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煤矿无线传感器网络可靠数据传输协议
Tags:煤矿无线传感器网络可靠数据传输协议
2017/3/11 10:27:48 来源：无线卡王 引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN)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 W SN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[1-4]。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（Reliable Data Transmission Protocol, 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WSN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WSN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。
(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。
(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WSN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WSN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。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（H1)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（氏）； 一般监测数据的发送级别最低，设定为发送请求级 别三（H3)。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 WSN模型
由于煤矿工作面和采空区中WSN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WSN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WSN均采用RDTP 算法进行数据传输，监测数据汇聚至工作面巷道的 Sink节点，避免了工作面和采空区WSN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WSN节点以均匀随机方式分布在区域A内[14]，
图1煤矿工作面和采空区WSN节点分布 图1中，S为采空区的数据源节点，Sk为工作 面的数据源节点。节点的通信半径为R，Sink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Sink 节点传递数据。S和Sink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Sk采用与采 空区相同的方式将数据传送至Sink节点。
3 RDTP协议设计
WSN节点采用单信道通信方式，其工作过程 按周期Tw来执行。
RD丁P协议中，每个工作周期Tw包括3个阶 段：网络维护更新阶段Tsyn、节点睡眠调度阶段Th、 基于节点位置的可靠数据转发阶段Ts。其中，节点 睡眠调度阶段Th、基于节点位置的可靠数据转发阶段Ts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 WSN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，节点可以进入睡眠状态，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
(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，分别存储并转发成、凡、氏级别 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Sink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。
式中为节点A与Sink节点的欧氏距离为节点B与Sink节点的欧氏距离；Eb为节点B当前时 刻的剩余能量信息；EnB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。
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