煤矿井下巷道多簇头分簇路由协议的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种煤矿井下无线传感器网络部署方法，特别是一种煤矿井下巷道多 簇头分簇路由协议。
【背景技术】
[0002] 煤矿井下传统的安全监控方式需要布设大量的电缆，使得设备的维护相当困难。 无线传感器网络不需要布设线路，所以构建基于无线传感器网络的煤矿监控系统可以有效 的提高事故监测能力和应急处理能力。但是无线传感器网络中节点的能量是由自身携带 的微型电池提供的，一般情况下，电池无法更换，无线传感器网络的使用时间受到能量的限 制。分簇路由协议中簇头在融合了本簇的数据之后再将融合之后的数据发给汇聚节点，减 少了数据的发送量，也减少了能量消耗。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是要提供一种煤矿井下巷道多簇头分簇路由协议，解决现有无线传 感器网络中节点的电池无法更换，无线传感器网络的使用时间受到能量的限制的问题。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：该路由协议给每一个簇安排两个簇头，分别为簇内 通信簇头和簇间通信簇头，簇间通信簇头负责簇的建立、簇与汇聚节点之间的通信以及转 发其他簇发给汇聚节点的数据；包括：节点的竞争范围和簇间通信簇头的选择方法；
[0005] 节点的竞争范围为：
[0006] 书点的音争半径i+笪公式，
[0007]
[0008] 公式 1
[0009] 式中，(1_和dmin分别为网络中节点到汇聚节点的最大距离和最小距离，d(si，DS) 为节点到汇聚节点的距离，#为最大簇头竞争半径，c是控制取值范围的参数，取0~1之 间的值；
[0010] 在竞争过程中，如果候选簇首^宣布其竞选获胜，则处于其竞选半径中的其他候 选族头竞选失败，不能成为最终族头；
[0011] 簇间通信簇头的选择方法为：
[0012] 选择方法依照概率在网络中选择一定数量的候选簇头；所有节点在算法开始时产 生一个随机数，若随机数小于阈值T，则该节点成为候选簇头，未成为候选簇头的节点进入 睡眠状态；候选簇头广播成为候选簇头的消息，该消息包括节点距离汇聚节点的距离、剩余 能量和自己的ID等信息；之后，候选簇头按照竞争半径和节点剩余能量来竞争簇头；在一 个节点的竞争范围内选择两个距离汇聚节点最近的候选簇头，其他的候选簇头全部淘汰， 然后再在剩余的两个候选簇头当中选择剩余能量最多的候选簇头作为最终簇头。
[0013] 簇间通信簇头呈链式分布，簇间通信的下一跳路由节点选择比自己距离汇聚节点 更近的下一个簇间通信簇头；簇头竞争算法结束后，唤醒所有节点，最终簇头向全网广播消 息，普通节点选择距离自己最近的簇头加入；形成簇之后由竞争算法产生的簇头在簇内选 择一个剩余能量最大的节点担任簇内通信簇头，由簇头竞争算法产生的簇头负责簇间的通 信。
[0014] 有益效果，由于采用了上述方案，簇头负责簇的建立、簇内通信控制以及簇与汇聚 节点之间的通信，在分簇路由协议中给每个簇安排一个簇内通信簇头和簇间通信簇头，簇 内通信簇头负责簇内的通信，融合簇内的数据，并负责将融合之后的数据发给簇间通信簇 头；簇间通信簇头负责簇与汇聚节点之间的通信，并且负责转发其他簇发给汇聚节点的数 据。解决了现有无线传感器网络中节点的电池无法更换，无线传感器网络的使用时间受到 能量的限制的问题，达到了本发明的目的。
[0015] 优点：基于无线传感器网络的煤矿监控系统可以有效的提高事故监测能力和应急 处理能力。本协议可以有效的均衡网络能量消耗从而提高网络的生存周期。
【附图说明】：
[0016] 图1是本发明的巷道网络分布图。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1 :该路由协议给每一个簇安排两个簇头，分别为簇内通信簇头和簇间通 信簇头，簇间通信簇头负责簇的建立、簇与汇聚节点之间的通信以及转发其他簇发给汇聚 节点的数据；包括：节点的竞争范围和簇间通信簇头的选择方法；
[0018] 节点的竞争范围为：
[0019] 节点的竞争半径计算公式：
[0020]
[0021] 公式 1
[0022] 式中，(1_和dmin分别为网络中节点到汇聚节点的最大距离和最小距离，d(si，DS) 为节点到汇聚节点的距离，< 为最大簇头竞争半径，c是控制取值范围的参数，取0~1之 间的值；
[0023] 在竞争过程中，如果候选簇首^宣布其竞选获胜，则处于其竞选半径中的其他候 选族头竞选失败，不能成为最终族头；
[0024] 簇间通信簇头的选择方法为：
[0025] 选择方法依照概率在网络中选择一定数量的候选簇头；所有节点在算法开始时产 生一个随机数，若随机数小于阈值T，则该节点成为候选簇头，未成为候选簇头的节点进入 睡眠状态；候选簇头广播成为候选簇头的消息，该消息包括节点距离汇聚节点的距离、剩余 能量和自己的ID等信息；之后，候选簇头按照竞争半径和节点剩余能量来竞争簇头；在一 个节点的竞争范围内选择两个距离汇聚节点最近的候选簇头，其他的候选簇头全部淘汰， 然后再在剩余的两个候选簇头当中选择剩余能量最多的候选簇头作为最终簇头。
[0026] 节点i竞争簇头的伪代码如下：
[0027]
[0029] 伪代码中COMPETE_HEAD_MSG为候选簇头广播的消息，该消息宣布自己成为候选 簇头，该消息包括候选簇头自己的剩余能量和距离汇聚节点的距离信息；QUIT_ELECTI0N_ MSG是由候选簇头发出，宣布自己退出竞争最终簇头；FINAL_HEAD_MSG由候选簇头发出，宣 布自己成为最终簇头；Rc为竞争半径，PreSent_Energy为当前剩余能量，DIS_T0_SINK为节 点距离汇聚节点的距离，SpCH为候选簇头i的邻候选簇头集合。
[0030] 候选簇头i的邻候选簇头SpCH定义的公式：
[0031] Si.CH={Sj I Sj是候选簇头且d(Si，Sj)<Sj.Rc或者cKSi，Sj) < Si.Rc}公式2
[0032] 簇间通信簇头呈链式分布，簇间通信的下一跳路由节点选择比自己距离汇聚节点 更近的下一个簇间通信簇头；簇头竞争算法结束后，唤醒所有节点，最终簇头向全网广播消 息，普通节点选择距离自己最近的簇头加入；形成簇之后由竞争算法产生的簇头在簇内选 择一个剩余能量最大的节点担任簇内通信簇头，由簇头竞争算法产生的簇头负责簇间的通 信。
[0033] 在巷道中布置的网络覆盖范围为LXM的矩形，L为巷道长度，M为巷道宽度，L> >M;因此可以将井下无线传感器网络抽象成带状的，如图1所示。
【主权项】
1. 一种煤矿井下巷道多簇头分簇路由协议，其特征是：该路由协议给每一个簇安排两 个簇头，分别为簇内通信簇头和簇间通信簇头，簇间通信簇头负责簇的建立、簇与汇聚节点 之间的通信以及转发其他簇发给汇聚节点的数据；包括：节点的竞争范围和簇间通信簇头 的选择方法； 节点的竞争范围为： 节点的竞争半径计算公式：式中，(1_和dmin分别为网络中节点到汇聚节点的最大距离和最小距离，d(si，DS)为节 点到汇聚节点的距离，< 为最大簇头竞争半径，c是控制取值范围的参数，取O~1之间的 值； 在竞争过程中，如果候选簇首^宣布其竞选获胜，则处于其竞选半径中的其他候选簇 头竞选失败，不能成为最终簇头； 簇间通信簇头的选择方法为： 选择方法依照概率在网络中选择一定数量的候选簇头；所有节点在算法开始时产生一 个随机数，若随机数小于阈值T，则该节点成为候选簇头，未成为候选簇头的节点进入睡眠 状态；候选簇头广播成为候选簇头的消息，该消息包括节点距离汇聚节点的距离、剩余能量 和自己的ID等信息；之后，候选簇头按照竞争半径和节点剩余能量来竞争簇头；在一个节 点的竞争范围内选择两个距离汇聚节点最近的候选簇头，其他的候选簇头全部淘汰，然后 再在剩余的两个候选簇头当中选择剩余能量最多的候选簇头作为最终簇头。2. 根据权利要求1所述的煤矿井下巷道多簇头分簇路由协议，其特征是：簇间通信簇 头呈链式分布，簇间通信的下一跳路由节点选择比自己距离汇聚节点更近的下一个簇间通 信簇头；簇头竞争算法结束后，唤醒所有节点，最终簇头向全网广播消息，普通节点选择距 离自己最近的簇头加入；形成簇之后由竞争算法产生的簇头在簇内选择一个剩余能量最大 的节点担任簇内通信簇头，由簇头竞争算法产生的簇头负责簇间的通信。
【专利摘要】一种煤矿井下巷道多簇头分簇路由协议，属于煤矿井下无线传感器网络部署方法。该路由协议给每一个簇安排两个簇头，分别为簇内通信簇头和簇间通信簇头，簇间通信簇头负责簇的建立、簇与汇聚节点之间的通信以及转发其他簇发给汇聚节点的数据；包括：节点的竞争范围和簇间通信簇头的选择方法；簇间通信簇头呈链式分布，簇间通信的下一跳路由节点选择比自己距离汇聚节点更近的下一个簇间通信簇头；簇头竞争算法结束后，唤醒所有节点，最终簇头向全网广播消息；形成簇之后由竞争算法产生的簇头在簇内选择一个剩余能量最大的节点担任簇内通信簇头，由簇头竞争算法产生的簇头负责簇间的通信。本协议有效均衡了网络能量消耗，提高了网络的生存周期。
【IPC分类】H04W40/02, H04W40/10, H04W84/18
【公开号】CN104883717
【申请号】CN201510254029
【发明人】陈伟, 王惠, 姜小荣, 王珂
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月18日