能量有效的水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法

申志平 孫茜 王小藝 許繼平 張慧妍 王立

摘? 要： 將待監(jiān)測(cè)水域中水質(zhì)參數(shù)波動(dòng)較大的區(qū)域定義為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，水質(zhì)參數(shù)波動(dòng)較小的區(qū)域定義為非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域由于其水質(zhì)參數(shù)波動(dòng)頻繁，需要覆蓋更多的傳感器以提高其檢測(cè)精度。為提高資源利用率，在不增加傳感器個(gè)數(shù)的情況下，將非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器移動(dòng)到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中。首先，利用Voronoi圖定位重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置，根據(jù)能量矩陣確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。然后，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)策略（PPMS）實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的重新部署，使重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域得到更加有效的覆蓋。仿真結(jié)果表明，該方法可以較大程度地減少傳感器的移動(dòng)距離，減少網(wǎng)絡(luò)達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間，在不影響整體監(jiān)測(cè)水域監(jiān)測(cè)效果的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域更為有效的覆蓋。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化; 節(jié)點(diǎn)部署; 水質(zhì)監(jiān)測(cè); 節(jié)點(diǎn)定位; 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng); 仿真分析

中圖分類號(hào)： TN711?34; TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）14?0097?04

Energy?efficiency method of network optimization deployment for water quality sensor

SHEN Zhiping， SUN Qian， WANG Xiaoyi， XU Jiping， ZHANG Huiyan， WANG Li

（School of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University， Beijing 100048， China）

Abstract： The areas with large fluctuation of water quality parameters in the water area to be monitored are defined as the key monitoring areas， and the areas with small fluctuation of water quality parameters are defined as the non?key monitoring areas. As the frequent fluctuations of the water quality parameters in the key monitoring areas， the more sensors need to be covered to improve their detection accuracy. The sensors in the non?key monitoring area are moved to the key monitoring area without increasing the number of sensors， so as to improve the resource utilization rate. The Voronoi diagram is used to locate the target node of the key monitoring area， and the one?to?one correspondence between the mobile node and the target node is determined according to the energy matrix. The redeploy of the nodes are realized by means of the point?to?point mobility strategy （PPMS）， so that the key monitoring areas can be more effectively covered. The simulation results show that the method can reduce the moving distance of the sensor to a large extent and the time for the network to reach the equilibrium point. It can achieve more effective coverage of the key monitoring area without affecting the monitoring effect in the overall monitoring water area.

Keywords： network optimization; node deployment; water quality monitoring; node localization; point?to?point mobility strategy; simulation analysis

0? 引? 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSNs）是由自主傳感器組成的分布式網(wǎng)絡(luò)[1]，它用于監(jiān)測(cè)物理和環(huán)境條件中溫度、聲音等參數(shù)。目前WSNs在衛(wèi)生保健、災(zāi)害管理與預(yù)防、滑坡探測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域[2?4]中發(fā)揮著非常重要的作用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由相互連接的節(jié)點(diǎn)和傳感器組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)或多個(gè)傳感器，其中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量取決于所覆蓋區(qū)域的大小，通過(guò)節(jié)點(diǎn)采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并把信息發(fā)送給觀察者。

水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)視和測(cè)定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況的過(guò)程[5]。近些年來(lái)隨著生活污水、工業(yè)廢水、污染物泄露等大量人為因素的影響使得不同水域的污染程度各不相同，水域污染程度較深的區(qū)域往往含有較高的溶解氧、氨氮、高錳酸鉀等污染物質(zhì)，且水質(zhì)波動(dòng)變化較大。水污染指數(shù)法[6]是對(duì)水體中污染物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸納，以數(shù)值的形式綜合反應(yīng)水體污染程度的方法，其可以用來(lái)作為水污染分類的定級(jí)依據(jù)，根據(jù)水污染指數(shù)法可以把待測(cè)水域分為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域和非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。在實(shí)際的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中往往通過(guò)合理的群智能優(yōu)化算法，以最大化覆蓋率為優(yōu)化目標(biāo)，把傳感器由最初的隨機(jī)部署轉(zhuǎn)換為均勻的部署[7?8]。但對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，由于其數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性和波動(dòng)性，往往需要更高的覆蓋程度[9]。因此，從資源合理利用和保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的角度出發(fā)，運(yùn)用無(wú)線傳感器可以移動(dòng)的特點(diǎn)，在有限傳感器數(shù)目的條件下，把非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器移動(dòng)到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，移動(dòng)哪些傳感器節(jié)點(diǎn)、按照何種路徑進(jìn)行移動(dòng)是本文要解決的主要問(wèn)題。

文獻(xiàn)[10]采用多個(gè)可以移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)的方式，利用這種方法可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的延遲，但隨機(jī)移動(dòng)使得網(wǎng)絡(luò)整體能耗增加。文獻(xiàn)[11]把網(wǎng)絡(luò)中所有靜態(tài)節(jié)點(diǎn)劃分為多個(gè)簇，接著在每個(gè)簇中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，其一個(gè)簇中的其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都由其進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)移動(dòng)。這種方法可以降低網(wǎng)絡(luò)的總能耗，但因?yàn)榇仡^位置不夠確定，導(dǎo)致移動(dòng)的路徑不是最短的，進(jìn)而導(dǎo)致移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能耗增加。文獻(xiàn)[12]中基本競(jìng)標(biāo)協(xié)議采用直接移動(dòng)的方式，但針對(duì)的是單個(gè)節(jié)點(diǎn)直接的移動(dòng)。

如何實(shí)現(xiàn)把非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域之內(nèi)，同時(shí)能夠最大程度地提高重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的覆蓋程度是本文解決的重點(diǎn)。

本文利用Voronoi圖來(lái)定位重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的漏洞點(diǎn)，即目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)能量距離矩陣確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的重新部署實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的有效覆蓋。

1? 模型的建立

1.1? 區(qū)域模型

本文在監(jiān)測(cè)水域的二維平面內(nèi)，部署相同通信半徑和傳感半徑的傳感器節(jié)點(diǎn)。建立的模型如圖1所示。大框包圍的區(qū)域表示重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，小框包圍的區(qū)域表示非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

1.2? 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率模型

圖1中所產(chǎn)生的網(wǎng)格點(diǎn)記為[u]，區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)總數(shù)記作U，第[u]個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)被一個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到的概率記為c。本文采用布爾感知模型完成傳感器的覆蓋監(jiān)測(cè)模型，模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

[c（s，u）=0，? ? ? ? d（si，u）≥Rc1，? ? ? ? ?d（si，u）

式中：[d（si，u）]表示傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格點(diǎn)[u]的歐氏距離，即傳感器節(jié)點(diǎn)[si]部署在點(diǎn)[（xi，yi）]上，則網(wǎng)格點(diǎn)w到[（xi，yi）] 的距離為[d（si，u）=（xi-x）2+（yi-y）2];[Rc]表示傳感器的有效監(jiān)測(cè)半徑，當(dāng)[d（si，u）]大于傳感器的有效半徑時(shí)，網(wǎng)格點(diǎn)[u]將不能被檢測(cè)。對(duì)于一個(gè)受監(jiān)測(cè)網(wǎng)格，將它被整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的概率定義為聯(lián)合檢測(cè)概率，網(wǎng)格[u]的聯(lián)合檢測(cè)概率為：

[Cu（Sall，u）=1-i=1n（1-Cu（Si，u））]? ? （2）

2? 確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)

為了最大程度地合理利用傳感器資源，本文在不改變傳感器個(gè)數(shù)的情況下擬將非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器移動(dòng)到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中。其中，非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中傳感器的節(jié)點(diǎn)被稱為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中存在的點(diǎn)稱為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)Voronoi圖來(lái)確定。

Voronoi圖是在其組成點(diǎn)集中連接兩個(gè)相鄰點(diǎn)直線的垂直平分線構(gòu)成的一組連續(xù)多邊形，基于Voronoi圖定位非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，具體分為兩個(gè)步驟。

1） 利用網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Voronoi圖，計(jì)算均勻部署后覆蓋漏洞的邊界，如圖2所示。

2） 計(jì)算覆蓋漏洞邊界的外接矩形，用正六邊形無(wú)縫分割，如圖3所示，最后判斷正六邊形的中心是否在漏洞內(nèi)，記錄漏洞內(nèi)正六邊形的中心位置，作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置，統(tǒng)計(jì)記錄的中心位置數(shù)量。

3? 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)策略

首先計(jì)算m個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和n個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的歐氏距離，距離計(jì)算完成后，列出距離矩陣D：

[D=D11? D12? D13 … D1，j … D1，n-1? ?D1nD21? D22? D23 … D2，j … D2，n-1? D2nD31? D32? D33 … D3，j … D3，n-1? D3n ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?Di1? ?Di2? Di3 … Di，j … Di，n-1? ?Din ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?Dm1 Dm2 Dm3 … Dm，j … Dm，n-1? Dmn]

計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)[i]移動(dòng)到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域[j]消耗的能量：

[Ji，j=e·Di，j] （3）

式中，e為移動(dòng)傳感器移動(dòng)單位距離所消耗的能量。

根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的能量消耗列出能量消耗矩陣J：

[J=J11? ? J12? ? J13 … J1，j … J1，n-1? ? ?J1nJ21? ? J22? ? J23 … J2，j … J2，n-1? ? J2nJ31? ? J32? ? J33 … J3，j … J3，n-1? ? J3n ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?Ji1? ? ?Ji2? ? Ji3 … Ji，j …? Ji，n-1? ? ?Jin ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?Jm1? Jm2? ?Jm3 … Jm，j … Jm，n-1? ? Jmn]

能量消耗矩陣窮舉了由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，根據(jù)式（4）找到能量消耗最小的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑。

[Q=mini=1mj=1nJij， i，j有且僅取一次] （4）

式中，Q為最小的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑上的能量消耗。

4? 實(shí)驗(yàn)仿真

4.1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用針對(duì)性移動(dòng)策略把非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器移動(dòng)到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中，在100 m ×100 m 的水域內(nèi)，以2 m為邊長(zhǎng)劃分網(wǎng)格以計(jì)算覆蓋率，設(shè)定傳感器半徑為10 m。初始能量設(shè)置為10 000 J，傳感器移動(dòng)1 m消耗的能量是30 J。

4.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)把非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器移動(dòng)到重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中，來(lái)增加重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率，圖4為均勻部署后傳感器節(jié)點(diǎn)分布圖，大框包圍的區(qū)域表示重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，小框包圍的區(qū)域表示非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

圖5為本文最終部署的結(jié)果圖，由圖5可以看出非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，大大增加了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率。

圖6為覆蓋率隨時(shí)間變化圖。由圖6可以看出，隨著時(shí)間的變化，非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域中傳感器的移動(dòng)，原始的均勻覆蓋被打破，使得非重點(diǎn)和整體監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率降低，同時(shí)隨著重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)的增加，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋率逐步增加，最終達(dá)到99%。而非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域和整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器覆蓋率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，最終分別達(dá)到穩(wěn)定值66%，76%，通過(guò)移動(dòng)在不增加傳感器數(shù)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的有效覆蓋。

圖7為采用本文提出的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)策略PPMS和隨機(jī)移動(dòng)策略（Random Mobility Strategy，RMS）的移動(dòng)距離對(duì)比圖，考慮到隨機(jī)移動(dòng)的不確定性對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果的影響，對(duì)隨機(jī)移動(dòng)策略進(jìn)行了20次實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做均值處理，得到的實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖7所示。由圖可以看出隨機(jī)移動(dòng)傳感器移動(dòng)距離達(dá)到350 m，采用PPMS的移動(dòng)距離為280 m，最終可以減少2 100 J的網(wǎng)絡(luò)能耗;同時(shí)由圖還可以看出PPMS較RMS達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間較短，進(jìn)一步可以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

5? 結(jié)? 論

本文研究了水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署問(wèn)題。首先，將待監(jiān)測(cè)水域劃分為重點(diǎn)和非重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，利用Voronoi圖確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn);然后，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)策略實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的重新部署。仿真結(jié)果表明，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)策略可有效減少傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，并能使網(wǎng)絡(luò)在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的平衡。

注：本文通訊作者為孫茜。

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