CN103209458A - 一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络，尤其涉及矿井无线传感器监测网络的路由方法，具体为一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法。本方法以矿井口的汇聚节点为圆心，按节点和汇聚节点的距离r为参考，将各节点划分入不同的区域，如level1、level2、level3……,各个区域中的节点将数据传递给所在区域选择出的簇头，再由簇头将汇聚处理后的数据传递给相邻的靠近汇聚节点的簇头，然后这个簇头传递给相邻的靠近汇聚节点的簇头，形成簇间多跳将数据传递给汇聚节点，解决了矿井无线传感器网络采用现有的路由协议存在的节点发送数据能量消耗大和不均、数据冗长和延迟的问题。

Description

一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络，尤其涉及矿井无线传感器监测网络的路由方法，具体为一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法。

背景技术

无线传感器网络（WSN,Wireless Sensor Network）以其低成本、分布式和自组织等特点，在环境监测、医疗护理、军事领域有着广泛地应用，同时还被应用于一些危险的工业环境，如矿井安全监测。根据矿井下的环境参数，构建无线传感器监测网络，将其与有线监测网络相结合，形成矿井安全监测信息综合***，这将有效地提高矿井安全监测的覆盖范围，完善监测数据的准确性。在无线传感器网络中，路由协议作为其中的重要环节，关系着数据能否有效传输，根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，目前路由算法分为四种类型：一是能量感知路由算法，从节点的能量利用效率及网络生存期考虑路由选择，主要有能量路由、能量多路径路由；二是基于查询的路由算法，将路由建立与数据查询过程相结合，充分考虑数据查询类应用特点，主要有定向扩散路由、谣传路由；三是地理位置路由算法，利用节点的地理位置建立数据源到汇聚节点或者负责节点的优化传输路径，主要有GEAR、GEM、边界定位的地理路由；四是可靠的路由协议，从传输可靠性和实时性方面讨论传感器网络的路由机制，主要有ReInForM、SPEED。无线传感器传送数据消耗的能量                                                

与数据传输的距离d有关，可表示为

，式中a表示传送数据的比特数，

表示传送每比特数据消耗的能量，

表示自由空间传输的能量，d表示数据传输的距离，

，为数据传输距离的门限值，

为多路径衰落传输的能量；从能量公式中可看出，当数据的传输距离d> do时，无线传感器发送数据消耗的能量相当大，井下无线传感器网络拓扑呈长距离带状存在，井下坑道内节点与矿井口的汇聚节点的距离变化大，采用现有的路由协议都存在各节点发送数据能耗不均和与汇聚节点距离大于do时能耗大的问题，同时邻近的节点发送的重复的数据，造成了发送的数据冗长和延迟的问题，且能量约束一直是无线传感器网络存在的一个问题，即若无线传感器网络能量消耗太大就不能有效的传输数据，因此为了延长无线传感器网络生命周期和提高监控质量，设计适用于矿井下的环境的高效的路由算法十分必要。

发明内容

本发明为了解决矿井无线传感器网络采用现有的路由协议存在的节点发送数据能量消耗大和不均、数据冗长和延迟的问题，提供了一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法。

本发明是采用的如下的技术方案实现的：一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法，包括以下步骤：

以矿井口的汇聚节点为圆心，设定圆心距离参数r，且r<do；

基站向矿井坑道广播涵盖参数r的信息包；

坑道内各节点接受到信息包后，参照其中的参数r，依据自己与汇聚节点的距离d判断所属区域，对于离汇聚节点距离d<r的节点，其所属区域为level1，对于离汇聚节点距离r≤d<2r的节点，其所属区域为level2，对于离汇聚节点距离2r≤d<3r的节点，其所属区域为level3……,依次类推，对于离汇聚节点距离（n-1）r≤d<nr的节点，其所属区域为leveln，每个区域内的节点构成一个簇；

每个簇时间上周期性的从中选取一个节点作为簇头，且所选簇头的剩余能量大于簇内节点平均剩余能量且离簇内质心最近。；

每个簇的节点将采集到的数据发送到各自簇的簇头，簇头进行数据融合处理，然后利用簇头间多跳发送至汇聚节点；

汇聚节点收集信息传送给基站，地面监控中心根据基站接收到的数据进行监控处理。

本发明设定了一种无线传感器网络路由方法，该方法创造性的以矿井口的汇聚节点为圆心，设定圆心距离参数r，由基站向坑道内广播含参数r的信息包，坑道内各节点接收到含参数r的信息包，各节点内的处理器模块将各自节点和汇聚节点的距离d和r比较，根据比较结果将各节点划分入不同的区域，如level1、 level2、 level3……,每个区域中的节点在其通信半径内发送包含各自分组和剩余能量的信息，区域内的节点根据收到的剩余能量信息在处理器模块中计算出平均剩余能量，经过和平均剩余能量比较后，剩余能量大于平均剩余能量的节点广播自己与质心的距离信息，通过比较后离质心最近的且剩余能量大于平均剩余能量的节点广播自己选为簇头的信息，区域中的节点将监测数据传递给所在区域选择出的簇头，再由簇头将汇聚处理后的数据传递给相邻的靠近汇聚节点的簇头，形成簇间多跳将数据传递给汇聚节点；本发明将巷道内节点划分为不同的区域，且在不同区域中优选出一个节点作为簇头，而相邻簇头间的距离小于do，因此簇头间采用这种多跳的数据传输方式，可大大降低数据传输的能量消耗，同时簇内各节点和簇头的距离和较小，簇内整体能耗小；将节点划分区域后，节点发送数据平均能耗降低，数据能够有效的传输，使得无线传感器网络适于矿井安全监测；簇头将所在区域的节点发送的数据收集处理后，简化了发送到汇聚节点的数据，也减少了发送和接受数据的时间。

本发明提供的适用于矿井的无线传感器网络路由方法解决了矿井无线传感器网络采用现有的路由协议存在的节点发送数据能量消耗大和不均、数据冗长和延迟的问题，本方法还消除了能量约束对无线传感器网络存在的困扰，提高了数据传输的有效性。

附图说明

图1 本发明的矿井坑道分簇图。

图2 本发明工作流程图。

具体实施方式

一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法，包括以下步骤：

以矿井口的汇聚节点为圆心，设定圆心距离参数r，且r<do；

基站向矿井坑道广播涵盖参数r的信息包；

坑道内各节点接受到信息包后，参照其中的参数r，依据自己与汇聚节点的距离d判断所属区域，对于离汇聚节点距离d<r的节点，其所属区域为level1，对于离汇聚节点距离r≤d<2r的节点，其所属区域为level2，对于离汇聚节点距离2r≤d<3r的节点，其所属区域为level3……,依次类推，对于离汇聚节点距离（n-1）r≤d<nr的节点，其所属区域为leveln，每个区域内的节点构成一个簇；

每个簇时间上周期性的从中选取一个节点作为簇头，且所选簇头的剩余能量大于簇内平均剩余能量且离簇内质心最近。；

每个簇的节点将采集到的数据发送到各自簇的簇头，簇头进行数据融合处理，然后利用簇头间多跳发送至汇聚节点；

汇聚节点收集信息传送给基站，地面监控中心根据基站接收到的数据进行监控处理。

具体实施时，设簇头质心坐标为（X，Y），簇内各节点坐标为（x_i，y_i）, 其中i=1,2,…,N，令

取最小值，则

，簇内质心坐标为（

，

）。

Claims (1)

1.一种适用于矿井的无线传感器网络路由方法，其特征在于包括以下步骤：

以矿井口的汇聚节点为圆心，设定圆心距离参数r，且r<do；

基站向矿井坑道广播涵盖参数r的信息包；

坑道内各节点接受到信息包后，参照其中的参数r，依据自己与汇聚节点的距离d判断所属区域，对于离汇聚节点距离d<r的节点，其所属区域为level1，对于离汇聚节点距离r≤d<2r的节点，其所属区域为level2，对于离汇聚节点距离2r≤d<3r的节点，其所属区域为level3……,依次类推，对于离汇聚节点距离（n-1）r≤d<nr的节点，其所属区域为leveln，每个区域内的节点构成一个簇；

每个簇时间上周期性的从中选取一个节点作为簇头，且所选簇头的剩余能量大于簇内平均剩余能量且离簇内质心最近；

每个簇的节点将采集到的数据发送到各自簇的簇头，簇头进行数据融合处理，然后利用簇头间多跳发送至汇聚节点；

汇聚节点收集信息传送给基站，地面监控中心根据基站接收到的数据进行监控处理。

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