矿井无线传感器网络的层次型拓扑结构优化

摘要：针对矿井环境复杂、布线困难的特点，根据矿井实际环境和系统需求，构建了井下无线传感器网络的四层分簇式链状拓扑结构。研究了固定节点网络、移动节点网络、整个网络的拓扑形成过程，其中移动网络拓扑结构的构建采用组合加权的LEACH算法来实现，实验仿真表明该算法能够有效降低移动节点的能耗，延长整个网络的生命周期。同时，针对井下人员的移动性，分别提出了移动节点的加入策略和离开策略。该系统具有多层次、稳定性好、可扩展性强等特点，为矿井监测系统进一步的数据传输、融合和人员定位奠定了较好的基础。

关键词：矿井；无线传感器网络；LEACH算法；层次拓扑；结构优化

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3900-04

Abstract： Aiming at the characteristics of complex environment and wiring difficult in mine， according to mine real environment and system requirements， a four-storey clustering type chain topology of wireless sensor networks in the mine is built. The topology formation processes of stationary node networks， mobile node networks and whole networks are researched. Specially， the topology of mobile node networks is built by combination weighted LEACH algorithm，and the experiment simulation shows that the algorithm can reduce energy consumption effectively， and prolong the lifecycle of whole network. Meanwhile， aiming at the mobility of mine worker， the join strategy and leave strategy of mobile node are put forward respectively. The system has the specialties of multi-level， good stability and strong extensibility， which provides a good foundation for further data transmission and fusion and personnel location of mine monitoring system.

Key words：mine； wireless sensor networks； LEACH algorithm； hierarchical topology； structure optimization

我国煤矿井下自然环境复杂，矿井安全事故经常发生，造成了重大生命财产损失，同时也影响着煤炭工业的发展[1][2]。因此，建立一个有效的矿井环境及人员监测系统就显得非常重要。目前，国内矿井监测系统大部分使用的是有线方式，存在着灵活性差、布线和维护困难等局限性，无法对矿井重要参数及工作人员进行无缝的全面监控，给煤矿开采留下不可避免的安全隐患。因此，结合无线传感器网络构建矿井监测系统就成为了必然。将无线传感器网络技术与工业以太网相结合应用于矿井环境及人员监测，可以实现井内监测系统的灵活性和全面覆盖，降低布线的难度和成本，提高数据的稳定性和安全性。

矿井无线传感器网络的拓扑结构[3]是矿井监测系统进一步的数据传输、融合和人员监控的基础。目前已有研究者对矿井无线传感器网络的拓扑结构进行了初步的研究，并提出了基于Prim算法拓扑结构[4]、基于节点地址分配的矿井拓扑结构[5]、基于LEACH算法矿井网络拓扑结构[6]等等。现提出来的这些方案都还存在改进和完善的空间，因此本文将提出一种基于组合加权LEACH算法的矿井网络四层拓扑结构。

1 系统的整体规划

矿井监测系统是对无线传感器网络和有线工业以太网[7]的集成，由两部分组成：地面监控系统和井下信息采集系统。两系统之间通过以太网连接。地面监控系统包括服务器和用户终端。地面服务器负责收集数据信息，并存储和整理，用户终端通过访问服务器里的数据库，实时掌握井内环境变化情况和井下人员动态。井下信息采集系统包括以太网、交换机、汇聚节点和无线传感器节点。无线传感器节点包括固定节点和移动节点，负责对井下环境信息和工作人员位置信息的采集，并发送给汇聚节点。交换机则是无线传感器网络和以太网通信的桥梁，汇聚节点收集信息后通过交换机和以太网上传至地面服务器，地面监控系统收到信息后，做出相应的判断和应急反应。

2 系统拓扑结构

2.1 井下无线传感器网络架构

考虑到井下恶劣的环境条件，所部署的无线传感器网络能源受限，拓扑具有动态性，因此本文将设计一种多层次的、扩展性强的井下拓扑结构，如图1所示。

由图1可看出，整个井下网络由汇聚节点、固定节点、移动节点组成。网络拓扑结构包括四层，其中汇聚节点（CH1）为一级簇头，负责接收整个网络的数据，并与地面服务器通过有线网络连接；固定节点（CH2）为二级簇头，负责数据的融合和转发，同时还是未知节点定位的参考节点；三级簇头节点（CH3）是从移动节点中通过组合加权LEACH算法选出来的，负责簇内节点信息的收集并转发给二级簇头节点；第四层则是普通的移动节点（CN），各CN加入到各个簇，负责数据的采集。

2.2 固定节点网络拓扑结构

固定节点网络也可以称做上层骨干网，由事先安装在巷道内固定位置的汇聚节点（CH1）和固定节点（CH2）组成，汇聚节点一般安装在巷道口，固定节点则按一定间距安装在巷道内，它们的位置信息是已知的且存储在地面监控中心，固定节点一般是不可移动的。

固定节点作为网络的二级簇头，负责将网络内收集到的数据转发给汇聚节点，因此二级簇头节点和汇聚节点之间应建立一个有效的通信拓扑。LEACH拓扑控制算法中，认为所有簇头节点都能与汇聚节点直接通信，而在矿井实际环境中，这是无法实现的。因此根据巷道的长形结构，构建链状的上层骨干网，无法与汇聚节点直接通信的二级簇头节点选择不同的二级簇头节点作为它的父节点，由父节点承担数据转发任务。

首先，汇聚节点发起建网信息，CH2（二级簇头节点）向周围广播自身信息，若收到汇聚节点的响应信息，则发送链接请求给汇聚节点，收到链接响应后入网成功。未收到汇聚节点响应信息的CH2分析是否有其他已入网的CH2的响应信息，根据响应信息的信号强度值，选择距离较近的已入网CH2节点作为自己的父节点，并向其发送链接请求。网络中子节点的工作时隙表由其父节点为其分配。

二级簇头节点作为网络数据传输的中继节点，任务较重，能耗较大，因此在实际应用中可在重要的二级簇头节点周围部署备用节点，备用节点一直处于睡眠状态，只有在二级簇头节点能量耗尽时才被唤醒，替代原来二级簇头，同时向地面监控中心发送报警信息，提醒工作人员更换电池。备用节点的部署，保障了网络的稳定性，使矿井监测系统具有更好的鲁棒性和安全性[8]。

2.3 移动节点网络拓扑结构

在井下网络中，当众多移动节点同时发送信息给CH2时，容易引起信道冲突，造成能量的浪费，因此本文根据组合加权的LEACH算法来构建移动节点网络拓扑结构，在移动节点中选出合适的节点作为三级簇头（CH3），由CH3负责簇内信息的收集并转发给CH2节点，从而提高能量利用率，延长网络生命周期。

三级簇头的选举采用组合加权的LEACH算法，即为每一个移动节点分配一个权值W，该权值衡量了移动节点适合充当簇头的程度，权值W越小的节点越适合充当簇头。考虑到矿井环境的实际情况，权值W的计算考虑四个影响因子：剩余能量、节点度、节点的移动性、节点与其邻居节点之间的平均距离。因此，移动节点j的权值[W（j）]可由以下公式计算可得：

[W（j）=a1×E（j）+a2×D（j）+a3×M（j）+a4×P（j）]

其中，[E（j）]表示节点j已经消耗的能量，[D（j）]表示节点j的节点度与网络理想节点度之差，[M（j）]表示节点j 的移动性，[P（j）]表示节点j与其邻居节点之间的平均距离。[a1]，[a2]，[a3]，[a4]为权重因子，其取值关系为：[a1>a2>a3>a4]。

移动节点网络的拓扑形成过程描述如下：（1）移动节点网络多由矿井工作人员构成，他们通常聚集在一起进入井内，在下井之前就已成簇，由于各节点的初始能量相同（每个便携式设备都已充满电），设定第一轮的三级簇头由ID 号最小的移动节点充当；（2）当三级簇头的能量下降至初始能量的70%时，将进行下一轮的三级簇头选举，这时三级簇头会在本簇中广播一个权值查询命令，每个簇成员节点收到命令后按权值公式计算自己的权值，并发送给簇头节点，簇头节点选择一个权值最小的节点来充当下一轮簇头，并把新簇头ID号发送给簇成员节点，同时把自己设置为非簇头节点，簇成员节点把新簇头ID与自己ID相比较，若相等，则把自己设为簇头节点；（3）当选为三级簇头的节点在移动节点网络内广播簇头消息，其他移动节点收到簇头广播消息后，发送入簇消息给所选择簇的簇头，簇头节点收到所有入簇消息后，建立一个TDMA调度时间表，并发送给簇内每个节点；（4）当所有普通移动节点都收到时间表后，进人数据传输阶段，各簇成员节点按照TDMA时间表将采集数据发送给三级簇头节点，三级簇头节点收集所有成员节点发来的信息，对其进行融合处理并转发给二级簇头节点，簇内节点在TDMA时间表分配给自己的时隙之外关闭其通信模块。

每一轮中，当三级簇头的能量下降至充当簇头时能量的70%时，进行下一轮的三级簇头选举。移动节点网络中，基于组合加权LEACH算法的拓扑结构形成流程图如图2所示。

2.4 整个网络的拓扑形成

当上层骨干网建立后，若没有移动节点进入巷道内，固定节点处于睡眠状态，只对环境信息进行监测并周期性上传给汇聚节点。当有移动节点进入巷道内，移动节点自主组成簇结构，由三级簇头节点唤醒二级簇头节点（固定节点），二级簇头节点记录下移动簇群的信息并转发给汇聚节点。若某三级簇头节点在规定时间[Tw]内没有发送任何信息给二级簇头，二级簇头则认为该簇群已离开，同时从链接表中删除该簇群信息。

3 网络拓扑的动态变化

网络拓扑的动态变化是指移动节点的加入或离开。由于井下工作人员的移动性强，那么就必然涉及到单个节点的加入或离开，另外也有可能有节点出现失效的情况，从而引起网络的拓扑动态变化。节点失效也可看作是节点的离开。

1） 移动节点的加入：移动节点向周围广播入簇请求信息，收到请求信息的三级簇头节点回复响应信息，移动节点根据响应信息的信号强弱，选择信号强的三级簇头节点作为自己的簇头节点，并发送链接请求给所选簇头，当移动节点收到簇头分配的工作时间表后，加入成功。

2） 移动节点的离开：三级簇头节点会周期性的广播查询信息，簇内节点收到查询信息后会在自己的工作时隙内发送一个应答信息给三级簇头，如果三级簇头节点在规定时间[Tw]内未收到某节点的应答，则判断为此移动节点已离开本簇，三级簇头节点便在自己的链接表中删除该节点信息，并重新给簇内节点分配工作时隙。

4 仿真结果与分析

使用MATLAB对井下无线传感器网络进行仿真，设置巷道长为500m，宽10m，汇聚节点布置在巷道口，CH2按一定间距布置在巷道内，移动节点则随机分布在巷道内。分别对移动节点平均剩余能量和网络生命周期进行仿真，并与LEACH算法进行比较分析。

1） 移动节点平均剩余能量。即井下网络正常工作中，所有移动节点的平均剩余能量。移动节点平均剩余能量仿真结果如图3所示。

从图3可以看出，该文构建的井下网络中，移动节点的平均剩余能量要高于采用LEACH算法构建的井下网络。这是因为，该文采用组合加权的LEACH算法选举出的三级簇头综合性能好，并且当CH3的能量下降至充当簇头时能量的70%时，才进行簇头的更新，减少了簇头的更新次数，从而降低了选举簇头带来的能耗。

2） 生命周期。即网络维持正常工作所持续的时间。网络生命周期仿真结果如图4所示。

由图4可知，随着移动节点的最大通信距离的增大，该文算法与LEACH算法的网络生命周期都在减小，并且，在整个通信范围内，该文算法的生命周期都优于LEACH算法。其原因是：相比于LEACH算法，该文采用组合加权算法选出的三级簇头综合性能更好，节点能量能够得到有效利用，负载也更均匀，从而延长了节点存活的时间，整个网络的生命周期也更长。

5 结束语

本文基于组合加权的LEACH算法，提出了一种井下无线传感器网络的四层层次型链状拓扑结构，使得选出的三级簇头具有较好的性能，能够有效的降

低移动节点的能耗和延长整个井下网络的生存时间。另外，由于井下工作人员构成的移动节点具有强移动性，增添了单个移动节点的加入策略和离开策略，提高了网络的稳定性。设计出的井下网络拓扑结构具有能耗低、网络生命周期长、灵活性好等优点，可实现对矿井内部的无缝监测。下一步研究工作可对分簇算法与功率控制相结合的矿井拓扑结构建立机制做一定的尝试和研究。

参考文献：

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[8] 胡海江，张凤登.一种新的无线传感器网络分簇模型[J].传感技术学报， 2006， 19（2）： 477-480.