无线传感器网络优化的应用与研究

阮兆忠

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

摘 要：随着微机电技术、嵌入式计算机技术、传感器技术等关键技术的发展与成熟，无线传感器网络技术得到极大发展，无线传感器网络环境适应能力逐渐增强，尤其在资源少、环境恶劣的无人区域具有较好的应用前景。笔者对无线传感器网络的体系结构进行了介绍，并对无线传感器网络优化算法及其应用进行了深入探讨。

关键词：无线传感器 网络优化 研究应用

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（c）-0085-02

无线传感器网络以收集目标信息为主要目的，具备监测、收集、处理、传输目标信息的能力，无线传感器网络更强调能源的高效利用。无线通信的发展在一定程度上促进了低功耗、多功能无线传感器网络的发展，无线传感器网络不需要预先安装且具有数据处理、短距离通信的功能，因此，在许多领域都得到了广泛应用。

1 无线传感器网络的体系结构

1.1 无线传感器网络系统结构

无线传感器网络中包含许多传感器节点，这些节点主要分布于监测区域内，在无线通信的辅助下形成网络系统，能够采集并处理在网络覆盖区域内被感知对象的信息，并传送给监测者，完成无线传感监测的工作[1]。

无线传感器网络系统结构如图1所示，主要包含无线传感器节点、汇聚节点与管理节点。无线传感器节点是其中最为重要的组成部分，主要由传感器模块、无线通信模块、处理器模块与能量供应模块组成。传感器模块主要用于采集待测区域内的信息并对相关数据进行转换，无线通信模块能够与其他无线通信传感节点进行信息的交换、接收与发送等操作，处理器模块则主要负责无线传感器节点的存储与处理，能量供应模块则是无线传感器节点运行能量的来源，这四个模块相互独立又相互依存，共同组成了无线传感器节点[1]。汇聚节点在无线传感器网络中承担着链接作用，主要负责信息的汇集工作，当无线传感器节点收集信息后，汇聚节点开始工作将信息汇集到一起，通过无线通信的方式将这些信息传送到管理节点。在这个过程中，无线传感器节点监测数据会沿其他节点进行传输，在传输过程中监测数据也有可能受到其他因素影响，在无线传感器节点收集后经多条路到达汇聚节点，而后通过互联网或卫星等到达管理节点。管理节点是无线传感器网络的最后一环，属于终端监测平台，用户在管理节点处完成对无线传感器网络的配置与管理工作，并将最终的监测数据进行处理分析，形成监测任务发布出去，完成无线传感器传输的工作。

1.2 无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈如图2所示，主要由多个管理层构成，包括物理层、网络层、传输层等，这一点与互联网协议栈的协议层是极为相近的[1]。此外，无线传感器网络协议栈还由一些管理平台组成，如能量管理平台、移动管理平台与任务管理平台等，这些管理平台能够调节传感器节点，使其更为高效地协同工作，并在不断变化的传感器网络中收集数据、传输数据，实现多资源的共享，促使无线传感器网络能够更为高效地运行。

2 无线传感器网络优化算法研究

2.1 移动代理路由算法研究

由于传感器有一定的传感范围，在限定的传感器节点周围能够接收到较强的信号，但是与目标距离较远的节点在检测信号时就只能接收到较弱的信号甚至检测不到信号。传感节点能够感知的目标信号强度可以用能量级表示，在无线传感器网络监测时需要格外重视能量级较高的传感节点，并尽可能地忽略能量级较低的传感节点，为了达到这一目的，可以采用移动代理路由算法，使无线传感器网络尽量多地访问能量级高的传感节点，使这些节点能够更为高效地为无线传感器网络服务，完成节点的数据融合工作[2]。移动代理路由算法主要是以特定数据为基础，构造数据表，并对相关目标节点的信息进行收集处理，进而获取目标节点到处理节点的最佳路径，同时还需要对这些目标节点的能量级进行分析，并以这些基本信息为基础，从处理节点出发通过移动代理依次访问目标节点，最终返回处理节点的路由，实现无线传感器网络的优化。通过移动代理路由算法可以获得移动代理所经过的最佳路由节点序列，并以此为依据拟合出一条曲线，完成移动代理从静态路由向动态路由的转换。

2.2 节点重要性评估算法研究

节点如果失效对无线传感器网络性能的影响即为节点的重要性，因此，对节点的重要性进行评估也可以用于无线传感器网络的优化。由于无线传感器网络相对复杂，在进行节点重要性评估时需要在结构复杂的网络中快速地找到关键节点，一般的，节点重要性评估算法是运用平均路径长度、网络直径等指标作为衡量标准，在进行节点重要性评估时需要按照次序将关键节点一一排除，这样极有可能造成网络断裂，进而无法区分关键节点的重要性，因此，利用节点重要性评估算法优化无线传感器网络存在一定的局限性[1]。

2.3 混合基站数据收集算法研究

由于无线传感器网络系统较为复杂，传感器节点的工作环境比较复杂，这样一来替换节点电池或对电池进行充电都非常困难，因此，在优化无线传感器网络时需要有意识地延长网络寿命。混合基站数据收集算法在监控区域中布置了移动基站口可以用于数据信息的收集，进而延长网络寿命，同时提高网络的性能[1]。同时，不同类型的基站能够互相补充，一方面固定基站可以在一定程度上延迟网络通信，使其可以处于一个安全范围内，另一方面移动基站在无线传感器网络中能够自由移动，近距离地接触源节点，有效减少数据在网络中传输的距离，降低网络能耗的同时提高数据的安全性。由此可以看出，不同类型的混合基站收集数据更加地高效，具有适时性。

3 无线传感器网络优化的应用

由于无线传感器网络的工作环境较为复杂，且节点的计算资源存在一定的局限性，拓扑动态存在不确定性，这样一来，在实际应用无线传感器网络时就常需要对其进行优化。传统的建模计算等方式无法完全解决无线传感器网络问题，现代优化算法能够有效提高网络的效率与准确性，促进了无线传感器网络应用范围的扩大。就目前无线传感器网络优化的应用情况来看，以数学方法等技术为基础改进现有的优化算法来简化无线传感器网络的有效途径，通过优化无线传感器网络，可以有效提高求解质量与效率[2]。

无线传感器网络技术的快速发展，对人们的生活方式产生了巨大的影响，无线传感器网络在智能交通领域得到了广泛的应用，在智能交通系统中，探测路面与车辆数据的传感器都是通过有线连接的，这在很大程度上限制了智能交通系统的灵活性，监测范围也存在局限性。将无线传感器网络应用到交通系统中，可以扩大信息采集的范围，控制路口信号设备，降低车辆在路口的停车等待时间，同时有效监测实时交通负荷情况，为驾驶者提供行车路径，提高道路通行效率。

为了更好地利用无线传感器网络，需要进一步利用并行分布式计算技术，提高现代优化算法的实时响应能力，促使无线传感器网络算法效率与准确性的提升。

4 结语

无线传感器网络是在传感器基础上发展而来的一种新型网络技术，具有随机分布性、协作性、低成本以及地域无限制的特性，这也进一步促进了无线传感器网络的深入应用，对人们的生活产生了极大地影响。无线传感器网络在一定程度上受到资源的限制，为了提高无线传感器网络的效率，需要对其进一步算法优化，使无线传感器网络的应用范围得到进一步的拓展。

参考文献

[1] 朱艺华，徐骥，田贤忠，等.无线传感器网络应用简单Reed-Solomon编码的低能耗和低时延可靠数据收集方案[J].计算机学报，2015（10）：2106-2124.

[2] 谢和平，周海鹰，左德承，等.无线传感器网络能量优化与建模技术综述[J].计算机科学，2012（10）：115-117.