煤礦井下巷道多簇頭分簇路由協(xié)議的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法，特別是一種煤礦井下巷道多 簇頭分簇路由協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦井下傳統(tǒng)的安全監(jiān)控方式需要布設(shè)大量的電纜，使得設(shè)備的維護(hù)相當(dāng)困難。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要布設(shè)線路，所以構(gòu)建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)可以有效 的提高事故監(jiān)測(cè)能力和應(yīng)急處理能力。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量是由自身攜帶 的微型電池提供的，一般情況下，電池?zé)o法更換，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間受到能量的限 制。分簇路由協(xié)議中簇頭在融合了本簇的數(shù)據(jù)之后再將融合之后的數(shù)據(jù)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，減 少了數(shù)據(jù)的發(fā)送量，也減少了能量消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是要提供一種煤礦井下巷道多簇頭分簇路由協(xié)議，解決現(xiàn)有無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的電池?zé)o法更換，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間受到能量的限制的問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：該路由協(xié)議給每一個(gè)簇安排兩個(gè)簇頭，分別為簇內(nèi) 通信簇頭和簇間通信簇頭，簇間通信簇頭負(fù)責(zé)簇的建立、簇與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信以及轉(zhuǎn) 發(fā)其他簇發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；包括：節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍和簇間通信簇頭的選擇方法；
[0005] 節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍為：
[0006] 書(shū)點(diǎn)的音爭(zhēng)半徑i+笪公式，
[0007]
[0008] 公式 1
[0009] 式中，(1_和dmin分別為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大距離和最小距離，d(si，DS) 為節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，#為最大簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑，c是控制取值范圍的參數(shù)，取0~1之 間的值；
[0010] 在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，如果候選簇首^宣布其競(jìng)選獲勝，則處于其競(jìng)選半徑中的其他候 選族頭競(jìng)選失敗，不能成為最終族頭；
[0011] 簇間通信簇頭的選擇方法為：
[0012] 選擇方法依照概率在網(wǎng)絡(luò)中選擇一定數(shù)量的候選簇頭；所有節(jié)點(diǎn)在算法開(kāi)始時(shí)產(chǎn) 生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)小于閾值T，則該節(jié)點(diǎn)成為候選簇頭，未成為候選簇頭的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 睡眠狀態(tài)；候選簇頭廣播成為候選簇頭的消息，該消息包括節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離、剩余 能量和自己的ID等信息；之后，候選簇頭按照競(jìng)爭(zhēng)半徑和節(jié)點(diǎn)剩余能量來(lái)競(jìng)爭(zhēng)簇頭；在一 個(gè)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)選擇兩個(gè)距離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的候選簇頭，其他的候選簇頭全部淘汰， 然后再在剩余的兩個(gè)候選簇頭當(dāng)中選擇剩余能量最多的候選簇頭作為最終簇頭。
[0013] 簇間通信簇頭呈鏈?zhǔn)椒植?，簇間通信的下一跳路由節(jié)點(diǎn)選擇比自己距離匯聚節(jié)點(diǎn) 更近的下一個(gè)簇間通信簇頭；簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法結(jié)束后，喚醒所有節(jié)點(diǎn)，最終簇頭向全網(wǎng)廣播消 息，普通節(jié)點(diǎn)選擇距離自己最近的簇頭加入；形成簇之后由競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭在簇內(nèi)選 擇一個(gè)剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇內(nèi)通信簇頭，由簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭負(fù)責(zé)簇間的通 信。
[0014] 有益效果，由于采用了上述方案，簇頭負(fù)責(zé)簇的建立、簇內(nèi)通信控制以及簇與匯聚 節(jié)點(diǎn)之間的通信，在分簇路由協(xié)議中給每個(gè)簇安排一個(gè)簇內(nèi)通信簇頭和簇間通信簇頭，簇 內(nèi)通信簇頭負(fù)責(zé)簇內(nèi)的通信，融合簇內(nèi)的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將融合之后的數(shù)據(jù)發(fā)給簇間通信簇 頭；簇間通信簇頭負(fù)責(zé)簇與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信，并且負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他簇發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)。解決了現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的電池?zé)o法更換，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間受到 能量的限制的問(wèn)題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
[0015] 優(yōu)點(diǎn)：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)可以有效的提高事故監(jiān)測(cè)能力和應(yīng)急 處理能力。本協(xié)議可以有效的均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗從而提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
【附圖說(shuō)明】：
[0016] 圖1是本發(fā)明的巷道網(wǎng)絡(luò)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 實(shí)施例1 :該路由協(xié)議給每一個(gè)簇安排兩個(gè)簇頭，分別為簇內(nèi)通信簇頭和簇間通 信簇頭，簇間通信簇頭負(fù)責(zé)簇的建立、簇與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信以及轉(zhuǎn)發(fā)其他簇發(fā)給匯聚 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；包括：節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍和簇間通信簇頭的選擇方法；
[0018] 節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍為：
[0019] 節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算公式：
[0020]
[0021] 公式 1
[0022] 式中，(1_和dmin分別為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大距離和最小距離，d(si，DS) 為節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，< 為最大簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑，c是控制取值范圍的參數(shù)，取0~1之 間的值；
[0023] 在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，如果候選簇首^宣布其競(jìng)選獲勝，則處于其競(jìng)選半徑中的其他候 選族頭競(jìng)選失敗，不能成為最終族頭；
[0024] 簇間通信簇頭的選擇方法為：
[0025] 選擇方法依照概率在網(wǎng)絡(luò)中選擇一定數(shù)量的候選簇頭；所有節(jié)點(diǎn)在算法開(kāi)始時(shí)產(chǎn) 生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)小于閾值T，則該節(jié)點(diǎn)成為候選簇頭，未成為候選簇頭的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 睡眠狀態(tài)；候選簇頭廣播成為候選簇頭的消息，該消息包括節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離、剩余 能量和自己的ID等信息；之后，候選簇頭按照競(jìng)爭(zhēng)半徑和節(jié)點(diǎn)剩余能量來(lái)競(jìng)爭(zhēng)簇頭；在一 個(gè)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)選擇兩個(gè)距離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的候選簇頭，其他的候選簇頭全部淘汰， 然后再在剩余的兩個(gè)候選簇頭當(dāng)中選擇剩余能量最多的候選簇頭作為最終簇頭。
[0026] 節(jié)點(diǎn)i競(jìng)爭(zhēng)簇頭的偽代碼如下：
[0027]
[0029] 偽代碼中COMPETE_HEAD_MSG為候選簇頭廣播的消息，該消息宣布自己成為候選 簇頭，該消息包括候選簇頭自己的剩余能量和距離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離信息；QUIT_ELECTI0N_ MSG是由候選簇頭發(fā)出，宣布自己退出競(jìng)爭(zhēng)最終簇頭；FINAL_HEAD_MSG由候選簇頭發(fā)出，宣 布自己成為最終簇頭；Rc為競(jìng)爭(zhēng)半徑，PreSent_Energy為當(dāng)前剩余能量，DIS_T0_SINK為節(jié) 點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，SpCH為候選簇頭i的鄰候選簇頭集合。
[0030] 候選簇頭i的鄰候選簇頭SpCH定義的公式：
[0031] Si.CH={Sj I Sj是候選簇頭且d(Si，Sj)<Sj.Rc或者cKSi，Sj) < Si.Rc}公式2
[0032] 簇間通信簇頭呈鏈?zhǔn)椒植迹亻g通信的下一跳路由節(jié)點(diǎn)選擇比自己距離匯聚節(jié)點(diǎn) 更近的下一個(gè)簇間通信簇頭；簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法結(jié)束后，喚醒所有節(jié)點(diǎn)，最終簇頭向全網(wǎng)廣播消 息，普通節(jié)點(diǎn)選擇距離自己最近的簇頭加入；形成簇之后由競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭在簇內(nèi)選 擇一個(gè)剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇內(nèi)通信簇頭，由簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭負(fù)責(zé)簇間的通 信。
[0033] 在巷道中布置的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為L(zhǎng)XM的矩形，L為巷道長(zhǎng)度，M為巷道寬度，L> >M;因此可以將井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象成帶狀的，如圖1所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種煤礦井下巷道多簇頭分簇路由協(xié)議，其特征是：該路由協(xié)議給每一個(gè)簇安排兩 個(gè)簇頭，分別為簇內(nèi)通信簇頭和簇間通信簇頭，簇間通信簇頭負(fù)責(zé)簇的建立、簇與匯聚節(jié)點(diǎn) 之間的通信以及轉(zhuǎn)發(fā)其他簇發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；包括：節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍和簇間通信簇頭 的選擇方法； 節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍為： 節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑計(jì)算公式：式中，(1_和dmin分別為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大距離和最小距離，d(si，DS)為節(jié) 點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離，< 為最大簇頭競(jìng)爭(zhēng)半徑，c是控制取值范圍的參數(shù)，取O~1之間的 值； 在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，如果候選簇首^宣布其競(jìng)選獲勝，則處于其競(jìng)選半徑中的其他候選簇 頭競(jìng)選失敗，不能成為最終簇頭； 簇間通信簇頭的選擇方法為： 選擇方法依照概率在網(wǎng)絡(luò)中選擇一定數(shù)量的候選簇頭；所有節(jié)點(diǎn)在算法開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生一 個(gè)隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)小于閾值T，則該節(jié)點(diǎn)成為候選簇頭，未成為候選簇頭的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠 狀態(tài)；候選簇頭廣播成為候選簇頭的消息，該消息包括節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)的距離、剩余能量 和自己的ID等信息；之后，候選簇頭按照競(jìng)爭(zhēng)半徑和節(jié)點(diǎn)剩余能量來(lái)競(jìng)爭(zhēng)簇頭；在一個(gè)節(jié) 點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)選擇兩個(gè)距離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的候選簇頭，其他的候選簇頭全部淘汰，然后 再在剩余的兩個(gè)候選簇頭當(dāng)中選擇剩余能量最多的候選簇頭作為最終簇頭。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下巷道多簇頭分簇路由協(xié)議，其特征是：簇間通信簇 頭呈鏈?zhǔn)椒植?，簇間通信的下一跳路由節(jié)點(diǎn)選擇比自己距離匯聚節(jié)點(diǎn)更近的下一個(gè)簇間通 信簇頭；簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法結(jié)束后，喚醒所有節(jié)點(diǎn)，最終簇頭向全網(wǎng)廣播消息，普通節(jié)點(diǎn)選擇距 離自己最近的簇頭加入；形成簇之后由競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭在簇內(nèi)選擇一個(gè)剩余能量最大 的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇內(nèi)通信簇頭，由簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭負(fù)責(zé)簇間的通信。
【專(zhuān)利摘要】一種煤礦井下巷道多簇頭分簇路由協(xié)議，屬于煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法。該路由協(xié)議給每一個(gè)簇安排兩個(gè)簇頭，分別為簇內(nèi)通信簇頭和簇間通信簇頭，簇間通信簇頭負(fù)責(zé)簇的建立、簇與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信以及轉(zhuǎn)發(fā)其他簇發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；包括：節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)范圍和簇間通信簇頭的選擇方法；簇間通信簇頭呈鏈?zhǔn)椒植迹亻g通信的下一跳路由節(jié)點(diǎn)選擇比自己距離匯聚節(jié)點(diǎn)更近的下一個(gè)簇間通信簇頭；簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法結(jié)束后，喚醒所有節(jié)點(diǎn)，最終簇頭向全網(wǎng)廣播消息；形成簇之后由競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭在簇內(nèi)選擇一個(gè)剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇內(nèi)通信簇頭，由簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法產(chǎn)生的簇頭負(fù)責(zé)簇間的通信。本協(xié)議有效均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
【IPC分類(lèi)】H04W40/02, H04W40/10, H04W84/18
【公開(kāi)號(hào)】CN104883717
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510254029
【發(fā)明人】陳偉, 王惠, 姜小榮, 王珂
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月18日