非自主性移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

吳稟雅　陳慶章

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前比較流行的一種應(yīng)用于各種監(jiān)測環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用中遇到的一個難點(diǎn)是如何監(jiān)測移動物體，例如泥石流區(qū)域或火山灰區(qū)域。于是誕生了一種非自主移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它布署在移動體內(nèi)，隨著移動體的移動而移動，在移動過程中監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)。文章介紹了非自主移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、主要應(yīng)用特點(diǎn)和大致工作原理。文章給出了一種支持非自主移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動模型，該模型可以用于網(wǎng)絡(luò)的路由查詢、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。

關(guān)鍵詞：非自主移動；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；泥石流；非自主移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）技術(shù)是隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展而誕生的產(chǎn)物，是本世紀(jì)最具有影響力和改變?nèi)祟愇磥砩罘绞降母呒夹g(shù)領(lǐng)域四大支柱產(chǎn)業(yè)之一。所謂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中，遇到一個難題，就是應(yīng)用環(huán)境會發(fā)生移動，例如應(yīng)用在泥石流運(yùn)動規(guī)律的監(jiān)測上或火山灰的監(jiān)測上。這種環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將隨著監(jiān)測體的移動而移動。這種環(huán)境中部署的網(wǎng)絡(luò)，就需要改變傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模式，而形成一種非自主性移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Non-Autonomous Mobile Wireless SensorNetwork）。

2 國內(nèi)外研究狀況

近年來，有研究者提出了一種應(yīng)用于泥石流的非自主移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，他們把傳感器放置在會發(fā)生泥石流中的區(qū)域中，當(dāng)泥石流發(fā)生時，這些傳感器及其構(gòu)成的往網(wǎng)絡(luò)，會隨土塊、沙礫等一起滾動，并存儲記錄的數(shù)據(jù)。等待泥石流結(jié)束后再將傳感器回收，然后下載存儲的數(shù)據(jù)。但由于其沒有足夠的空間存放泥石流產(chǎn)生時需要采集的大量數(shù)據(jù)，也不能實(shí)時將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯報(bào)，所以只能用于環(huán)境受控的實(shí)驗(yàn)中。

另有文獻(xiàn)報(bào)道一種用于山體滑坡預(yù)防系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)由分層的傳感節(jié)點(diǎn)組成，上層的傳感節(jié)點(diǎn)作為聚集器與基站進(jìn)行通信，整個監(jiān)控過程不僅實(shí)時取樣數(shù)據(jù)、可用于為專業(yè)人員提供歷史預(yù)測數(shù)據(jù)，而且當(dāng)山體滑坡事件到來時還能進(jìn)行事件預(yù)測。

另外，也有面向濕地水環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)際監(jiān)控的非自主移動無線傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于濕地監(jiān)測主要實(shí)現(xiàn)的功能是：傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集水環(huán)境參數(shù)，包括水溫、PH值、溶解氧等，通過基站傳輸數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)中心，以做到實(shí)時處理與分析，數(shù)據(jù)中心的工作人員可以全天候監(jiān)測濕地天氣。此外，該系統(tǒng)還能對突發(fā)事件如環(huán)境污染以及水環(huán)境參數(shù)的急劇變化作出預(yù)警，各類參數(shù)可以作為防治污染的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

3 支撐非自主性移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)

考慮到非自主移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動性會對節(jié)點(diǎn)設(shè)備帶來很多碰撞和摩擦，一般傳感器節(jié)點(diǎn)并不能勝任這種環(huán)境的部署。目前已經(jīng)研發(fā)出一些特殊的移動無線傳感器節(jié)點(diǎn)，讓傳感器隨著泥石流一起運(yùn)動，在移動過程中測量移動體內(nèi)部重要數(shù)據(jù)，如流速、孔隙壓力、振幅、振動頻率等。測量到的數(shù)據(jù)可即時發(fā)送回接收器，這樣，就可以監(jiān)視泥石流的內(nèi)部參數(shù)和報(bào)告實(shí)時數(shù)據(jù)了。

這種特殊的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)為一個封裝在耐磨塑料外殼中的可移動無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其外殼應(yīng)可以抵御一定力量的碰撞、重量較輕、可以飄浮在水面上或能被泥石流攜帶移動，是一個低功耗的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器中應(yīng)集成有無線收發(fā)器，能夠?qū)崟r報(bào)告其經(jīng)緯度信息。為避免傳感器收集到的自身移動軌跡信息丟失，傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)也可以配置一定容量的可寫存儲空間以保存位置信息。在一般情況下，可移動無線傳感器在待機(jī)模式下運(yùn)行、僅偶爾與接收器進(jìn)行溝通，以便于節(jié)約能源。

當(dāng)有泥石流發(fā)生并逼近時，只要任一無線傳感器檢測到有泥石流產(chǎn)生的低頻振動，就將發(fā)送一個警告信息給接收器。接收器則決定是否要喚醒所有的無線傳感器。如果接收器喚醒了所有的無線傳感器，傳感器就進(jìn)入激活狀態(tài)，將把所有收集到的原始數(shù)據(jù)都發(fā)送給接收器，并與后臺計(jì)算機(jī)之間聯(lián)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算。

4 NAMWSN傳感器移動模型

在移動無線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常需要合適的移動模型來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由的部署研究。隨著越來越多的科學(xué)研究需要對流動液體中無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，跟隨流動液體進(jìn)行非自主性移動的移動模型研究也越來越受到關(guān)注。

對于非自主性移動無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說，如果預(yù)先得到傳感器漂流的軌跡，按照軌跡來部署接收器，可以增加無線傳感器與接收器通信的機(jī)會和時間。可以嘗試通過構(gòu)建傳感器的移動模型的方法來得到傳感器移動軌跡。

構(gòu)建非自主移動傳感器網(wǎng)絡(luò)移動模型的主要方法是，利用基于跟蹤的方法，以在真實(shí)環(huán)境中收集的信息為基礎(chǔ)來建立移動模型。首先使用GPS收集傳感器節(jié)點(diǎn)的移動軌跡，然后將這些軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)映射圖，最后構(gòu)建移動模型。

首先，用一個特殊的無線GPS傳感器取代傳統(tǒng)的固定傳感器，無線GPS傳感器可以隨著水流移動。將多個無線GPS傳感器投入水流中，它們可以隨著水流非自主性地移動，并且記錄下自身移動的軌跡。在河流的下游收集隨著水流移動到此的傳感器，并得到它們的移動軌跡。這個步驟可以重復(fù)多次，來收集多條軌跡信息。每條軌跡都將包含一系列的速度和方向的參數(shù)點(diǎn)。

然后，將收集到的GPS傳感器的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉不合理的數(shù)據(jù)，例如，有些GPS傳感器損壞無法發(fā)送回完整的軌跡信息、或者還有些GPS可能被障礙物困在河流中無法繼續(xù)移動造成GPS信息始終維持某固定值而不改變等。將合理的、完整的GPS傳感器運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以用于構(gòu)建一個水流的參數(shù)映射圖。這個參數(shù)映射圖是二維的，可以展示一些重要參數(shù)，例如在河流的不同位置水流的速度和方向等。

最后，通過建立的水流的參數(shù)映射圖，可以構(gòu)建出以其為基礎(chǔ)的傳感器移動模型，移動模型模擬了水流、泥石流等可能的運(yùn)動軌跡，從而可以得到非接收器自主移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化部署位置。

這里的移動模型是一個可以及時生成水流、泥石流等在時間和空間維度的運(yùn)動描述的函數(shù)。這個移動模型基于實(shí)際的水流或泥石流的運(yùn)動軌跡生成，其運(yùn)動可以用虛擬軌跡來描述，具體是通過算法隨機(jī)方式產(chǎn)生每一個點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。

移動模型的軌跡生成算法流程如下。

（1）初始化。從起始位置任意抽取一起始點(diǎn)；

（2）取得當(dāng)前點(diǎn)p^'_k處的速度和方向參數(shù)V_x，y和D_x，y值

（3）通過V_x，y和D_x，y得到該點(diǎn)的移動軌跡Movement，并得到下一點(diǎn)p^'_k+1；

（4）判斷p^'_k+1是否屬于有效區(qū)域，如果是繼續(xù)（5），如果不是，轉(zhuǎn)回p^'_k，生成一個彈跳軌跡p^'_k+1，再重復(fù)（4）；

（5）判斷p^'_k+1是否已經(jīng)到達(dá)目的地，如果不是，返回（2），如果是，接著（6）；

（6）輸出最后生成的軌跡。

移動模型軌跡生成函數(shù)可以生成一條從起始位置開始的虛擬運(yùn)動軌跡。

起始點(diǎn)可以從起始位置（投放GPS傳感器位置）隨機(jī)選取，虛擬運(yùn)動軌跡中的每一點(diǎn)均是逐點(diǎn)遞歸生成的。若當(dāng)前點(diǎn)為p^'_k，則p^'_k在下一秒鐘的移動軌跡可以利用速度和方向參數(shù)值V_x，y、D_x，y得到，如公式1所示，通過移動軌跡movement，可以來到下一軌跡點(diǎn)p^'_k+1。

movement=V_x，y×D_x，y 公式l

判斷軌跡點(diǎn)p^'_k+1是否是在有效區(qū)域內(nèi)，有效區(qū)域指已經(jīng)去除了有障礙、無水流通過等的部分區(qū)域。若p^'_k+1不屬于有效區(qū)域內(nèi)，則要返回p^'_k，生成一個彈跳軌跡。彈跳軌跡是在水流碰到障礙物或者堤岸時發(fā)生的，返回p^'_k時后，判斷其所在位置四周軌跡點(diǎn)數(shù)量，取其中軌跡點(diǎn)數(shù)量最多的點(diǎn)，視其為彈跳目的地，得到位于期間的軌跡點(diǎn)p^'_k+1。

接著判斷軌跡點(diǎn)p^'_k+1是否已經(jīng)到達(dá)目的地（回收GPS傳感器位置），若未到達(dá)目的地，則繼續(xù)重復(fù)上述算法步驟，直到p^'_k+1到達(dá)目的地為止。

利用移動模型的軌跡生成算法，基于實(shí)際泥石流的運(yùn)動軌跡，可以得到預(yù)測的虛擬泥石流運(yùn)動軌跡，這樣就可以得到最佳的接收器部署位置，提高和優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性和感應(yīng)區(qū)域。

5 結(jié)語

非自主性移動無線傳感網(wǎng)絡(luò)指無線傳感器受到自然界的外力或者某些無法控制的力量被動地進(jìn)行移動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。相較于傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，非自主性移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在河流、海洋和泥石流的現(xiàn)場監(jiān)測具有突出的優(yōu)勢。

非自主移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以利用現(xiàn)象內(nèi)部監(jiān)測的方式，讓無線傳感器隨著河流、海洋或泥石流一起移動，使其可持續(xù)地監(jiān)測內(nèi)部的信息，并且實(shí)時將信息回傳，直接監(jiān)測現(xiàn)象內(nèi)部的情形。

非自主移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境研究帶來了許多新的應(yīng)用，前景非常廣闊。例如，我們可以設(shè)計(jì)通過氣球攜帶無線傳感器在風(fēng)中漂浮，來監(jiān)測空氣質(zhì)量和天氣狀況；采用類似的技術(shù)，我們可以測量風(fēng)的氣流并形成一張三維參數(shù)映射圖，并為查看由自然災(zāi)害或者化學(xué)工廠造成的空氣污染作參考等。