基于物联网监测拓扑可靠性设计与优化研究

沈燕

江苏省南通中等专业学校

基于物联网监测拓扑可靠性设计与优化研究

沈燕

江苏省南通中等专业学校

物联网监测系统具有较强的综合防范能力，通过传输网络、监控平台以及动态录像能够提高系统的安全性，在校车运营监管、仓储管理、城市交通管理等众多领域均得到广泛应用。网络拓扑控制是物联网监测系统研究中最为重要的技术之一，无线传感器的应用使得监测系统范围不断扩大，而基于物联网监测拓扑控制的可靠性与安全性已成为多数学者研究的重点。本文在物联网监测基础上对拓扑可靠性进行设计与优化研究，旨在为其应用奠定基础。

物联网监测 拓扑可靠性 均匀分簇 优化设计

1 前言

随着物联网技术的不断发展和成熟，物联网远程实时监测在越来越多的行业和领域中得到推广应用。目前物联网监测系统在移动通信技术、传感器网络技术、嵌入式技术、Wifi技术等联合应用的三江源生态监测系统中能够保证随时掌握并监测动态信息。另一方面，物联网监测目标的可视化是安全系统的极大创新，但是在计算、存储以及能量资源都有限的条件下，其拓扑可靠性便成为重大的制约因素。再加上在偏远区域或通信环境较差的范围内由于主干传输信号较差，也会影响检测系统的可靠性和实用性。本文基于物联网监测系统对其拓扑可靠性进行分析并优化，为偏远区域、恶劣环境下物联网监测拓扑可靠性提出动态优化策略。

2 物联网监测拓扑可靠性设计

2.1 相关参数计算与分析

在传感网络中节点间的逻辑结构合理设计是改善网络使用效能、延长其寿命、提高可扩展性的重点。考虑到偏远区域、恶劣环境下数据信息传输的复杂性和安全性需求，本文参照文献资料设计方法采用均匀分簇星型混合分层结构保证数据均衡性融合及拓扑结构的可靠性[2]。根据该结构相关性质和定理，可得不同层级拓扑结构的理想与实际检测面积，当层级为N的时候，列数、行数、节点数、簇头节点数、理想监测面积、实际监测面积分别为6×N-12、6×N-12、（6×N-12）2、（2×N-4）2、（6×N-12）2·l2、（1-α）2·（6×N-12）2l2和 6×N-9、6×N-9、（6×N-9）2、（2×N-3）2、（6×N-9）2·l2、（1-α）2·（6×N-9）2l2。

2.2 可靠性量化分析

采用模冗余系统中的部分冗余系统能够优化数量大且耗能少的普通叶节点，节点间的实际距离依据具体需求取理想距离的（1-α）对其进行冗余处理，其中α范围为0-1，依据相关定理可得拓扑结构的可靠性计算公式。即由m行组成的拓扑结构可靠性为：

2.3 可靠性优化分析

簇头节点的可靠性是物联网监测系统中与可靠性关系最为密切的部分，也是提高其可靠性的关键。通过将动态倍增优化冗余策略应用于传感器和协调器中能够最大程度提高其可靠性。若将拓扑结构的层数设置为n，将其行数设置为m，则信息传输部分的可靠性计算方法即可描述为：将传感器与协调器串联后的可靠性计算方法即为：

2.4 模拟与仿真分析

在传感器网络安全性设计与优化过程中，既要明确簇头节点承担着感知信息、转发信息的双重作用，又要选取最为优化合理的设计方案方能保证拓扑结构的可靠性。采用均匀部署方式能够将簇头节点靠近协调器位置。此时必须对簇头节点采取冗余策略方能避免协调器节点负担的簇头节点使用寿命短、过早死亡引发网络空洞的问题[3]。经过模拟与仿真实验发现，当剩余2个簇头节点时，物联网监测拓扑结构的可靠性由于失效的簇头节点基本对其安全性无影响；当剩余1个簇头节点时，物联网监测拓扑结构的可靠性会成像整体下降趋势，但是下降幅度并不大；只有当所有簇头节点均失效时，物联网监测拓扑结构的可靠性才会下降为零。但采用簇头节点冗余处理能够有效避免此种情况发生，进而为物联网监测系统的安全性提供保证，即便是在偏远、信号较差的区域也能充分发挥其应用价值。

3 结束语

物联网监测系统的深化研究和应用为各个领域均带来了不可估量的积极作用，在安全性、便捷性、实时性方面该监测系统均存有其它类型监测系统难以比拟的优势。本文将偏远、环境恶劣、信号较差区域的物联网监测拓扑结构可靠性进行分析及优化设计，通过对簇头节点采取冗余处理极大提高其安全性，明确拓扑层级与理想和实际监测面积的关系，并对传感器和协调器可靠性进行量化分析，为物联网监测拓扑的可靠性设计及优化提供一种可行方案。但是此方法仅适用于边界规则，大面积正方形结构区域，如何采用合理手段对带拐角形状或不规则结构的监测区域拓扑结构的可靠性设计与优化应该成为下一步研究的重点。

[1]黄天聪,邓礼力,薛武,等. 输变电设备物联网通信网络结构及拓扑分析[J]. 高电压技术,2015,12:3922-3928

[2]张开生,田开元,吕明,等. 基于物联网技术的农业大棚环境监控系统设计[J]. 西安科技大学学报,2015,06:805-811

[3]田立勤,林闯,张琪,等. 物联网监测拓扑可靠性设计与优化分析[J]. 软件学报,2014,08:1625-1639

沈燕（1982.3-），女，江苏南通人，本科，职称：讲师 ，研究方向：计算机技术与应用、计算机平面设计。