無線傳感器網絡優化的應用與研究

阮兆忠

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.085

摘 要：隨著微機電技術、嵌入式計算機技術、傳感器技術等關鍵技術的發展與成熟，無線傳感器網絡技術得到極大發展，無線傳感器網絡環境適應能力逐漸增強，尤其在資源少、環境惡劣的無人區域具有較好的應用前景。筆者對無線傳感器網絡的體系結構進行了介紹，并對無線傳感器網絡優化算法及其應用進行了深入探討。

關鍵詞：無線傳感器 網絡優化 研究應用

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0085-02

無線傳感器網絡以收集目標信息為主要目的，具備監測、收集、處理、傳輸目標信息的能力，無線傳感器網絡更強調能源的高效利用。無線通信的發展在一定程度上促進了低功耗、多功能無線傳感器網絡的發展，無線傳感器網絡不需要預先安裝且具有數據處理、短距離通信的功能，因此，在許多領域都得到了廣泛應用。

1 無線傳感器網絡的體系結構

1.1 無線傳感器網絡系統結構

無線傳感器網絡中包含許多傳感器節點，這些節點主要分布于監測區域內，在無線通信的輔助下形成網絡系統，能夠采集并處理在網絡覆蓋區域內被感知對象的信息，并傳送給監測者，完成無線傳感監測的工作[1]。

無線傳感器網絡系統結構如圖1所示，主要包含無線傳感器節點、匯聚節點與管理節點。無線傳感器節點是其中最為重要的組成部分，主要由傳感器模塊、無線通信模塊、處理器模塊與能量供應模塊組成。傳感器模塊主要用于采集待測區域內的信息并對相關數據進行轉換，無線通信模塊能夠與其他無線通信傳感節點進行信息的交換、接收與發送等操作，處理器模塊則主要負責無線傳感器節點的存儲與處理，能量供應模塊則是無線傳感器節點運行能量的來源，這四個模塊相互獨立又相互依存，共同組成了無線傳感器節點[1]。匯聚節點在無線傳感器網絡中承擔著鏈接作用，主要負責信息的匯集工作，當無線傳感器節點收集信息后，匯聚節點開始工作將信息匯集到一起，通過無線通信的方式將這些信息傳送到管理節點。在這個過程中，無線傳感器節點監測數據會沿其他節點進行傳輸，在傳輸過程中監測數據也有可能受到其他因素影響，在無線傳感器節點收集后經多條路到達匯聚節點，而后通過互聯網或衛星等到達管理節點。管理節點是無線傳感器網絡的最后一環，屬于終端監測平臺，用戶在管理節點處完成對無線傳感器網絡的配置與管理工作，并將最終的監測數據進行處理分析，形成監測任務發布出去，完成無線傳感器傳輸的工作。

1.2 無線傳感器網絡協議棧

無線傳感器網絡協議棧如圖2所示，主要由多個管理層構成，包括物理層、網絡層、傳輸層等，這一點與互聯網協議棧的協議層是極為相近的[1]。此外，無線傳感器網絡協議棧還由一些管理平臺組成，如能量管理平臺、移動管理平臺與任務管理平臺等，這些管理平臺能夠調節傳感器節點，使其更為高效地協同工作，并在不斷變化的傳感器網絡中收集數據、傳輸數據，實現多資源的共享，促使無線傳感器網絡能夠更為高效地運行。

2 無線傳感器網絡優化算法研究

2.1 移動代理路由算法研究

由于傳感器有一定的傳感范圍，在限定的傳感器節點周圍能夠接收到較強的信號，但是與目標距離較遠的節點在檢測信號時就只能接收到較弱的信號甚至檢測不到信號。傳感節點能夠感知的目標信號強度可以用能量級表示，在無線傳感器網絡監測時需要格外重視能量級較高的傳感節點，并盡可能地忽略能量級較低的傳感節點，為了達到這一目的，可以采用移動代理路由算法，使無線傳感器網絡盡量多地訪問能量級高的傳感節點，使這些節點能夠更為高效地為無線傳感器網絡服務，完成節點的數據融合工作[2]。移動代理路由算法主要是以特定數據為基礎，構造數據表，并對相關目標節點的信息進行收集處理，進而獲取目標節點到處理節點的最佳路徑，同時還需要對這些目標節點的能量級進行分析，并以這些基本信息為基礎，從處理節點出發通過移動代理依次訪問目標節點，最終返回處理節點的路由，實現無線傳感器網絡的優化。通過移動代理路由算法可以獲得移動代理所經過的最佳路由節點序列，并以此為依據擬合出一條曲線，完成移動代理從靜態路由向動態路由的轉換。

2.2 節點重要性評估算法研究

節點如果失效對無線傳感器網絡性能的影響即為節點的重要性，因此，對節點的重要性進行評估也可以用于無線傳感器網絡的優化。由于無線傳感器網絡相對復雜，在進行節點重要性評估時需要在結構復雜的網絡中快速地找到關鍵節點，一般的，節點重要性評估算法是運用平均路徑長度、網絡直徑等指標作為衡量標準，在進行節點重要性評估時需要按照次序將關鍵節點一一排除，這樣極有可能造成網絡斷裂，進而無法區分關鍵節點的重要性，因此，利用節點重要性評估算法優化無線傳感器網絡存在一定的局限性[1]。

2.3 混合基站數據收集算法研究

由于無線傳感器網絡系統較為復雜，傳感器節點的工作環境比較復雜，這樣一來替換節點電池或對電池進行充電都非常困難，因此，在優化無線傳感器網絡時需要有意識地延長網絡壽命。混合基站數據收集算法在監控區域中布置了移動基站口可以用于數據信息的收集，進而延長網絡壽命，同時提高網絡的性能[1]。同時，不同類型的基站能夠互相補充，一方面固定基站可以在一定程度上延遲網絡通信，使其可以處于一個安全范圍內，另一方面移動基站在無線傳感器網絡中能夠自由移動，近距離地接觸源節點，有效減少數據在網絡中傳輸的距離，降低網絡能耗的同時提高數據的安全性。由此可以看出，不同類型的混合基站收集數據更加地高效，具有適時性。

3 無線傳感器網絡優化的應用

由于無線傳感器網絡的工作環境較為復雜，且節點的計算資源存在一定的局限性，拓撲動態存在不確定性，這樣一來，在實際應用無線傳感器網絡時就常需要對其進行優化。傳統的建模計算等方式無法完全解決無線傳感器網絡問題，現代優化算法能夠有效提高網絡的效率與準確性，促進了無線傳感器網絡應用范圍的擴大。就目前無線傳感器網絡優化的應用情況來看，以數學方法等技術為基礎改進現有的優化算法來簡化無線傳感器網絡的有效途徑，通過優化無線傳感器網絡，可以有效提高求解質量與效率[2]。

無線傳感器網絡技術的快速發展，對人們的生活方式產生了巨大的影響，無線傳感器網絡在智能交通領域得到了廣泛的應用，在智能交通系統中，探測路面與車輛數據的傳感器都是通過有線連接的，這在很大程度上限制了智能交通系統的靈活性，監測范圍也存在局限性。將無線傳感器網絡應用到交通系統中，可以擴大信息采集的范圍，控制路口信號設備，降低車輛在路口的停車等待時間，同時有效監測實時交通負荷情況，為駕駛者提供行車路徑，提高道路通行效率。

為了更好地利用無線傳感器網絡，需要進一步利用并行分布式計算技術，提高現代優化算法的實時響應能力，促使無線傳感器網絡算法效率與準確性的提升。

4 結語

無線傳感器網絡是在傳感器基礎上發展而來的一種新型網絡技術，具有隨機分布性、協作性、低成本以及地域無限制的特性，這也進一步促進了無線傳感器網絡的深入應用，對人們的生活產生了極大地影響。無線傳感器網絡在一定程度上受到資源的限制，為了提高無線傳感器網絡的效率，需要對其進一步算法優化，使無線傳感器網絡的應用范圍得到進一步的拓展。

參考文獻

[1] 朱藝華，徐驥，田賢忠，等.無線傳感器網絡應用簡單Reed-Solomon編碼的低能耗和低時延可靠數據收集方案[J].計算機學報，2015（10）：2106-2124.

[2] 謝和平，周海鷹，左德承，等.無線傳感器網絡能量優化與建模技術綜述[J].計算機科學，2012（10）：115-117.