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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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