無線傳感器網絡智能信息處理研究

摘要：無線傳感器網絡是信息技術高速發展的產物。由于無線傳感器網絡本身具有小型化低成本的特點，不僅能夠實現通信協議結合網絡特征完成相關操作命令，還能具有較高數據存儲以及數據處理能力。隨著時代的發展，傳統無線傳感器網絡在數據壓縮以及數據存儲查詢中存在滯后性。因此本文重點分析當今時代無線傳感器網絡智能信息處理技術。

關鍵詞：無線傳感器；網絡；智能信息處理；優化措施；現實困境

本文結合無線傳感器網絡信息處理中的信息壓縮分布式存儲以及數據融合等多個領域開展相關研究，提出分布式小波數據壓縮算法、分布式小波變換以及WSN信息處理智能方法。確保無線傳感器節點降低通信能耗的同時，提高其數據計算能力。

一、無線傳感器網絡概述

近些年來我國科學技術的高速發展，傳感器集成電路、無線通信等領域實現產業融合，不斷開發出低功耗多功能的微型無線傳感器。這些傳感器不僅具備數據實時收集的功能，而且還能夠協同開展有關合作，幫助技術人員完成各項任務目標。這些無線傳感器能夠組建無線傳感器網絡，以此確保數據處理的高效便捷[1]。從本質上來講，無線傳感器網絡是由大量具有計算功能的傳感器節點構成的分布式網絡系統。通過無線通信方式能夠結合實際情況采集任意一個區域的數據信息，并將相關信息傳輸至管理平臺，以便于技術人員靈活調用。由于無線傳感器網絡中每一個傳感器節點具有低耗能以及造價較低的特點，因此無線傳感器網絡被廣泛運用在我國各個領域當中[2]。以農業為例，有關部門利用無人機播撒并在監測區域內引導傳感器組件組成無線通信網絡。同時還在周邊區域放置基站，并通過衛星以及無線網絡構建控制中心服務器。技術人員如若有任何命令，都可利用計算機平臺對其實施遠程監控，以此從多個維度觀察當前農業區域的植物生長以及病蟲害現象[3]。此外，無線傳感器網絡在不同應用場景中，其組成節點各不相同，但這些節點大多由數據傳輸單元、處理單元、采集單元等部分組成。例如數據采集單元包含一個低功耗的微處理器，能夠滿足各類數據信息處理的功能。此外如若技術人員需要無線傳感器網絡中各個節點具備定位功能，則還需為其設計定位系統，以此執行相應的控制功能[4]。從OSI7層模型角度來看，該7層模型中物理層負責無線傳感器網絡數據信息的調制發送與接收相關功能、數據鏈路層則包含媒介訪問控制、網絡傳輸層能夠實現數據在所有網絡節點中的傳輸。而傳輸協議層能夠實現該無線傳感器網絡與其他互聯網平臺之間的互聯互通，能夠引導設計人員足不出戶就可對整個無線傳感器網絡進行實時控制[5]。

二、無線傳感器網絡特點

無線傳感器網絡在現實生活中擁有較大應用，例如無線局域網，藍牙網絡等等。這些網絡的設計目標是在高度移動環境中能夠獲得對于數據資源最大帶寬的利用率，以此為用戶開展各項活動提供有效的保障。我國傳統無線網絡中各個傳感器節點具備一定的數據處理以及存儲能力，但依舊難以有效滿足預期需求[6]。無線傳感器網絡需要確保自身在使用過程中能夠確保能源的高效利用，因此無線傳感器網絡相比于無線網絡，具有能源高效利用的特點，這也是二者之間的本質區別，總的來講無線傳感器網絡具有以下幾個特點：

（一）規模較大

從實際情況來看，由于部分監測工作開展通常位于面積較大的區域。因此為了獲得準確信息監測區域，當中通常會被部署大量的傳感器節點，甚至能夠達到成千上萬個。例如在森林火災監測以及環境監測領域中就會廣泛使用傳感器節點[7]。

（二）網絡自組

無線傳感器網絡部署過程中不需依賴各種網絡設施，而是通過分層協議以及分布式算法的方式引導各個節點開啟之后便可獨立自發地形成網絡。為了進一步確保無線傳感器節點監測數據的準確性，還需技術人員做好環境自動配置以及容錯相關工作，防止節點失效后其他節點補充到網絡過程中與其他節點相關數據不匹配[8]。

（三）硬件資源有限

由于無線傳感器節點自身體積較小，內部存儲空間有限，因此無線傳感器節點數據計算以及數據處理能力相對較弱，設計人員需要在操作系統設計過程中盡量避免應用復雜的協議層次[9]。

（四）電源容量有限

雖然無線傳感器節點數量眾多，但由于傳感器節點本質上是由電池供電的元器件設備，因此電池容量通常較小。如若傳感器節點耗電完畢，將難以繼續開展相關工作，因此設計人員需要確保技術和協議在使用過程中以節能為相關工作開展的重點[10]。

（五）動態拓撲

從本質上來講，無線傳感器網絡是一個動態的網絡，在實際工作中可能會因某一個無線傳感器節點失效而對有關工作開展造成阻礙。當某一節點失效后，其他節點會自動添加進來。此時為了確保原有工作穩步開展，需要為無線傳感器網絡設計動態拓撲組織功能[11]。

（六）以數據為中心的網絡

傳感器節點本質上是隨機部署的，其節點編號之間的關系是動態的。無線傳感器網絡以數據為中心，因此節點需要具備融合聚合以及緩存等相關功能。

總體來講，無線傳感器網絡相比于傳統網絡，具有可拓展性較強，實時性較強的特點，設計人員在設計無線傳感器節點性能指標過程中，還需從經濟效益角度以及功能角度等多個維度出發。近些年來隨著社會經濟以及信息技術的高速發展，設計人員需要探究如何進一步提高無線傳感器網絡智能信息處理能力，以此確保降低研發生產成本的同時提高工作效率。

二、無線傳感器網絡信息處理現狀

（一）數據壓縮、解壓縮

數據壓縮和解壓縮應用主要體現在技術人員對檢測目標的結果感興趣，而不會關注具體應用場合。例如我國某區域需要開展關于生物棲息地的相關監測活動，觀察某地在一段時間內野生生物的數量，與此同時還需關注這類野生生物的生活習性，此時利用傳統的數據壓縮和解壓縮技術將難以滿足預期目標。因此有關人員需要在傳感器節點處進行壓縮和解壓縮處理，例如在傳感器節點發送數據前首先需要對數據進行壓縮。雖然這種行為一定程度上增加了傳感器節點處理器的工作負擔，但相比于傳輸原始數據所消耗的能量顯著減少。隨著時代的發展，國外學者基于數據相關性設計了分別基于數據相關性、編碼方式以及性能優化的壓縮算法。以數據相關性壓縮算法為例，在傳感器節點開展相關工作過程中，通過壓縮數據和未壓縮數據之間的相關性恢復原始數據。倘若相關性較低，沒有足夠信息能夠進行壓縮處理時，此方法能耗較低，倘若數據之間的相關性較高，數據在壓縮過程中相比于傳統方式能夠節省大量能耗。以性能優化壓縮算法為例，設計人員可以將傳感器數據存儲于網絡當中。結合網絡延遲值，通過管道壓縮方法將各類數據進行整合，以此減少節點之間的通信量。同時這種壓縮算法還可以與其他高效路由算法相結合，以此進一步減少能耗。

（二）分布式數據存儲與查詢

從數據庫數據存儲角度來看，無線傳感器網絡本質上是一個分布式數據庫系統。每個無線傳感器節點可以看作為存儲小部分數據的模塊，無線傳感器網絡處理方式與傳統網絡處理方式不同。例如在每個無線傳感器節點查詢數據時，本地會對查詢操作命令進行響應，并處理相關數據以此產生查詢結果。但由于無線傳感器節點受到系統性能以及體積的影響，因此為了進一步確保分布式數據存儲與查詢功能的有效進行，需要確保無線傳感器節點數據的高效存儲和高效查詢功能。

（三）分布式數據融合

分布式數據融合是有效減少無線傳感器網絡中數據通信量的重要途徑之一。從本質上來講，無線傳感器中傳感數據會由其子節點朝著父節點方向傳輸，在父節點處對相關數據進行融合處理。由于父節點會將所有原始數據統一進行計算和處理，因此這種方式能夠大大降低無線傳感器節點在通信過程中出現的冗余數據，最終一定程度上延長無線傳感器節點的使用壽命。當前根據無線傳感器網絡的實際需求可以劃分出多種數據融合算法，例如以數據為中心、基于剩余能量以及基于性能的融合算法等等。

三、分布式小波數據壓縮

本節重點介紹分布式小波數據壓縮算法，該算法能夠使得小波變換的計算量分布于各個無線傳感器節點當中，能夠有效降低分布式數據壓縮算法在性能方面的差異。在實際工作中，由于無線傳感器節點受到體積影響，其性能十分有限。無論是存儲容量還是通信帶寬，都需要結合實際工作情況進行設計。例如，設計人員難以通過無線傳感器節點實現各個節點單獨傳輸數據并匯集的功能。產生這一現象的主要原因是這種方式會導致無線傳感器節點浪費其通信帶寬，倘若消耗過多能量將影響無線傳感器節點自身使用壽命。其次這種方式降低了信息收集的效率，由于多個節點同時傳輸數據，會增加數據鏈路層的調試難度，從而降低通信效率。因此為了確保新時代下無線傳感器網絡信息處理能力，能夠朝著智能化方向發展，需要技術人員開發基于提升格式的分布式小波數據壓縮算法。這種算法能夠將傳統小波變換融入無線傳感器網絡當中，使得小波算法的計算量能夠分布在各個無線傳感器節點，使得無線傳感器節點能夠依托自身計算性能滿足相關工作需求，有效避免數據來回傳輸的現象，消除無線傳感器節點之間信息冗余的現象。

四、分布式小波變換

（一）分布式小波變換

典型的無線傳感器網絡通信模式是由多個傳感器節點向一個匯聚節點發送數據，但由于這種方式會在短時間內產生大量的信息量，并且每一個無線傳感器節點自身數據計算以及處理能力又十分有限，因此必須使用分布式小波算法才能夠確保相關工作的順利開展。分布式小波變換的原理在于將小波變換計算量，分散到各個節點，直接使得各個無線傳感器節點能夠共同完成小波分解計算。無線傳感器網絡中的每一個傳感器節點都可以看作是信號向量的一個分量，設計人員需要將節點集分成偶數節點和奇數節點。偶數節點在采集信息數據后，需要將其傳輸給相鄰奇數節點，最后形成一級小波分解系數。這種方式相比于原始數據傳輸能夠減少較多數據信息。隨后技術人員需要重復上述步驟，將系數傳輸到上層節點，再將其分成偶數節點和奇數節點。最終通過反復重復的方式使得每一個傳感器節點的計算量較少。倘若技術人員需要得到原始信息，只需要在無線傳感器節點中進行小波反變換。

（二）5/3分布式小波壓縮

雖然分布式小波變換實現相對簡單，但其壓縮效果依舊有限。因此為了進一步提高數據的壓縮效果需要采取5/3整數小波變換并解決5/3整數小波變換存在的諸多問題。例如5/3整數小波變換過程中無線傳感器節點之間會來回傳輸數據產生大量的通信能量，這些通信能量必然影響無線傳感器節點的工作性能。因此利用5/3分布式小波壓縮時需要注意其收斂速度。

五、WSN信息處理智能方法設計

（一）WSN信息處理建模

從本質上來講，傳感器節點傳輸的數據是由現實生活中已經發生或即將發生的事件組成，不同功能以及類型的傳感器會記錄不同事件所產生的數據。但由于實際生活中各項事物發生存在不確定性，并且由于無線傳感器節點自身計算能力和數據處理能力有限，導致節點本身存在不穩定性，最終使得無線傳感器節點在工作過程中出現了不完整的模糊信息。因此為了解決無線傳感器節點的現實困境，并提高節點信息處理功能，需要建立分布式計算模型。該模型中設計人員需要確保每一個無線傳感器節點都能夠被視作為獨立的對象個體。傳感器需要結合所在物理環境以及監測正在發生的事件，根據事件本身的屬性傳輸相關數據。

（二）層次型智能信息處理

無線傳感器網絡本身擁有眾多節點，這些節點之間存在著較為松散的耦合。并且由于這些節點自身信息處理能力較差，即便通過集中控制的方式也難以滿足智能信息處理要求。因此設計人員需要將無線傳感器網絡組成簇層次結構。簇層次結構能夠有效減少數據傳輸過程中的能量消耗，例如簇層次結構能夠使得相鄰無線傳感器節點按照某種標準動態形成不同的簇。隨后結合能量資源實際情況自動將某一節點作為簇頭，簇頭能夠在層次方面代表本簇，最終將無線傳感器網絡形成層次結構。這種層次結構是以數據為中心，以決策表信息系統為形式的結構主體。技術人員通過局部化原理能夠實現無線傳感器節點與有線鄰居節點之間的數據交互，并且簇頭可以向其他節點轉發有關數據。此外，該無線傳感器網絡的全部簇頭都會指向一個子集，該子集負責與sink節點發送數據。最終能夠實現智能化信息處理，減少能源消耗，以此提高系統性能。

六、結束語

綜上所述，無線傳感器網絡為人類社會帶來巨大便利。當今時代隨著信息技術的不斷發展，探究無線傳感器智能信息處理技術成為廣大科研人員工作開展的重點。科研人員還需結合無線通信鏈路影響因素以及節點關聯規則進一步優化原有信息處理策略。

作者單位：李淳 國家開發銀行陜西分行

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李淳（1980.12.25-），男，漢族，江蘇徐州，研究生，工程師、經濟師，研究方向：通信工程、流媒體技術、語音與圖像處理、智能信息處理。