矿用软件定义簇形无线传感网络架构.pdf

第44卷 第5期 2018年5月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0081-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017080060 矿 用 软 件 定 义 簇 形 无 线 传 感 网 络 架 构 陈修回日期 2018-03-22 ;责任编辑 李明。 基金项目 国家自然科学基金资助项目（61064014。 作者简介 陈婀娜“972 女 ， 贵州贵阳人， 副教授， 研究方向为网络与信息化制造，E-mailuk〇 ng2005163. com。 引用格式 陈 婀 娜 .矿 用 软 件 定 义 簇 形 无 线 传 感 网 络 架 构 工 矿 自 动 化 ，2018,445 l-84. CHEN Enuo. Architecture of software defined cluster wireless sensor network of coal mine[J]. Industry and M ine Automation,2018， 44 581-84. [ 9 ] 张廷羽.高压线巡检机器人的研究[D].上海 上海大 学， 2009. 0]王鲁单， 王洪光， 房立金， 等.一种输电线路巡检机器 人控制系统的设计与实现机器人， 2007,29 “ 7-11. WANG Ludan， WANG Hongguang， FANG Lijin， et al. Design and implementation of the control system of a power transmission line inspection robot [J ]. Robot， 2007,291-11. [ 1] 丁克舫， 张洪斌.煤矿井下环境在人-机-环境系统中 的重要地位[J].煤矿安全， 2009,40820-121. DING Kefang， ZHANG Hongbin. The important position of the coal mine environment in the human machine environment system [ J ]. Safety in Coal Mines,2009,408 120-121. [12]孙力翔.浅谈我国特大型煤矿的采掘运特点[J].煤矿 开采， 2010， 152 -3. SUN Lixiang. Discussion on mining， driving and transporting characteristics of super-sized coal mines inChina[J]. Coal Mining Technology, 2010,15 2 1-38 [ 3 ] 郭发勇， 梅涛， 赵江海.D- H 法建立连杆坐标系存在 的问题及改进[J ].中国机械工程， 2014, 25 20 2710-27148 GUOFayongMEI Tao ZHAOJianghai8Problems and improvement of D-H for establishing connecting rod coordinate system [ J ].China Mechanical Engineering ,2014,2520 2710-2714. [ 14] 郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北 京 北京工业出版社， 2008. [ 15] 朱华炳， 张娟， 宋孝炳.基于ADAMS的工业机器人运 动学分析和仿真[J].机械设计与制造， 2013 5 204-2068 ZHU HuabingZHANG JuanSONG Xiaobing8 Kinematic analysis and simulation of industrial robot based on ADAMS [ J ]. Machinery Design g Manufacture,20135 204-206. 82 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 Architecture of software defined cluster wireless sensor network of coal mine CHEN Enuo College of Electrical and Mechanical Engineering, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China Abstract For no guarantee of communication reliability of traditional coal mine wireless sensor network under accident condition because static route protocol cannot change route according to network states, an architecture of software defined cluster wireless sensor network of coal mine was designed by adding gateway nodes in cluster of coal mine wireless sensor network based on software defined network system and characteristic of the cluster topology. In the architecture, the gateway nodes in each domain collect data of sensor nodes for intra-domain or inter-domain communication, and controller manages flow, route and safety of the domain. Wireless sensor network based on the architecture can change route according to network states, which is suitable for coal mine safety monitoring. Key words coal mine safety monitoring; wireless sensor network; software defined network; OpenFlow protocol; cluster network; flow management; route management; safety management 〇 引言 无 线 传 感 网 络 （ Wireless Sensor Network， WSN是一类无线自组织网络， 广泛应用于工业控 制 、 环境监测和救生 域 ， 在煤矿安全监测领域也 关注[13]。现 有 的 煤 矿 W SN采用固 f ， 不能根据网络状 信 ，呆障 煤矿突发事故 的通信可靠性。 软 件 定 义 网 络 （ Software Defined Network， SDN[4 ]采用数据转发平面和控制平面分离的思想， 大大提高了网络可扩展 可靠性[5]。 W SN集 SDN是新 信息技术发展的必然趋势， 该方 的研究正受 关注） ] 。 Luo T 等[7]提出 件 定 义 无 线 传 感 网 络 （ Software Defined Wireless Sensor Network， SD-WSN概念， 开展 了采用 SDN 管 理 W SN 的 研 究 。Zeng D Z 等） ]进行了 SD W SN演 化 研 究 ， 采 用 感 知 即 服 务 （ Sensing as a Services， SaaS方式， 将传感节点集成到云计算中。 A. D. Gante等[9 ]提出了一种基于SD N 的 W SN基 站架构， 并 将 SD N 中的 作为基站， 但没有分 析传感节点间如 信 。上述研究 有考 合 矿安全监测的网络拓扑结构。 针 对 煤 矿 W SN特 点 ， 集 成 SD N 的应用很少。 本文在论述SDN体系基础上， 通过分析煤矿WSN ， 提出一种矿用 形 W SN架构， 以 期为矿用SD- W SN设计 考 。 1 SDN体系 随 着 OpenFlow协 议 的 出 现 ， 特 别 是 2008年 McKeown 在 Sigcomm 会议上展{的 OpenFlow 实 验网络[10]， SD N 体系逐渐明晰。2011年 ， 德国电 信 、 Google、 Microsott、 Facebook、 Verizon 等企业联 合 成 立 了 开 放 网 络 基 金 会 （ Open Networking Foundation， ONF， 旨在通过产业联盟方式推动以 OpenFlow 为 的 SDN 技 术 发 展 。 基 于 OpenFolw协议的SDN架构如图1 所示。 图1 基于OpenFlow协议的SDN架构 Fig. 1 SDN architecture based on OpenFlow protocol 图 1 中， 每个数据转发平面相当于1 个站点， 并 运行 OpenFlow 控 制 器 （ OpenFlow Controller， OFC 和 网 络 控 制 应 用 （ Network Control Application， NCA。控制平面由逻辑上集中的应 用（ 如 SD N 网关、 全 工程服 ） 组成， 并 各站点的N CA集中控制整个网络。 OFC 上 工 （ Traffic Engineering Agent， T EA 程 序 。每台 OpenFlow 交 （ E 数据转发 组成） 的链路状 态信息 T E A 发 SD N 网关， 经 SD N 网关 后发 全 工程服 。全局流量工程 服 每 射 IP- IP 隧道中， 并将分配的 宽 SD N 网关发 OFC， 由 O FC 安 J OpenFlow交 发表中， 从而实现网络 的 径规划。 2 0 1 8 年 第 5 期陈 婀 娜 矿 用 软 件 定 义 簇 形 无 线 传 感 网 络 架 构 83 采 用 SD N 技 术 后 ， 流 量 工 程 完 全 依 靠 SDN/ OpenFlow实现， 网络资 用 升 ， 平均带 宽使用率可达9 5 。 可见， SDN将控制平面从网络交换机和路由器 中的数据转发 分离出来，SDN OFC 实现网络拓 集 、 路由计算（ 生成及下发、 网络 功能， 网络层设 责转发流 。 SDN 实现网络资源的 统 、 整合 化后， 采用规范化接口为上层 应用 所需的网络资源及服务， 实现了网络能力 开放。 2矿用软件定义簇形WSN体系 2.1 煤 矿 W SN拓扑和簇模型 如何在煤矿中高效、 灵 活 部 署w s n实际上还 没有完全解决。文献[11]在 宽 8 m、高 的 巷 道 内 传感节点， 节 点 数 据 经 1 个中继节点传回地 。煤矿 个 组成。考 井 构复 杂 、 ， 为 提 高 e s N 的 连 ， 结 合文献）1]可 将 1 个巷道分 个簇， 采用簇形 分层） 网络拓 描 矿 e s N [1213]， 如 图 2 所示。 b巷道WSN簇模型 图2煤矿簇形WSN拓扑 Fig. 2 Topology of coal mine cluster WSN 簇 形 W SN 由传感节点、 中继节点和Sink节点 组成。传感节点在 内随 （ 可呈泊松分布 分布） ， 中继节点和Sink节点的空间位置固 。传感节点自动采集数据， 按传感节点 E 范围， 由多个传感节点形成1 个簇， 中继节点即为该 簇的簇头。簇中传感节点采集的数据经对应的中继 节点传递到Sink节点。中继节点间可 信 ， 形 ， 也 可 直 接 与 Sink节点连接。Sink节 点 数据处理， 后的数据 矿综合信 息网络传 数据应用中心。 2. 2 巷道软件定义簇形WSN 从 图 2 可看出， 每 1 个中继节点和若干 单一传感节点组成。在此基础上， 增加网关节点， 构 矿 形 WSN，，如 图 3 所示。每一一 形 成 SD N 的域， 域 、 域内网关节点和传感 节点组成。每个中继节点即为所在域的 。 - 即 ， 负责 域内网关节点及传感节点， 并组 织数据 径 。 间地 ， 可完全 接 信 ， 路由规 。在 形 W SN 中， 可 在域内配置参数、 存储数据 采 集 数 据 数据传 Sink 节点 域 。网关节点是 传感节点之间的桥节点， 负 责采集周边传感节点数据， 并根据簇头制定的规则 域内 域间 信 。 簇头一旦出现故障， 贝所在域内传感节点暂时 不能接入， 需组 ， 重新选 。网关节点负 责域间通信贝 出现故障， 则域间通信中断， 相 关域 为信息孤岛。 在 A. D. Gante提 出 的 基 于 SD N 的 W SN基 站架构中，SDN 知道整个网络的拓扑， 有利 于 网络资 ， 做出最 。采用该 架构， 不仅可以很好地 整个域， 还能有效监 自内外网络的攻击， 这也是 网络需要关注的。 2. 3 软件定义簇形W SN 间的可靠性 每一个 形 W SN域在某一时刻下有 唯一的SDN 作为域控制器， 该 有自己 的安全 ， 并对每个 网关（ 即每个 的中继节点） 分配安全规 规则。 对 网关的 ， 可高 域间数据流的传输， 通 过域 的安全 有 高网络整体安全性能。 84 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 当某一个SDN簇头出现故障时， 需要配置新的 簇头作为域控制器， 以避免发生系统性故障， 提高 W SN的可信度和容错能力。本文中矿用软件定义 簇 形 W SN采用对等互操作模式， 所 有 SDN簇头地 位对等， 均可监测整个网络， 且作为簇控制器可以平 等交换网络路由信息和状态信息， 有助于提高网络 整体平衡性和可扩展性。 3结语 在 论 述 SD N体 系 和 煤 矿 W SN簇形拓扑结构 基础上， 引人域的概念， 通过在巷道W SN簇模型中 增加网关节点， 提出了一种矿用软件定义簇形WSN 架构。该架构中控制器簇头） 不仅要管理域内流量 和路由， 还要管理所在域的安全。另外， 该架构既能 实现网络分布式安全管理， 也可以协作方式管理流 量 ， 有助于解决传统W SN采用单一协议、 不能根据 网络状况改变路由的问题， 适用于煤矿安全监测 域 。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References [1 ] 周坚和.煤矿安全监测系统无线传感器网络网关设计 [J].工矿自动化， 2013,393 26-30. ZHOU Jianhe. Design of WSN gateway for coal mine safety monitoring system [J ]. Industry and Mine Automation,2013,393 26-30. [2 ] 温阳东， 张玉凤， 朱敏.基于无线传感网络的温度监测 节点设计[J].工矿自动化， 2011， 37789-92. WEN Yangdong, ZHANG Yufeng,ZHU min. Design of temperature monitoring node based on wireless sensor network [J] . Industry and Mine Automation， 2011， 37789-92. [ 3 ] 刘志高， 李春文， 耿少博， 等.带盲区巷道网络人员全 局定位系统[J ].煤炭学报， 2010, 35 增 刊 1 236-2428 LIU Zhigao， LI Chunwen, GENG Shaobo， et al. A three-dimensional personnel positioning in underground tunnel environment based on wireless sensor networks [J] . Journal of China Coal Society， 2010,35S1 236-242. [4 ] NUNES B A A， MENDONCA M，NGUYEN X N， et al. A survey of software-defined networking past， present, and future of programmable networks [J ]. IEEE Communications Surveys g Tutorials， 2014， 16 31617-1634. [5] CHOI T， LEE B， KANG S， et al. IRIS-CoMan scalable and reliable control and management architecture for SDN-enabled large-scale networks [J]. Journal of Network g Systems Management， 2015,232252-279. [6] 董玮， 陈共龙， 曹晨红， 等.面向软件定义架构的无线 传 感 器 网 络 [J ].计 算 机 学 报 ， 2017, 40 8 1779-1797 DONG Wti,CHEN Gonglong,CAO Chenhong,et al. Towards a software-defined architecture for wireless sensor networks[J]. Chinese Journal of Computers， 2017,408 1779-1797. [7 ] LUO T,TAN H P,QUEK T QS. Sensor OpenFlow enabling software-defined wireless sensor networks [J]. IEEE Communications Letters, 2012,1611 1896-1899 [8 ] ZENG DZ，MIYAZAKI T， GUOS，et l Evolution of software-defined sensor network [C]//The 9th IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Network,Dalian,2013 410-413. [9] GANTE A D， ASLAN M， MATRWY A. Smart wireless sensor network management based on software-defined networking [C]//The 24th Biennial Symposium on QBSC,Kingston,2014 71-75. [10] MCKEOWN N， ANDERSON T， BALAKRISHAN H， et al. OpenFlow enabling innovation in campus networks [ J ]. ACM Sigcomm Computer Communication Review , 2008,382 69-74. [11] LI M , LIU Y. Underground coal mine monitoring with wireless sensor networks [J]. ACM Transactions on Sensor Networks , 2009,52 10-12. [12] DAN P. Open networking foundation foresees open- source software as route to network standards in 2015 [J]. Software World 201445 1 . [13] XU Y , HELAL S , THAI M , et al. Optimizing push/ pul envelopes for energy-eficient cloud-sensor systems[C]// International Symposium on Modeling Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems， Miami， 2011 17-26.