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矿井环境监测中无线传感网分簇路由协议研究

董茜茜  
【摘要】:我国煤矿事故频发,矿井安全面临着严峻的挑战。井下地形结构错综复杂且多由带状巷道组成,为了保证煤矿的安全生产,将无线传感器网络的相关技术应用到矿井环境监测中已成为当下研究的一个热点。无线传感器网络具有能量有限且传感器无法再充电的特性,因此根据井下巷道特点设计能量高效的路由协议对延长监测系统的寿命至关重要。本文主要从均衡传感器节点能耗出发,所做主要工作如下:(1)针对矿井环境监测系统的体系结构和井下WSN的长带状网络结构,本文提出了一种非均匀分簇算法UCAK-means。该算法通过改进K-means算法中初始质心的选择构造非均匀的簇结构并对节点进行编号。在网络运转过程中,簇首的更换以剩余能量和地理位置为依据,避免了低能量节点被选为簇首。实验仿真结果表明UCAK-means算法能够缩短分簇时长,更好地完成非均匀的分簇。(2)在簇首和基站的数据传输过程中,距离基站较远的簇首无法与基站直接进行通信,必须通过中间节点进行转发,就会造成一些簇首过多的参与数据转发而消耗过多能量。本文针对该问题提出一种能耗均衡的路由算法RAACO。该算法在路由选择过程中综合考虑了转发节点的剩余能量和节点间的距离。通过改进蚁群算法中启发信息和转移概率的计算方式,并根据节点的搜索表完成路由的建立。实验仿真结果表明RAACO路由算法在均衡节点能耗方面具有一定的优势。(3)本文基于分簇算法UCAK-means和路由算法RAACO,提出一种适应于矿井环境监测WSN中的分簇路由协议UCRP_KA,并分析了该分簇路由协议的特点和网络运转的流程。基于能量和生命周期两个方面,将UCRP_KA与其他分簇路由协议在节点死亡的轮数、节点存活的个数、节点平均剩余能量和网络中节点的总能耗四个方面进行了比较和分析,证明了该协议在矿井环境下可以有效提高节点能量利用率,进而延长网络的生命周期。


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