WSN在倉儲環(huán)境中的節(jié)點部署

孟慶蕾

將節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域時，要按照實際監(jiān)測區(qū)域情況采取相應(yīng)的部署方式，如飛機(jī)撒播、炮彈撒播、人為布置、機(jī)器布置。在進(jìn)行節(jié)點部署時，也要考慮傳感器節(jié)點監(jiān)測對象的實際情況，采取相應(yīng)的監(jiān)測策略，如點覆蓋、網(wǎng)格覆蓋、柵欄覆蓋。將傳感器節(jié)點按照一定方式部署在監(jiān)測區(qū)域后，還需要一些評價指標(biāo)來判別節(jié)點部署情況，如覆蓋度、覆蓋盲區(qū)、覆蓋重數(shù)、覆蓋均勻度、連通性、連通重數(shù)。

一、節(jié)點部署方式

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，按照節(jié)點部署方式分為隨機(jī)部署型、確定部署型、具備移動能力型。

（一）隨機(jī)部署型

隨即部署通常采用飛機(jī)或者炮彈隨機(jī)將大量傳感器節(jié)點播撒在監(jiān)測區(qū)求的不同，有3種節(jié)點部署方式：隨機(jī)部域內(nèi)。這種部署方式的優(yōu)點是成本低，可操作性強(qiáng)，適用于惡劣環(huán)境或者人工難以到達(dá)的地方，還有大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)也采用這種方式。隨即部署方式簡單易行，當(dāng)前狀態(tài)下，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都采用隨即部署的方式。然而隨即部署可能導(dǎo)致某些區(qū)域節(jié)點密度過高有些區(qū)域節(jié)點布置地過于稀疏，造成網(wǎng)絡(luò)資源不平衡，網(wǎng)絡(luò)不能完全覆蓋，網(wǎng)絡(luò)的連通性也不好。

（二）確定部署型

在部署節(jié)點之前，預(yù)先設(shè)計好部署算法，按照算法計算出每個節(jié)點的確切部署位置，再通過機(jī)器或者人工的方式將節(jié)點固定好。部署算法的目的是對監(jiān)測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)完全覆蓋。適合確定部署方案的環(huán)境必須為人們所已知，相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小。確定型部署方式構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有覆蓋度好，連通性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)性能很高的特點。但由于要事先非常熟悉環(huán)境，且規(guī)模不是特別大的環(huán)境才符合，所以當(dāng)前只有少數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)使用確定部署。

（三）具備移動能力型

這樣構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)是由許多攜帶傳感器的移動機(jī)器人構(gòu)成的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。具備移動能力，是指攜帶傳感器的機(jī)器人有移動能力。移動機(jī)器人之間通過無線通信方式連接，彼此行動也通過無線通信進(jìn)行協(xié)調(diào)。這時的每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不再是一個簡單地傳感器節(jié)點而是具有移動能力的傳感器機(jī)器人，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都既有傳感器特點又具有機(jī)器人特點。傳感器特點是指采集信息，計算，存儲，通信；機(jī)器人特點是指無線通信和自移動能力。機(jī)器人節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)有一個顯著的特點就是節(jié)點位置非常容易發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化快。與一般傳感器網(wǎng)絡(luò)不通，移動傳感器網(wǎng)絡(luò)需要解決新的問題：如移動機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人間通信技術(shù)、多目標(biāo)跟蹤技術(shù)等。

倉儲環(huán)境是特定的一種應(yīng)用環(huán)境，具有現(xiàn)實中不輕易移動，是封閉規(guī)則空間的特點。倉庫面積一般在10000平方米，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中屬于中等偏大的環(huán)境。但由于倉庫內(nèi)的環(huán)境是安全易于測量去，且倉庫內(nèi)不需要傳感器節(jié)點頻繁移動位置，故優(yōu)先考慮確定型部署方式。這種部署方式按照算法計算結(jié)果將節(jié)點布置在精確的位置上，滿足完全覆蓋，維持高連通性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于最佳狀態(tài)。

二、節(jié)點部署算法

對應(yīng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)覆蓋的對象不同，節(jié)點覆蓋的方式也不一樣。按照監(jiān)測區(qū)域覆蓋對象不同，節(jié)點算法被分為3類，分別是：基于點覆蓋，網(wǎng)格覆蓋，柵欄覆蓋的節(jié)點部署算法。

（一）點覆蓋

點覆蓋是指在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)認(rèn)為需要監(jiān)測的對象為有限的離散點。只有這種情況才適合使用點覆蓋。點覆蓋不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的所有區(qū)域，只關(guān)心監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點。通常的做法是在目標(biāo)節(jié)點附近布置傳感器節(jié)點，為確保節(jié)點覆蓋度，每個目標(biāo)點都至少被一個傳感器節(jié)點覆蓋。點覆蓋問題需要確定覆蓋這些有限點所需的最少節(jié)點數(shù)以及節(jié)點布置位置。如何確定最少節(jié)點數(shù)以及節(jié)點位置一般采用傳統(tǒng)的線性規(guī)劃，很少涉及節(jié)點之間的連通性。研究點覆蓋問題一般采用單目標(biāo)優(yōu)化方法或多目標(biāo)優(yōu)化方法，并不能解得問題的精確解，只能得到問題的近似解，即能無限靠近解，卻不能達(dá)到。

（二）網(wǎng)格覆蓋

網(wǎng)格覆蓋又稱為區(qū)域覆蓋，是指用二維網(wǎng)格或者三維網(wǎng)格來劃分監(jiān)測區(qū)域，并在網(wǎng)格的某點布置傳感器節(jié)點。當(dāng)前對傳感器網(wǎng)絡(luò)基于網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格一般為規(guī)則的多邊形，如三角形，正方形，矩形，六邊形等。根據(jù)網(wǎng)格形狀的不同，網(wǎng)格多邊形可分方形網(wǎng)格和菱形網(wǎng)格。

網(wǎng)格覆蓋可實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域無盲點覆蓋，與點覆蓋不同，網(wǎng)格覆蓋必須實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的完全覆蓋，其中節(jié)點的位置分布也可以精確地由算法算出。傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，對節(jié)點覆蓋的要求也不一樣。多重覆蓋能較單重覆蓋有更強(qiáng)的容錯能力和更高的魯棒性，所獲得的數(shù)據(jù)精確度也越高。

（三）柵欄覆蓋

柵欄覆蓋所關(guān)注的是移動物體在穿越監(jiān)測區(qū)域時如何能被有效識別。柵欄覆蓋在從初始位置到重點位置之間布置傳感器節(jié)點前必須找到一條或多條路徑，當(dāng)有移動物體穿越時可以有效檢測到。當(dāng)要求有k個傳感器節(jié)點覆蓋路徑時，這稱為k重覆蓋。柵欄覆蓋主要分兩種：一種是基于最大突破路徑和最大支持路徑，另一種是基于最大暴露路徑與最小暴露路徑?；谧畲笸黄坡窂胶妥畲笾С致窂降难芯恐饕槍δ繕?biāo)能被傳感器節(jié)點感知到的感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行研究，而基于最大暴露路徑與最小暴露路徑的研究還要考慮移動物體穿越監(jiān)測區(qū)域的時間，因此比前者更實用。

（作者單位：北京物資學(xué)院）