基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)模型研究

謝志偉 胡選子

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機工程系，廣東東莞 523808）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)模型研究

謝志偉 胡選子

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機工程系，廣東東莞 523808）

隨著計算機、通信、自動化控制和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)成為了新興的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)目標(biāo)定位和環(huán)境監(jiān)測上得到了廣泛的關(guān)注。然而，我國現(xiàn)階段無線傳感器由于受環(huán)境和設(shè)備質(zhì)量等因素的影響，傳感所采集的數(shù)據(jù)易產(chǎn)生誤差。對隧道和地下礦物勘測工程中常用的面向目標(biāo)定位與環(huán)境監(jiān)測的基于無線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析，仿真實驗表明本文提出的定位算法適用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的定位估計，對地下工作人員進(jìn)行精確定位、下一時刻的位置預(yù)測以及地下工程事故后的搶險救災(zāi)工作提供了極大便利

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已開始得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，通過它構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Metwork，WSM）可連接物理世界和數(shù)字世界.目前國際上已有研究工作將其應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)以及時發(fā)現(xiàn)和定位事故源、航空和航天的落點控制、軍事目標(biāo)的定位與跟蹤等方面.在各種應(yīng)用中，位置信息對物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，雖然可以通過全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System）實現(xiàn)定位，但其適應(yīng)于無遮擋的室外環(huán)境，且用戶節(jié)點通常能耗高、體積大，成本較高，還需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施。因此在GPS應(yīng)用受限的場景下，或是在人類難以勝任或無法到達(dá)的復(fù)雜環(huán)境中，采用體積小、能量消耗低、價格低廉的傳感器網(wǎng)絡(luò)可很好地解決目標(biāo)發(fā)現(xiàn)及定位等問題.因而，作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，傳感器節(jié)點的定位問題已得到越來越多的關(guān)注。

地下施工是隧道工程和礦物探測和開采工程中危險系數(shù)最高的施工環(huán)節(jié)。據(jù)國家安全局相關(guān)報告統(tǒng)計，全國地下施工事故約占總工程事故的32.7%，而瓦斯等有毒氣體是造成事故的關(guān)鍵因素。因而要保證地下施工的質(zhì)量，有毒氣體濃度的監(jiān)測是重要工作之一。基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測模式的建立和使用，不僅可以有效檢測毒害氣體濃度，還可以保證工作人員在地下施工過程中，對其進(jìn)行精確跟蹤和定位，以便事故發(fā)生時，可以有效地進(jìn)行搶險救災(zāi)工作。

1 現(xiàn)階段地下工程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型分析

1.1 地下工程無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的地下工程監(jiān)控系統(tǒng)使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)建，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是在工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，組成傳統(tǒng)以太網(wǎng)搭配無線傳感網(wǎng)絡(luò)的混合控制模式。地下工程作業(yè)環(huán)境分為開闊地形和下載地形兩種，在主巷道區(qū)域，地形開闊，通常采用架構(gòu)有線光纖骨干網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行有線監(jiān)控。在支巷道區(qū)域，地形狹窄，需要構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的無縫覆蓋。兩種監(jiān)控模式通過嵌入式接入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互，兩者收集的信息通過骨干網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，由相關(guān)人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。下圖物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)省略了應(yīng)用層，分為中間件層、接入網(wǎng)絡(luò)層和傳感器網(wǎng)絡(luò)層三部分。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 地下工程無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 地下工程無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)地下工作的環(huán)境，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要分為動態(tài)節(jié)點和靜態(tài)節(jié)點兩種。靜態(tài)節(jié)點主要用于采集有害氣體的濃度和轉(zhuǎn)發(fā)其余節(jié)點的通信信息。動態(tài)節(jié)點主要是指施工人員攜帶的傳感器等移動設(shè)備以及突發(fā)情況下的救援設(shè)備。與靜態(tài)節(jié)點相比，動態(tài)節(jié)點具有集成度高、功耗低等特點。目前常用的監(jiān)測系統(tǒng)主要采用聚類分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點在邏輯上屬于工業(yè)以太網(wǎng)，主要功能是與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與處理。它同時又是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚點，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，如圖2所示。

圖2 地下工程無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點的分類

1）簇頭節(jié)點

簇頭節(jié)點是在每一個簇內(nèi)，唯一的管理簇內(nèi)節(jié)點的節(jié)點。與簇內(nèi)其他節(jié)點相比，它擁有更加強大的信息交流和處理能力，與之相對應(yīng)的是，簇頭節(jié)點的能量消耗較大。因此，在實際使用中，普遍情況下將蔟頭節(jié)點設(shè)置成休眠情況，當(dāng)接收到有關(guān)的外在節(jié)點或者其他蔟頭節(jié)點的請求服務(wù)信息時，才被激活。當(dāng)其接收到簇類成員節(jié)點發(fā)送過來的目標(biāo)位置信息后，對信息進(jìn)行加工和處理，完成數(shù)據(jù)的合并。這樣它不僅能定位員工的具體方位還可以預(yù)測施工人員下一時間段所在方位。

2）簇中節(jié)點

蔟中節(jié)點處于拓?fù)浣M合中的最下層，它的數(shù)目非常多，其作用主要是用來幫助蔟頭節(jié)點或者邊界節(jié)點施行目標(biāo)定位的功能。蔟內(nèi)節(jié)點具有一定的解決能力，在信息的處理過程中需要受到簇頭節(jié)點的支配。簇內(nèi)節(jié)點的任務(wù)是監(jiān)測目標(biāo)的當(dāng)前位置。當(dāng)被簇頭節(jié)點或者邊界節(jié)點激活后，它開始監(jiān)測目標(biāo)，但其本身并不處理任何監(jiān)測到的信息，而是將信息發(fā)送給簇頭節(jié)點或者邊界節(jié)點處理。當(dāng)目標(biāo)離開自身所在的傳感區(qū)域后，該節(jié)點恢復(fù)到休眠狀態(tài)。

3）邊界節(jié)點

邊界節(jié)點主要分布在地下工程監(jiān)測區(qū)域邊緣簇。它擁有簇頭節(jié)點的所有功能，同時由于所處位置的特殊性，便捷節(jié)點通常還具有兩個特定性能。首席那，對目標(biāo)能否進(jìn)入有關(guān)地方進(jìn)行適時監(jiān)控。其次，對目標(biāo)是否離開了有關(guān)區(qū)域進(jìn)行確定。為了保證這兩個功能的正常進(jìn)行，邊界節(jié)點通常被設(shè)為活動狀態(tài)。

1.4 簇首節(jié)點的組簇

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如何選擇合適的一級簇首位置是非常重要的。因為簇首出現(xiàn)問題，整個簇都會陷入癱瘓，直接影響到施工過程的安全。因此地下工程檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般按一定的間距在主巷和支巷道壁上設(shè)置二級簇首，由二級簇首負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點的通信。在整個系統(tǒng)中簇首節(jié)點實際承擔(dān)了大部分信息交換和處理的工作，能量消耗非常大，容易出現(xiàn)問題，針對這一問題，可以采用增加輔助簇首節(jié)點的方式，分擔(dān)其工作。

輔助簇首節(jié)點是特殊的簇內(nèi)節(jié)點。為了節(jié)省能源，該節(jié)點大部分時間處于休眠狀態(tài)。一旦二級簇首節(jié)點無法繼續(xù)工作時，該節(jié)點被激活并接管二級簇首節(jié)點的工作，同時向地面控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報警，通知監(jiān)控端更換出問題的二級簇首節(jié)點。

三級簇首通常都是移動節(jié)點，由地下工程人員攜帶在身上，這些移動節(jié)點中通常會選取一個簇首節(jié)點作為三級簇首，負(fù)責(zé)為本簇內(nèi)的移動節(jié)點分配通信時間。由于工程施工中經(jīng)常會出現(xiàn)員工因為工程需要聚集的情況，這時眾多三級簇首節(jié)點同時向二級簇首傳輸信息，會引起沖突，浪費能量。三級簇首節(jié)點的設(shè)置可以有效解決這方面的問題。

移動節(jié)點的組簇需要以員工的工號為依據(jù)，組簇時一般默認(rèn)工號最低的為簇首，并規(guī)定每個簇群不得多于20個移動節(jié)點。在簇首的選擇過程中要注意以下兩點，第一，如果一個簇群中只有單個節(jié)點，其自身就是簇首。第二，當(dāng)三級簇首的能量下降到80%以下，需要在簇群中重新挑選簇首，挑選的依據(jù)是節(jié)點的剩余能量和序號。新的簇首確定后，它發(fā)布廣播消息，通知簇群內(nèi)所有移動節(jié)點和二級簇首。在地下工程的施工中節(jié)點是隨機移動的，因此節(jié)點離開本簇群或新的節(jié)點加入本簇群的情況非常普遍，需要及時更新簇群信息；同時，如果二級簇首監(jiān)測到2個三級簇首位置接近，可通知序號低的簇首進(jìn)行合并。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制算法的模型分析

2.1 劃分虛擬單元半徑

根據(jù)地下工程節(jié)點的位置信息和傳感范圍，監(jiān)測區(qū)域可以劃分為若干個不相交的虛擬單元半徑區(qū)域。在虛擬單元半徑區(qū)域中，簇內(nèi)節(jié)點相互通信應(yīng)該保證消耗能量的程度較低，同時半徑內(nèi)任意兩點之間都可以直接通信。例如，將檢測區(qū)域劃分為邊長為a與b的矩形虛擬單元格，如圖3所示，要保證單元格內(nèi)任意兩點之間都可以直接通信，需要滿足公式:

這樣的單元格劃分的優(yōu)點在于站在信息分組轉(zhuǎn)發(fā)的方面來說，相同的虛擬單元半徑范圍內(nèi)的節(jié)點是能夠看成等同的，因而在選取節(jié)點作為簇頭節(jié)點時沒有特殊的限制。

圖3 檢測區(qū)域劃分示意

2.2 基于虛擬單元半徑的簇頭節(jié)點選擇

簇頭節(jié)點的選擇以虛擬單元半徑為依據(jù)。以上圖為例，假設(shè)在該矩形虛擬單元格中有n個節(jié)點，并且任意一個節(jié)點都知道自己屬于哪個虛擬單元半徑。簇頭節(jié)點的選擇時間發(fā)生在T0時刻，節(jié)點接受到通訊消息，把發(fā)送的消息和計算解決有關(guān)消息的用時記錄為T1。在進(jìn)行蔟頭的選擇時，節(jié)點依照順序一一發(fā)送及接收信息，把信息記錄成P，節(jié)點所處的虛擬單元半徑范圍內(nèi)的剩余能量最大的節(jié)點編號過剩能量屬于P的范圍。

假設(shè)這其中的某一個節(jié)點X，其中0＜X＜n在T0時刻，節(jié)點0，1同步打開通信設(shè)備，完成該步驟后剩余能量E0=Emax，ID（序列號）=0，通告信息P（Emax，IDmax）。在把信息發(fā)送到節(jié)點1之后，本身就處于了休眠狀態(tài)。

在T0+（X-1）*T1時刻:節(jié)點X開啟通訊設(shè)施，接受到了從X-1節(jié)點發(fā)送來的信息P（Emax，IDmax），同時對完成整個流程以后的X節(jié)點的多余能量EX進(jìn)行估算。這時Emax=max（Emax，Ex），如果Ex＞Emax，則推出IDmax=X。P=（Emax，IDmax）。

在T0+（X*T1）時刻，通告信息P=（Emax，IDmax）被發(fā)送給X+1節(jié)點，與此同時，節(jié)點X接受到已經(jīng)關(guān)閉的通訊模塊的消息。

當(dāng)時間在T0+（n-1）*T1時，簇類所有的節(jié)點都開啟通信設(shè)備，末端節(jié)點n群發(fā)通告信息P（Emax，IDmax），所有節(jié)點都可以接收到該信息，收到信息后，簇中節(jié)點將公告信息P中的IDmax和自身序號進(jìn)行比較，若兩者相等，該節(jié)點便被設(shè)置為簇頭節(jié)點。若該節(jié)點屬于邊界簇，則其成為邊界節(jié)點。

通過算法可以得知，除了0節(jié)點和n節(jié)點之外，所有其它節(jié)點打開通信模塊的時間為2.8Ts，0節(jié)點與n節(jié)點需要1.5Ts。通信模塊打開的時間與通信節(jié)點能量耗費成正比。因此，該算法的空間復(fù)雜度為O（2.8（n-1.5）+4）。

3 仿真實驗

在仿真實驗中，將傳感器的起始能量值設(shè)為100單位，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點在收發(fā)信息和睡眠狀態(tài)下消耗的能量基本相同（黛博拉·埃斯特林的能量消耗模型），因此實驗假定其每秒消耗的能量值為15標(biāo)準(zhǔn)單位，在未激活狀態(tài)下的能量消耗為1單位。簇頭重選的閨值為55和70單位。實驗對邊界簇進(jìn)行仿真，測試了地下工程中三個邊界簇的網(wǎng)絡(luò)生存期的時間長度，并于常用的GAF算法進(jìn)行比較，虛線為文中算法。

4 結(jié)語

通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)模型的分析和研究，發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于地下工程施工的安全監(jiān)測效果明顯。本文提出的定位算法適用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的定位估計，對地下工作人員進(jìn)行精確定位和下一時刻的位置預(yù)測，給地下工程的安全作業(yè)以及發(fā)生事故后的搶險救災(zāi)工作提供了極大便利。

圖4 仿真實驗結(jié)果

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Internet of Things Model of Topology Structures Basedon Wireless Sensor Network

XIE Zhi.wei HU Xuan.zi
（Department of Computer Engineering，Dongguan Polytechnic，Dongguan 523808，China）

With the development in the fields of computer，communications，automation control，and artificial intelligence，wireless sensor networks is becoming a new network monitoring technology，especially on the targeting and environmental monitoring of Internet of Things，attracting a lot of attention.However，China′s current wireless sensor is prone to error due to factors such as the environment and the quality of equipment，the collected sensing data and so on.This papermainly focuses on tunnels and underground mineral investigation works for targeting environmental monitoring based on the analysis of the physical topology of the wireless sensor network monitoring model.

wireless sensor network；internet of things；topology structures

TP3

A

1009-0312（2014）01-0025-05

2013-05-23

廣東省省部產(chǎn)學(xué)研重大專項項目（2011A090200022）。

謝志偉（1979—），男，江西臨州人，講師，系統(tǒng)分析師，碩士，主要從事智能化信息處理、網(wǎng)絡(luò)安全等研究。