一種性能優越的物聯網節點最優控制方法設計

張仕鵬， 左嘉志， 裴歡， 陳柏良

(中國能源建設集團，廣東省電力設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510663)

0 引言

隨著無線傳感技術、通信技術以及人工智能技術的不斷發展和融合，出現了物聯網技術，尤其是近年來，物聯網技術得到了飛速發展，相對于其他網絡，物聯網的組網形式更加靈活、方便，抗干擾能力強，在許多領域得到了廣泛應用[1-3]。在物聯網的實際應用中，其不斷對監測區域的目標以及對象信息進行采集，并將信息通過一定的路徑發送到物聯網管理中心。不同的節點可以組成不同的物聯網數據發送路徑，但是節點易被外界非法攻擊，使得有的節點易失效，數據傳輸的成功率下降，為了提高物聯網通信效果，需要對物聯網節點進行控制，以保證數據傳輸的可靠性[4-6]。

為了獲得理想的物聯網通信效果，國內外許多學者對物聯網節點的控制問題進行了廣泛的研究，西方一些發達國家的物聯網使用更早，物聯網節點控制技術更加成熟，如基于最短路徑的物聯網節點最優方法；基于通信成本最低的物聯網節點最優方法；基于數據傳輸時間最短的物聯網節點最優方法和基于最短路徑的物聯網節點最優方法等[7-9]，而國內由于物聯網起步比較晚，因此物聯網節點控制研究的歷史較短，但亦出現了許多物聯網控制技術，如有基于群智能算法的物聯網節點最優方法；基于鏈路均衡的物聯網節點最優方法等，它們均有自己的優勢[10-11]，同時具有各自的不足，如節點控制誤差大，控制時間長，無法進行高效物聯網節點控制，物聯網節點的控制問題有待進一步研究[12]。

針對當前物聯網節點最優控制方法存在的控制準確性差，控制效率低等不足，以提高物聯網節點控制精度，提出了一種性能優異的物聯網節點最優控制方法。首先根據路由探測協議收集節點位置和相鄰區域內的節點信號，采用小波分析技術提取節點信號特征，然后采用時間動態匹配算法選擇最優路由節點，建立物聯網數據傳輸的最優路徑，最后與其他物聯網節點控制方法進行了對比實驗，證明了本文方法在物聯網節點控制精度和控制效率方面的優越性。

1 性能優越物聯網節點最優控制方法的具體設計

1.1 建立物聯網節點的匯聚鏈路模型

在一個物聯網中，包括了許多傳感器節點，這些傳感器節點具有數據采集和通信性能，要進行高精度的物聯網節點控制，那么要建立物聯網節點匯聚鏈路模型。設物聯網由N個無線傳感器節點組成，這些無線傳感器節點分布在一個正方形區域內，這些節點位置固定，并且能量分配的初值是相同的，通常情況，還包括一個基站，基站的能量足夠而且不受限制[13]，第i個物聯網節點有多個鄰居節點，一個物聯網劃分多個簇，每一個簇有一個簇首，節點之間數據傳輸的間隔跳數為Tf，消耗功率為Ts=NfTf，其中Nf表示第一跳消耗的功率，基于節點傳輸功率博弈分析算法，全部節點消耗能量計算式為式(1)。

(1)

式中，Tc表示第c簇所有節點消耗功率；k表示簇首數量；ent()表示取整操作。

(2)

式中，γi為傳感系數，節點能量均勻控制目標函數為式(3)。

(3)

(4)

利用節點數據的匯聚過程，建立物聯網節點的匯聚鏈路模型。

1.2 建立物聯網數據的路由探測協議

M1,M2,…,MN代表物聯網的拓撲架構節點，K{ri}表示物聯網通信區域的節點分布密度，當物聯網的拓撲架構最優時，通信信道ri(x)是一條雙向通道，可以表示為mu(i,x)+np，根據匯聚鏈路模型得到節點傳輸的差異性特征函數為式(5)。

Es(j)={(u,v)∈E|u∈Vs(j),v∈Vs(j)}

(5)

由于物聯網中存在的路由修復節點，節點匯聚鏈路增益控制可以表示為式(6)。

(6)

根據雙向鏈路模型對路由探測協議進行設定，簇首傳輸數據的精準性為式(7)。

(7)

(8)

第j個參考節點的均勻互信息量計算式為式(9)。

Ri(k)=diag{r(i-1)q+1(k),r(i-1)q+2(k),…,r(i-1)q+q(k)}

(9)

計算鄰居節點路徑優化控制誤差，根據誤差建立物聯網的節點之間關聯性匹配函數，實現路由探測協議設計。

1.3 物聯網節點控制

通過路由探測協議得到節點信號評測結果，采用動態決策算法實現物聯網節點最優控制。

(1) 物聯網節點信號處理。物聯網節點信號存在衰落現象，對物聯網節點控制時，需要對信號進行相應的處理。小波分析技術不僅可以對節點信號進行多尺度分析，而且還可以描述節點信號變化特征。小波基函數表示為式(10)。

(10)

式中，a,b分別為小波分析的平移和伸縮因子。

對于信號f(t)∈L2(R)，連續小波分析為式(11)。

(11)

小波分析的重構定義如式(12)。

(12)

由于物聯網信號為離散信號，需要進行離散化處理，離散小波定義如式(13)。

(13)

離散化小波轉換為式(14)。

(14)

離散化小波的重構為式(15)。

(15)

通過小波分析技術可以將物聯網節點信號劃分為高頻與低頻特征信號，分解的尺度越大，那么信號更加細化，這樣可以對物聯網節點信號衰落點進行加權處理，并通過離散化小波的重構使得物聯網節點信號比較完整。

(2) 采用動態決策算法根據時間對節點信號之間特征進行匹配，模板特征信號序列T為式(16)。

T:{b1,b2,…,bj,…,bM}

(16)

式中，bj表示物聯網的第i個節點信號特征；M表示信號特征數量。

根據匹配結果進行物聯網節點信號精準控制。c(k)為節點序列間的映射，匹配函數為式(17)。

F={c(k),1≤k≤K}

(17)

式中，c(k)=(i(k),j(k))，K表示節點序列的匹配路徑點數。

計算未知序列與模板間的歐式距離為式(18)。

(18)

當某個節點d的值越小，則表示那個節點通信最優，可以包含在最優路徑中，存在式(19)。

(19)

式中，w(k)為權重系數。

通過動態變換模式可以得到物聯網通信的最優路徑DT。

2 仿真實驗

2.1 實驗環境

為了測試本文設計的物聯網節點最優控制效果，進行具體仿真測試實驗，選擇當前經典的物聯網節點最優控制方法：文獻[11]和文獻[12]進行對照實驗。它們的測試環境為Intel 4核 2.6 GH CPU，8 GB的DDR 4 000內存，Windows的個人計算機，采用MATLAB 2017進行編程實現仿真實驗。

2.2 不同物聯網節點控制方法的消耗總功率

在一個物聯網中，所有傳感器節點初始功率相同，隨著工作時間的變化，不同物聯網節點控制方法節點功率變化曲線，如圖1所示。

圖1 不同方法的物聯網節點總功率變化曲線

對圖1的節點功率變化曲線進行分析可以發現，隨著工作時間的不斷增加，所有節點的總功率不斷減少，對比方法的節點功率減少趨勢十分明顯，呈直線方式下降，而本文物聯網節點最優控制方法的節點功率減少比較緩慢，節點總功率降低量小，使得節點總功率始終要高于對比方法，這主要是由于本文方法可以對物聯網節點進行高精度的控制，獲得了十分理想的物聯網節點控制效果，驗證了本文提出的物聯網節點最優控制方法的優越性。

2.3 不同物聯網節點控制方法的節點路由最優路徑

為了進一步測試不同物聯網節點控制方法的性能，計算它們的節點路由最優路徑，隨著時間的不斷變化，所有方法節點路由最優路徑變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同方法的物聯網節點最優路徑變化曲線

對圖2的節點路由最優路徑進行對比和分析可以發現，在不同時間段，本文提出的物聯網節點最優控制方法的節點路由最優路徑最短，基本上穩定在1.5 m左右，而對比方法的節點路由最優路徑最短變化幅度比較大，且極不穩定，而且距離遠遠長于本文方法的節點路由最優路徑，同時從圖2可以看出，相對于對比方法，本文物聯網節點最優控制方法找到最優路徑的時間明顯縮短，提高了物聯網節點控制效率。

3 總結

針對當物聯網節點控制過程中存在的一些難題，為了獲得最優的物聯網節點控制效果，本文提出一種性能優越的物聯網節點最優控制方法。首先建立物聯網節點控制的匯聚鏈路模型，并設計了相應的路由探測機制，采集節點位置信息和鄰域節點相關信號，然后引入小波分析技術提取物聯網節點信號的特征，并采用時間動態匹配算法分析節點信號與特征之間的關系，選擇最優物聯網數據傳輸路徑，從而實現了物聯網節點的最優控制，最后仿真對比實驗結明，本文方法的物聯網節點控制功率低，獲得物聯網最優節點控制耗時少，是一種精度高、速度快的物聯網節點最優控制技術，具有十分廣泛的實際應用前景。