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基于物联网的煤矿实时监测的拓扑可靠性设计与优化分析

更新时间:2019-12-12 13:21:24 大小:1M 上传用户:xiaohei1810查看TA发布的资源 浏览次数:310 下载积分:1分 出售积分赚钱 评价赚积分 ( 如何评价?) 标签:物联网煤矿实时监测 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

物联网技术很适合对煤矿进行实时监测,但其可靠性需进一步探究和完善.根据煤矿巷道窄长且干扰因素多等特点,提出了一种适合煤矿安全监测的三维均匀物联网节点部署方法.在保障监测数据准确的基础上,进一步研究了提高物联网拓扑可靠性的相关机制,如节点之间的距离冗余、簇头节点的非等量备份冗余,并对相关的参数进行量化分析.从理论分析和仿真的结果看,所提出的方法具有监测区域覆盖程度高、能耗均衡和灵活可扩展等特点,对提高煤矿安全监测的拓扑可靠性具有显著效果.

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ꢀ ꢀ ꢀ 田立勤等:基于物联网的煤矿实时监测的拓扑可靠性设计与优化分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 10 期  
点均为自由节点,将它们中的任何一个去掉,对整个  
监测网的覆盖来说没有影响但是如果将 2 个普通  
节点全部去掉,则便会出现一小块的覆盖盲区,如图  
4 所示。  
2ꢀ 模拟仿真  
=
现假设簇头节点的可靠性 R 0. 9,每个簇头节  
=
点组采取的冗余备份个数 k 1,2,3,…,10。 如图 6  
所示为采取等量备份后簇头可靠性的曲线从图 6  
可以看出,簇的个数分别为 815、30 时簇头节点的可  
靠性随冗余度的增大而增大当有 1 个簇头节点时  
可靠性为 0. 9,30 簇头节点串联,靠性低于  
0. 1。 采取 2 个节点冗余即可使可靠性得到明显改  
,但是并非冗余的个数越多越好从图 6 可以看  
,簇头节点冗余度为 2 3 就可以达到理想的效  
。  
4ꢀ 去掉 2 个节点  
Fig. 4ꢀ Removal of 2 nodes  
1. 4ꢀ 簇头节点的可靠性优化分析  
在煤矿安全实时监测过程中,如果簇头节点失  
,将导致簇中感知节点采集的所有数据丢失,这将  
对系统的可靠性造成严重的影响[12] 解决这种情况  
的一个简单而有效的方法是采取簇头节点的备份冗  
,如图 5 所示此时每个簇头不再是单个的故障  
,而是 1 个簇头节点组,每个组中包含 2 个簇头节  
采用这种机制后,当个别节点失效依然可以保证  
通信链路的连通性。  
6ꢀ 簇头节点可靠性与冗余度关系  
Fig. 6ꢀ Relationship between reliability and  
redundancy of cluster head nodes  
=
=
=
m 8;m 15;m 30  
对于带状无线传感器网络,能力消耗存在不均衡  
[14 15] ,sink 节点近的簇头承担的任务较重,因此  
5ꢀ 簇头节点备份冗余  
Fig. 5ꢀ Cluster head node backup redundancy  
能耗较高,相对于离 sink 节点较远的簇头更容易因  
能量消耗完而失效。  
假设 1 条沿墙壁的链路上共 m 个簇,每个簇中  
的簇头节点的可靠性为 R ,假设第 i 个监测面中的簇  
7 对簇头节点的冗余优化进行了模拟仿真,分  
别采取以下 3 种不同的措施:①无冗余;②从第 4 层  
开始采取等量 2 冗余;③按照相对能耗比进行非等量  
冗余从图 7 可以看出,采取非等量冗余后各个簇头  
的生存时间达到了比较好的均衡性,对于带状无线传  
感器网络,当拓扑层数较大时,等量冗余并不能获得  
理想的效果。  
n
j
-
头节点组采取 nj 备份,则可靠性为 1  
R , m 个簇  
j
=
j
1
n
j
-
头节点组的可靠性为 (1  
R )m 。  
j
=
j
1
由于带状无线传感器网络的能耗分布不均匀,靠  
sink 节点的簇头容易过早死亡,因此对簇头节点  
的备份应该采取非等量备份根据文献[13]中的能  
量模型,3DUND ,每个簇头节点备份的个数为  
-
=
+
ETx(k,d) ERx(k,d)  
ni ni-  
1
,
(4)  
{
=
n1  
2
式中, n1 为离 sink 节点最远的簇头节点备份个数(最  
优个数由模拟仿真确定)。  
解得  
a
=
+
-
×
×
+
×
×
mi  
2
(i 1) (2Eelec  
k
εamp  
k
d ).  
7ꢀ 采取不同冗余措施的相对簇头节点寿命  
Fig. 7ꢀ Lifetime of relative cluster heads with  
different redundancy measures  
(5)  
ꢀ ꢀ 由于在无线传感器网络中,数据分组的下一跳节  
点由路由协议决定,根据式(5)获得的不均等冗余可  
无冗余;等量 2 冗余;非等量冗余  
以在很大程度上延长网络的生存时间。  
万方数据  
采取非等量冗余后网络中的簇头节点严格意义  
·65·  

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