無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制的仿真試驗(yàn)

摘要：覆蓋控制問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的基本問(wèn)題之一。該文根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋控制原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)仿真平臺(tái)，然后選取覆蓋控制算法中的一個(gè)典型算法作為研究對(duì)象，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該算法，研究其在定位存在誤差情況下的性能變化情況。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn)定位誤差;覆蓋算法;性能評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）07-0036-02

1 概述（Introduction）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)，微電子技術(shù)，通訊技術(shù)，嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，其應(yīng)用環(huán)境通常是由價(jià)格便宜的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠采集、存儲(chǔ)和處理環(huán)境信息，并且能和鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線鏈路保持通信[1]。覆蓋問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)配置首先面臨的基本問(wèn)題，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)可能任意分布在配置區(qū)域，它反映了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在某區(qū)域被監(jiān)測(cè)和跟蹤的狀況[2]。

2 仿真算法（Simulation algorithm）

根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制的算法[3]，給出4種可變因素：感知區(qū)域的長(zhǎng)和寬、節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)的感知半徑、誤差率，仿真程序算法流程可以用下面的順序圖1來(lái)表示：

3 仿真程序模塊設(shè)計(jì)（Simulation program module design）

這是Visual C++中顯示的程序工作空間，是一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序，在Sensor這個(gè)工程中有Coverage，space兩個(gè)結(jié)構(gòu)體，CSensor這個(gè)節(jié)點(diǎn)類，節(jié)點(diǎn)的許多參數(shù)都在這個(gè)類中設(shè)置[4]，圖2是更為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)體和類的內(nèi)部成員：

下表是CSensorDlg中主要的成員函數(shù)，簡(jiǎn)單地介紹一下：

把每個(gè)節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)相交的弧度范圍都計(jì)算出來(lái)，用結(jié)構(gòu)體Coverage來(lái)保存，接下來(lái)最重要的一件事是：把這些弧度范圍排序合并，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在程序中的Merge（space *dest， space *source），其思想就是把這些小的弧度范圍合并，求出大的合集。當(dāng)然在函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要對(duì)多種情況進(jìn)行處理，需要考慮周全才能寫(xiě)出正確的程序。

4 仿真程序界面設(shè)計(jì)（Simulation program interface design）

圖3是用MFC生成的對(duì)話框窗口的設(shè)置部分，其中的單元小方格像素是用來(lái)計(jì)算覆蓋面積劃分的單元長(zhǎng)度，通常情況下為1個(gè)像素[5]。

仿真程序可以設(shè)置和顯示這些數(shù)據(jù)，查看睡眠情況按鈕是在節(jié)點(diǎn)定位精確時(shí)的睡眠顯示，按鈕右邊可睡眠節(jié)點(diǎn)數(shù)則顯示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)分布圖中能夠睡眠的節(jié)點(diǎn)數(shù)，在覆蓋率的變化情況中會(huì)顯示精確時(shí)的睡眠覆蓋面積，在存在誤差處可以設(shè)置坐標(biāo)誤差，通常是小于1的，比如誤差10%，再點(diǎn)擊設(shè)置按鈕就能計(jì)算誤差后的可睡眠節(jié)點(diǎn)數(shù)，存在誤差時(shí)的睡眠覆蓋面積和此次的覆蓋率，圖3是個(gè)有設(shè)置的示例：

5 仿真試驗(yàn)（Simulation Test）

應(yīng)用仿真程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出相應(yīng)的曲線圖，給出了4種可變因素：誤差率，感知區(qū)域的長(zhǎng)和寬，節(jié)點(diǎn)數(shù)，節(jié)點(diǎn)的感知半徑，然后對(duì)各種情況分別討論。圖4的曲線圖是在300*300的區(qū)域中，分布100個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的感知半徑為50的情況下，讓節(jié)點(diǎn)在定位不精確時(shí)縮小尋找鄰居節(jié)點(diǎn)的范圍，藍(lán)色的曲線是有誤差減小處理之后的，明顯比存在誤差沒(méi)有處理的曲線覆蓋率要高，而且隨著誤差率的增大，兩支曲線上下相差的距離越大。這樣覆蓋率的提高是有代價(jià)的，能夠睡眠的節(jié)點(diǎn)是越來(lái)越少了，就會(huì)產(chǎn)生不必要的能源使用。

6 結(jié)論和意義（Conclusion and significance）

該文用了仿真的思想，通過(guò)Visual C++開(kāi)發(fā)工具，對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的分布，生成和覆蓋等問(wèn)題進(jìn)行了模擬，節(jié)點(diǎn)的分布是隨機(jī)的，用了隨機(jī)生成偽隨機(jī)數(shù)的方法，判斷節(jié)點(diǎn)的睡眠順序是多次睡眠求的平均值。

四個(gè)可變因素：誤差率，感知區(qū)域的長(zhǎng)和寬，節(jié)點(diǎn)數(shù)，節(jié)點(diǎn)的感知半徑，這些參數(shù)的賦值不是按照實(shí)際中大小賦值的，而是按照顯示比例，覆蓋的充分程度賦值的，具有研究參考意義。

本仿真程序只是從研究的角度來(lái)分析說(shuō)明了曲線圖的走勢(shì)和原因，在實(shí)際應(yīng)用中仍需要仔細(xì)分析。總的來(lái)說(shuō)，是通過(guò)軟件來(lái)簡(jiǎn)單地模擬無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，仍然存在著其他各種問(wèn)題和潛在問(wèn)題，在今后的研究過(guò)程中需要加大研究的深度和范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉偉榮.物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2021.

[2] 孫利民.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] Chi-Fu Huang， Yu-Chee Tseng.The coverage problem in a wireless sensor network[J].Mobile Networks and Applications，2005，10（4）：519-528.

[4] 張錚，孫寶山，周天立.Windows程序設(shè)計(jì)[M].3版.北京：人民郵電出版社，2015.

[5] 仇谷烽.基于Visual C++的MFC編程/高等學(xué)校教材[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】

收稿日期：2021-09-26

作者簡(jiǎn)介：王櫻錦（1986—），女，本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)檐浖_(kāi)發(fā)。