物聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)獲取與優(yōu)化研究

代玉梅，馬 黎

(商丘職業(yè)技術學院，河南 商丘 476000)

物聯(lián)網(wǎng)可以理解為全面感知(利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時隨地采集物體的動態(tài)信息)、可靠傳輸(通過網(wǎng)絡將感知的各種信息進行實時傳送)、智能處理(利用計算機技術，及時地對海量的數(shù)據(jù)進行信息控制，真正達到了人與物的溝通、物與物的溝通)3個過程.物聯(lián)網(wǎng)的各種應用都是通過采集各類信息和數(shù)據(jù)實現(xiàn)[1]44-51.

1 數(shù)據(jù)采集

信息的采集是物聯(lián)網(wǎng)主要的數(shù)據(jù)來源，物聯(lián)網(wǎng)的各種應用都是通過采集各類信息和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的.感知與識別技術是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，其數(shù)據(jù)來源主要有以下幾個方法：使用各種傳感器采集物理數(shù)據(jù)；如溫度濕度、PH值、壓力等各種物理傳感器獲得的數(shù)據(jù)；使用Wi-Fi/WAPI、RFID等完成短距離的信息讀取和傳遞.其中，RFID技術由于具有實時讀取功能，成為物聯(lián)網(wǎng)典型的基礎技術之一.現(xiàn)代化的智能小區(qū)都裝有攝像技術，監(jiān)控信息數(shù)據(jù)都是數(shù)據(jù)采集.

在數(shù)據(jù)采集與獲取的環(huán)節(jié)中，需要處理的問題有以下幾個方面數(shù)據(jù)完整性和精度的問題:物聯(lián)網(wǎng)要求數(shù)據(jù)能夠完整、正確的表述事件或者一系列的活動，而且，能夠利用數(shù)學方法提高數(shù)據(jù)的精度；分類實時信息的收集與重構問:對于不同類型的數(shù)據(jù)源，分類實時信息的收集并有機的融合是目前物聯(lián)網(wǎng)面臨的技術關鍵點和技術難點；實時信息分發(fā)問題:物聯(lián)網(wǎng)需要一種新的通信模式，支持面向需求的數(shù)據(jù)分發(fā)要求，在數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中，對信息要進行必要的預處理，保證數(shù)據(jù)對任務的合理的響應.在這種應用環(huán)境中，通常包含用戶行為的跟蹤檢測、數(shù)據(jù)挖掘及信息的狀態(tài)關聯(lián)性等內容.

2 數(shù)據(jù)的獲取

在物聯(lián)網(wǎng)中對貨物、產品部件、機械裝備、物流和托運、倉儲、零售商的設施或終端用戶的資產狀態(tài)均可進行檢測.方便監(jiān)測可以在對象上面嵌入具有無線功能的嵌入式設備，讓他們成為被監(jiān)測對象的一部分，就如同條形碼貼紙一樣，成為大部分產品中的一部分.

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，它能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應用.由于它的運作原理可以滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，使它成為了連接物聯(lián)網(wǎng)上對象設備最佳的候選者.如圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構下RFID與WSN的融合所示.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構下RFID與WSN的融合

RFID側重于識別，能夠實現(xiàn)對目標的標識和管理，同時RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實現(xiàn)成本較高的不足；WSN側重于組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，具有部署簡單，實現(xiàn)成本低廉等優(yōu)點，但一般WSN并不具有節(jié)點標識功能.RFID與WSN的結合存在很大的程度上解決了以上缺陷.

3 RFID網(wǎng)絡的拓撲結構優(yōu)化設計

RFID是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的重要來源之一，它廣泛用于生產鏈和商店項目的跟蹤和追查及其創(chuàng)新應用，如監(jiān)控、公共交通等等；對于某些應用程序如超市中的商品的跟蹤，它需要考慮具有成本效益的方式部署.RFID讀寫器網(wǎng)絡，涉及到網(wǎng)絡規(guī)劃中的拓撲設計、網(wǎng)絡合成和網(wǎng)絡實現(xiàn)[2]322-324，在這個過程中要考慮到不同的因素對網(wǎng)絡成本的影響，比如：覆蓋范圍、干擾效果、標簽的密度、部署所花費的代價[3]1326-1327.顯然，最佳的滿足這些具有沖突性的目標，需要解決一個大的搜索空間和非線性優(yōu)化問題，假設部署的為RFID為無源標簽，需要考慮一下幾個方面的問題.

3.1 閱讀區(qū)域的重疊

位于閱讀區(qū)域內的標簽將會被正常檢測，但如果受到其他閱讀器的干擾就有可能發(fā)生碰撞，如圖2閱讀區(qū)域的重疊.因此,為了選擇減少閱讀區(qū)域影響的唯一解決方法，通過所有部署的閱讀器跟定義的驗收閾值，測量了重疊區(qū)域.式(1)～式(4)表明了第一個目標函數(shù)(1)的定義.

覆蓋率(CRatio)是指允許每個閱讀器允許的重疊量，CArea表示候選解決方案的總覆蓋面積.

(1)

ε1=Targer-TotalOverlapping Area

(2)

(3)

(4)

3.2 無用的閱讀器數(shù)量

需要注意，即使符合重疊參數(shù)的布局，有可能獲取不覆蓋任何標簽的閱讀器，它們需要被最佳的解決方案丟棄，如圖3無用的閱讀器所示.優(yōu)化的策略是盡量的減少無用的閱讀器.那么優(yōu)化公式可以列為公式(5)～(7)：

(5)

ε2=Targer-Total Userless Readers

(6)

Targer=0

(7)

圖2 閱讀區(qū)域的重疊

圖3 無用的閱讀器

3.3 覆蓋標簽的數(shù)量

RFID部署的主要目標之一是能夠檢測并獲得總體部署標簽的ID.下面定義了100%的檢測標簽目標，等式(8)～(10).

(8)

ε2=Targer-Total CoveredTags

(9)

Targer=100% of the deployed tags

(10)

假設標簽被覆蓋，它們將會被偵破.但在實際的應用中要考慮的更加全面，提供了由定于3種情況決定的錯誤參考值.在第1種情況下，對探測的標簽結果關聯(lián)一個均勻概率分布.第2種和第3種情況，在閱讀區(qū)域內根據(jù)探測標簽的變量概率定義了圓形區(qū)域中心.對于兩個區(qū)域的情況，按經驗定義90%和10%作為探測概率，而對于3個區(qū)域情況則為90%、70%和10%.如圖4不同的標簽監(jiān)測概率與覆蓋區(qū)域.

圖4 不同的標簽監(jiān)測概率與覆蓋區(qū)域

3.4 位于部署區(qū)域外閱讀器的數(shù)量

要評估大量的解決方案，就要有效的限制所有那些只位于待覆蓋區(qū)域內的閱讀器，因此，衡量位于既定邊界的閱讀器數(shù)量，并有效的消除這些閱讀器對整體方案的影響，公式(11)～(13)

(11)

ε4=Targer-Total Readers out of bounds

(12)

Targer=0

(13)

3.5 冗余的閱讀器的數(shù)量

當兩個或更多的閱讀器覆蓋了相同標簽或它的一個自己的時候，會有一些解決方案可能包括多余的閱讀器，如圖5冗余的閱讀器所示.由于一些解決方案的干擾，以及一些無用的操作和額外的費用，所以，必須丟棄它們.為了測量多余的閱讀器，觀察每個閱讀器可能探測到的標簽的集合并增加每次的計數(shù)時間，找到冗余的閱讀器.目標是設置零冗余的閱讀器，公式(14)～(16).

(14)

ε5=Targer-Total Redundant Readers

(15)

Targer=0

(16)

3.6 位于閱讀器重疊區(qū)域內的標簽數(shù)量

對于某些幾何考慮的閱讀器往往會在某些領域內重疊.此外，它有可能獲得符合先前所有五個目標解決方案，但可能會在重疊的領域內出現(xiàn)標簽，如圖6重疊區(qū)域中的標簽所示.由于一些閱讀器咋同一時間內執(zhí)行閱讀的時候可能會發(fā)生沖突，因此,定義了最后一個目標函數(shù)，考慮防止這個問題公式(17)～(19).

(17)

ε6=Targer-Total Tags in Overlapped area

(18)

Targer=0

(19)

圖5 冗余的閱讀器

圖6 重疊區(qū)域的標簽

4 結語

在物聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)的重要來源是RFID網(wǎng)絡，有效地放置閱讀器,使得閱讀器可以讀取多個標簽信息同時減小沖突的問題,對RFID網(wǎng)絡拓撲結構進行優(yōu)化設計,根據(jù)解決方案的評價指標，具體列出了6個方面的內容，最佳的滿足了所有這些具有沖突性的目標.

參考文獻：

[1] Michele Zorzi,Alexander Gluhak,Sebastian Lange,Alessandro Bassi.From Today’s Intranet of Things to A Future Internet of Things;A Wireless and Mobility-Related View[J].IEEE Wireless Communications,2010(05).

[2] 徐勇軍，劉 禹，王 峰.物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術[M].北京:電子工業(yè)出版社，2012(06).

[3] 劉 快，紀志成.基于混合粒子群的RFID網(wǎng)絡的優(yōu)化部署[J].計算機應用研究，2012(04).