 之后 。 一 旦节点 A在发送竞争过程 中获得信道使用权 ， 则 发送请求帧。转发 区域 的节点 B接收到节点 A 的 请求帧后， 提取节点 A 的位置信息 ， 然后分别计算 出节 点 A、 节 点 B与 S i n k节点 的欧 式 距 离 ， 并 根 据 节点 B自身的剩余能量信息计算转发价值 ， 参与节 点转 发竞 争 。节 点 A 选 择 具 有 最 大转 发 价 值 的 节 点作 为数 据转 发节 点 。节 点 B的转发价 值 为 7 7 p F W Bi 2 瓜 n B 式 中 z 为节 点 A 与 S i n k节 点 的 欧 氏距 离 ； Z 为节 点 B与 S i n k节 点 的 欧 氏距 离 ； E 为节 点 B当前 时 刻的剩余能量信息 ； E 血为节点 B所有邻居节点 的平 均能量信息。 数据可靠传输 主要通 过选择备 用节点 x进行 数据的备份转发来实现。备用节点选择规则为 6 8 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 z B z x 。 一 y x ≤ d 3 式 中 ， Y 为 当前 竞 选 成 功 的转 发 节 点 B 称 为 数据 转发 的 主节点 坐 标 ； ， Y 为 当前 参 与 节 点 转发 竞争 的节 点 坐标 ； d为备 用节 点 区 域半 径 ， 为 常 数 ， 根据备用节点数量来确定。 满足 式 3 的 节 点 X 即 为 备 用 节 点 ， 不 满 足 式 3 的节点 在经 过节 点接 收竞 争后 ， 马上进 入 睡 眠 状态 。 数据 转 发 的主节 点 B负 责 完 成 节 点 A 数 据 的 接 收及 转 发 。备 用 节 点 X 完 成节 点 A 数 据 的接 收 和 存储 ， 只在 数 据转 发 的 主节 点 B发 送数 据 出现错 误 时 ， 才进 行数 据重 传 。 引入备用节点后 ， 数据可靠传输过程如图 3所 示 。A， B ， C， D为 数 据 传 输 时 的 主节 点 。虚线 圆 内 区域 为备用 节 点 区域 ， 该 区域 内 的黑 色 实 心 圆 点 为 备 用节 点 ， 如节 点 E。节 点 F因在 睡眠 调 度 阶段 T 没有被唤醒， 未参与节点转发竞争 ， 因此其不作为备 用 节 点 。 一 跳转发 两跳转发 三跳转发 源节 点 各用区域 各用区域 备用区域 。 ， 点 、溉 E～ OO -， ] IL 。 、 、 ． _ ／。一 图 3数据可靠传输过程 4仿真 分析 为了能够准确地验证 R DT P协议 的性能 ， 采用 NS 2软件对 RD TP协议和 G e R a f 协议_ 2 进行算法 设计 ， 然后采用 Ma t l a b软件对实验数据进行对 比分 析 。 主要 从 以下 3 个 方 面对 2种 协议 进行 对 比 1 WS N 数 据 传 输 可 靠 性 。煤 矿 工 作 面液 压 支 架等 设 备 及 采 空 区通 信 介 质 的 变 介 质 特 性 会 对 WS N通信产生影 响， 因此对 采用不 同数据传输协 议的 WS N数据传输可靠性进行了仿真实验。数据 传输可靠性定义为在每一轮工作 中， S i n k节点接收 到 的报 文 总数 与 WS N所 有 数据 源 节 点产 生 的报 文 总数的比值 。 2 数据传输延时。主要考察煤矿工作面 3 类 数据的传输时延 ， 即数据报文从产生到被 S i n k节点 接 收所 经历 的时 间 。 3 节 点平均 能 量消耗 。主要 衡 量 网 络 中节 点 能 量 消耗 的平 均 值 ， 即 S i n k节 点 接 收 1个 数 据 包 后 ， 整个网络中每个节点消耗能量的平均值_ 1 引。 4 ． 1 仿 真场 景 与仿 真 参数 由于工作面和采空区的 WS N路 由算法是独立 工 作 的 ， 所 以将工 作 面 和 采 空 区作 为 2个 场景 分 别 进 行 仿真 分 析 。根 据 煤矿 工作 面 为长距 离 带状 区域 的特 点 ， 仿 真 场景 设置 为 2 0 0 m 长 4 m 宽 ， 节 点 为 2 0 0个 ， 如 图 4 a 所 示 ； 采 空 区 是 很 大 的无 人 工作 空 间 ， 将 其设 置 为一 个 6 0 0 m 长 x 2 0 0 m 宽 的 长方形 区 域 ， 节 点 为 1 0 0 0个 ， 如 图 4 b 所 示 。 S i n k节点在工作面巷道处接 收数据 。表 1为仿 真 参 数设 置 。 4 吕 2 橱 0 2 00 宕 蠢1 0 0 憾 2 0 4 O 6 0 8 O I O 0 1 2 O 1 4 0 1 6 0 l 8 O 2 0 0 长度／ m a 工作 面 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 长度 ／ m b 采 空 区 图 4仿真 场景 表 1 仿真参数设 置 参数 取值 节点周期侦听与睡眠时间 比值 网络节点带宽／ k b i t S 节点连通度 节点期望连通度 节点通信距离／ m 节点在干扰下 的通信距离／ m 睡 眠能耗／ mW 工 作 面 和 采 空 区 场 景 内 的 数 据 源 节 点 均 为 1 O个 ， 在 1 0 m 通信 半 径 内随机 分布 ， 并 在 与 S i n k节 点相距最远的位置 ， 每次产生 相互独 立的 2个 H 级别数据 、 4个 H 级别数据和 2个 H。级别数据 。 4 ． 2 WS N 通信 可 靠性 采用 R DT P协 议 与 Ge Ra f 协 议 时 ， WS N 数 据 传 输 可靠 性仿 真对 比如 图 5所示 。 1 采 用 R D TP协 议 与 Ge R a f 协 议 时 ， WS N 数 据 传 输 可靠 性 在2 个仿 真 场 景 中变 化 趋 势 基本 相 o oo o 。． 。 遂 。 。 。 uo 。o 。j 。 。 。 一 姥 ㈣ 如 ． 5 2 0 1 7年 第 3期 王晴晴等 煤矿无线传感器网络 可靠数据传输协议 6 9 孵 解 啦 鞋 籁 瓣 }五 ’ 舞 啦 a 工作 面场景 b 呆 空 区 场 景 图 5 2 种 场景下 WS N数据传输 可靠性仿真对 比 同 ， 与 网络 大小 无 关 。源 节 点 发 送 报 文 的 时 间 间 隔 越小 ， 数据传输可靠性越低 ， 反之可靠性越高。这是 因为源 节 点发送 报 文 的时 问 间 隔 小 时 ， 网络 在 短 时 间内需要传输的报文较多， 造成数据拥塞 ， 从而导致 报 文 丢失 ； 发送 报 文 的 时 间 间 隔大 时 ， 发送 报 文 少 ， 不 会产 生 数据拥 塞 及报 文碰 撞事 件 。 2 在 2种 场 景 中， 数 据 传 输 可 靠 性 按 照 RD TP协议传输 H 级别数据 、 R DT P协议传输 H 级别数据 、 R DT P协议传输 H。级别数据 、 Ge R a f 协 议 的顺序依次降低 。在数据发送时 间间隔较 大时， R D TP协议与 Ge R a f 协议的可靠性都很高 ， 且几乎 相同， 但在数据发送 时间间隔较小时， RD TP协议传 输数据的可靠性明显高于 Oe R a f 协议 ， 基本能够保 证网络数据可靠传 输。这是 因为 RD TP协议 引入 备用节点 ， 其可在主节点数据传输失效时 ， 马上转换 为 主节点 进行 数据 传 输 ， 避 免 了数据 包 丢失 。 4 ． 3数 据 传 输 延 时 采用 RD T P协 议 与 Ge Ra f 协 议 时 ， WS N 数 据 传输 延 时仿 真对 比如 图 6所示 。 1 采 用 R DT P协 议 与 Ge Ra f 协 议 时 ， WS N 数 据 传 输 延 时 在 2 种 场 景 下 变 化 趋 势 基 本 相 同 ， 都 吕 营 舞 迎 晦 籁 吕 营 辑 j } 芝 寒 籁 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 源节点发送报文的时间间隔／ 周期 a 工作 面场景 1 图 6 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 源节 点发送报文 的时间间隔／ 周期 b 采空 区场景 2 种 场景 下数 据传输延 时仿 真对 比 是源节点发送报文 的时间间隔越小 ， 数据传输延时 越大 ， 反之 数据 传 输 延 时 越小 。造 成该 现 象 的 主要 原 因是发 送报 文 的时 问间 隔越 小 ， 越容 易 导 致 网络 拥塞 ， 增 大数 据延 时 。 2 在 2种 场 景 中 ， 数 据 延 时 按 照 RD T P协 议 传输 H 级别数据、 R D TP协议传输 H 级别数据、 R DT P协议传输 H。级别数据、 Ge R a f 协议的顺序 依 次增 大 。在数 据 发 送 时 间 间隔 较 大 时 ， RD T P协 议传输 3种级别数据 时的延时基本相同， 在数据发 送 时 间间 隔 较 小 时有 明 显 差 别 。这 主要 是 因 为 在 R DT P协议的节点发送竞争阶段设定了 3 个不同级 别 的数据发送队列 ， 保证 了高优先级数据传输 的实 时性 。 4 ． 4节 点平 均能量 消耗 采用 RD TP协议与 Ge R a f 协议时 ， WS N节点 平 均 能量 消耗仿 真对 比如图 7所示 。 1 采 用 RD T P协 议 与 G e R M 协 议 时 ， WS N 节 点 平均 能 量 消 耗 在 2种 场 景 下 变 化 趋 势 基 本 相 同 ， 与 网络 大小 无关 。 2 采 用 R D TP 协 议 发 送 3 种 级 别 的 数 据 时 ， 7 0 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 露 靼 6 0 o 5 0 o 4 0 0 驾 3 o 0 嚣 2 0 0 扭 1 O 0 O 源节点发送报文的时间间隔／ 周期 a 工作面场景 一 RDTP HRDTP HGeRaf／／ 一 协议传输2级别数据 ／ 。 协议传输3级别数据 尸 议 ＼ 。 ／ 源节点发送报文的时阃同隔／ 周弱 b 采空 区场景 图 7 2种场景 下 WS N节点平 均能量消耗 WS N节点平均 能量消耗较 为稳定 ， 随着 网络 负载 的增加 ， 能量消耗稍有增大。这主要是 因为 R D TP 协议采用概率性唤醒侦听机制 ， 大幅减 少了网络 中 进行侦听的节点数量 ， 从而 降低 了节点 能量消耗 。 在 网络负载增加 时， 节点传输数据时会频繁地建立 链 路 ， 但 每次 唤醒 的节 点较 少 ， 且 节 点工 作也 是按 周 期来 执行 的 ， 假如 链路 建立 不成 功 ， 在下 一个 工 作周 期内， 会有另外的节点被 唤醒 ， 来完成链 路建立工 作 ， 从而 均衡 了网络 中节 点 的能量 消耗 。 5 结 语 针对煤矿工作面和采空区 WS N路 由算法 的特 点 ， 设 计 了一 种基 于 节 点 地理 位 置信 息 、 集 成 MAC 和路 由的可靠数据传输协议一RD TP协议 。仿真 结果表明， 该协议能够降低 WS N节点能量消耗 ， 保 证 WS N数 据 传输 的实 时性 ， 提高 数 据 传输 的可 靠 性 。 参 考 文 献 [1 ] 郑国强 ， 李 建东 ， 李红艳 ， 等． 多跳无线 传感 器 网络 的 高效 中继节点快速选择 算法 [ J ] ． 通信 学报 ，2 0 1 0 ， 3 1 1 1 1 59 17 0． r 2] ZORZ I M ， RAO R R． Ge o g r a p h i c r a n d o m f o r wa r d i n g Ge Ra F f o r a d h o c a n d s e n s o r n e t wo r k s mu h i h o p p e r f o r ma n c e[ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n M o b i l e Co mp u t i n g 。2 0 0 3， 2 4 3 3 7 3 4 8 ． r 3 ] 王泉夫． 基于 WS N的工作面监 控及 瓦斯浓度 预测 关 键技术研究 [ D ] ． 徐州 中 国矿业大学 ， 2 0 0 9 ． [4] 童敏明 ， 杨礼 现 ， 刘 晓文 ， 等． 矿井 无线 传感 器监 测 网 络路 由改进算法 的研 究[ J ] ． 传 感技 术学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 1 1 1 1 8 9 2 1 8 9 5 ． [5 ] 阳嫒． 煤 矿 巷道 无 线 传 感 器 网络 模 型 及 路 由 研 究 [ D] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 0 ． [6] 王艳 芬． 矿 井超 宽带 无线 通信 信道 模 型研 究[ D] ． 徐 州 中国矿业大 学 ， 2 0 0 9 ． [ 7] 张 申． 帐篷 定律 与隧道无线数字通信 信道建模 [ J ] ． 通 信学报 ， 2 0