無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能信息處理研究

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身具有小型化低成本的特點，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)通信協(xié)議結(jié)合網(wǎng)絡(luò)特征完成相關(guān)操作命令，還能具有較高數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理能力。隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)存儲查詢中存在滯后性。因此本文重點分析當今時代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能信息處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；智能信息處理；優(yōu)化措施；現(xiàn)實困境

本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息處理中的信息壓縮分布式存儲以及數(shù)據(jù)融合等多個領(lǐng)域開展相關(guān)研究，提出分布式小波數(shù)據(jù)壓縮算法、分布式小波變換以及WSN信息處理智能方法。確保無線傳感器節(jié)點降低通信能耗的同時，提高其數(shù)據(jù)計算能力。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

近些年來我國科學技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器集成電路、無線通信等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合，不斷開發(fā)出低功耗多功能的微型無線傳感器。這些傳感器不僅具備數(shù)據(jù)實時收集的功能，而且還能夠協(xié)同開展有關(guān)合作，幫助技術(shù)人員完成各項任務(wù)目標。這些無線傳感器能夠組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以此確保數(shù)據(jù)處理的高效便捷[1]。從本質(zhì)上來講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有計算功能的傳感器節(jié)點構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過無線通信方式能夠結(jié)合實際情況采集任意一個區(qū)域的數(shù)據(jù)信息，并將相關(guān)信息傳輸至管理平臺，以便于技術(shù)人員靈活調(diào)用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個傳感器節(jié)點具有低耗能以及造價較低的特點，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛運用在我國各個領(lǐng)域當中[2]。以農(nóng)業(yè)為例，有關(guān)部門利用無人機播撒并在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)引導傳感器組件組成無線通信網(wǎng)絡(luò)。同時還在周邊區(qū)域放置基站，并通過衛(wèi)星以及無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建控制中心服務(wù)器。技術(shù)人員如若有任何命令，都可利用計算機平臺對其實施遠程監(jiān)控，以此從多個維度觀察當前農(nóng)業(yè)區(qū)域的植物生長以及病蟲害現(xiàn)象[3]。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同應(yīng)用場景中，其組成節(jié)點各不相同，但這些節(jié)點大多由數(shù)據(jù)傳輸單元、處理單元、采集單元等部分組成。例如數(shù)據(jù)采集單元包含一個低功耗的微處理器，能夠滿足各類數(shù)據(jù)信息處理的功能。此外如若技術(shù)人員需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點具備定位功能，則還需為其設(shè)計定位系統(tǒng)，以此執(zhí)行相應(yīng)的控制功能[4]。從OSI7層模型角度來看，該7層模型中物理層負責無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的調(diào)制發(fā)送與接收相關(guān)功能、數(shù)據(jù)鏈路層則包含媒介訪問控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸層能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的傳輸。而傳輸協(xié)議層能夠?qū)崿F(xiàn)該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他互聯(lián)網(wǎng)平臺之間的互聯(lián)互通，能夠引導設(shè)計人員足不出戶就可對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行實時控制[5]。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實生活中擁有較大應(yīng)用，例如無線局域網(wǎng)，藍牙網(wǎng)絡(luò)等等。這些網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標是在高度移動環(huán)境中能夠獲得對于數(shù)據(jù)資源最大帶寬的利用率，以此為用戶開展各項活動提供有效的保障。我國傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中各個傳感器節(jié)點具備一定的數(shù)據(jù)處理以及存儲能力，但依舊難以有效滿足預(yù)期需求[6]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要確保自身在使用過程中能夠確保能源的高效利用，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比于無線網(wǎng)絡(luò)，具有能源高效利用的特點，這也是二者之間的本質(zhì)區(qū)別，總的來講無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個特點：

（一）規(guī)模較大

從實際情況來看，由于部分監(jiān)測工作開展通常位于面積較大的區(qū)域。因此為了獲得準確信息監(jiān)測區(qū)域，當中通常會被部署大量的傳感器節(jié)點，甚至能夠達到成千上萬個。例如在森林火災(zāi)監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中就會廣泛使用傳感器節(jié)點[7]。

（二）網(wǎng)絡(luò)自組

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署過程中不需依賴各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，而是通過分層協(xié)議以及分布式算法的方式引導各個節(jié)點開啟之后便可獨立自發(fā)地形成網(wǎng)絡(luò)。為了進一步確保無線傳感器節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，還需技術(shù)人員做好環(huán)境自動配置以及容錯相關(guān)工作，防止節(jié)點失效后其他節(jié)點補充到網(wǎng)絡(luò)過程中與其他節(jié)點相關(guān)數(shù)據(jù)不匹配[8]。

（三）硬件資源有限

由于無線傳感器節(jié)點自身體積較小，內(nèi)部存儲空間有限，因此無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)計算以及數(shù)據(jù)處理能力相對較弱，設(shè)計人員需要在操作系統(tǒng)設(shè)計過程中盡量避免應(yīng)用復雜的協(xié)議層次[9]。

（四）電源容量有限

雖然無線傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，但由于傳感器節(jié)點本質(zhì)上是由電池供電的元器件設(shè)備，因此電池容量通常較小。如若傳感器節(jié)點耗電完畢，將難以繼續(xù)開展相關(guān)工作，因此設(shè)計人員需要確保技術(shù)和協(xié)議在使用過程中以節(jié)能為相關(guān)工作開展的重點[10]。

（五）動態(tài)拓撲

從本質(zhì)上來講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，在實際工作中可能會因某一個無線傳感器節(jié)點失效而對有關(guān)工作開展造成阻礙。當某一節(jié)點失效后，其他節(jié)點會自動添加進來。此時為了確保原有工作穩(wěn)步開展，需要為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計動態(tài)拓撲組織功能[11]。

（六）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

傳感器節(jié)點本質(zhì)上是隨機部署的，其節(jié)點編號之間的關(guān)系是動態(tài)的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，因此節(jié)點需要具備融合聚合以及緩存等相關(guān)功能。

總體來講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，具有可拓展性較強，實時性較強的特點，設(shè)計人員在設(shè)計無線傳感器節(jié)點性能指標過程中，還需從經(jīng)濟效益角度以及功能角度等多個維度出發(fā)。近些年來隨著社會經(jīng)濟以及信息技術(shù)的高速發(fā)展，設(shè)計人員需要探究如何進一步提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能信息處理能力，以此確保降低研發(fā)生產(chǎn)成本的同時提高工作效率。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息處理現(xiàn)狀

（一）數(shù)據(jù)壓縮、解壓縮

數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮應(yīng)用主要體現(xiàn)在技術(shù)人員對檢測目標的結(jié)果感興趣，而不會關(guān)注具體應(yīng)用場合。例如我國某區(qū)域需要開展關(guān)于生物棲息地的相關(guān)監(jiān)測活動，觀察某地在一段時間內(nèi)野生生物的數(shù)量，與此同時還需關(guān)注這類野生生物的生活習性，此時利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮技術(shù)將難以滿足預(yù)期目標。因此有關(guān)人員需要在傳感器節(jié)點處進行壓縮和解壓縮處理，例如在傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前首先需要對數(shù)據(jù)進行壓縮。雖然這種行為一定程度上增加了傳感器節(jié)點處理器的工作負擔，但相比于傳輸原始數(shù)據(jù)所消耗的能量顯著減少。隨著時代的發(fā)展，國外學者基于數(shù)據(jù)相關(guān)性設(shè)計了分別基于數(shù)據(jù)相關(guān)性、編碼方式以及性能優(yōu)化的壓縮算法。以數(shù)據(jù)相關(guān)性壓縮算法為例，在傳感器節(jié)點開展相關(guān)工作過程中，通過壓縮數(shù)據(jù)和未壓縮數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性恢復原始數(shù)據(jù)。倘若相關(guān)性較低，沒有足夠信息能夠進行壓縮處理時，此方法能耗較低，倘若數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性較高，數(shù)據(jù)在壓縮過程中相比于傳統(tǒng)方式能夠節(jié)省大量能耗。以性能優(yōu)化壓縮算法為例，設(shè)計人員可以將傳感器數(shù)據(jù)存儲于網(wǎng)絡(luò)當中。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)延遲值，通過管道壓縮方法將各類數(shù)據(jù)進行整合，以此減少節(jié)點之間的通信量。同時這種壓縮算法還可以與其他高效路由算法相結(jié)合，以此進一步減少能耗。

（二）分布式數(shù)據(jù)存儲與查詢

從數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲角度來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。每個無線傳感器節(jié)點可以看作為存儲小部分數(shù)據(jù)的模塊，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處理方式與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理方式不同。例如在每個無線傳感器節(jié)點查詢數(shù)據(jù)時，本地會對查詢操作命令進行響應(yīng)，并處理相關(guān)數(shù)據(jù)以此產(chǎn)生查詢結(jié)果。但由于無線傳感器節(jié)點受到系統(tǒng)性能以及體積的影響，因此為了進一步確保分布式數(shù)據(jù)存儲與查詢功能的有效進行，需要確保無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的高效存儲和高效查詢功能。

（三）分布式數(shù)據(jù)融合

分布式數(shù)據(jù)融合是有效減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信量的重要途徑之一。從本質(zhì)上來講，無線傳感器中傳感數(shù)據(jù)會由其子節(jié)點朝著父節(jié)點方向傳輸，在父節(jié)點處對相關(guān)數(shù)據(jù)進行融合處理。由于父節(jié)點會將所有原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行計算和處理，因此這種方式能夠大大降低無線傳感器節(jié)點在通信過程中出現(xiàn)的冗余數(shù)據(jù)，最終一定程度上延長無線傳感器節(jié)點的使用壽命。當前根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際需求可以劃分出多種數(shù)據(jù)融合算法，例如以數(shù)據(jù)為中心、基于剩余能量以及基于性能的融合算法等等。

三、分布式小波數(shù)據(jù)壓縮

本節(jié)重點介紹分布式小波數(shù)據(jù)壓縮算法，該算法能夠使得小波變換的計算量分布于各個無線傳感器節(jié)點當中，能夠有效降低分布式數(shù)據(jù)壓縮算法在性能方面的差異。在實際工作中，由于無線傳感器節(jié)點受到體積影響，其性能十分有限。無論是存儲容量還是通信帶寬，都需要結(jié)合實際工作情況進行設(shè)計。例如，設(shè)計人員難以通過無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)各個節(jié)點單獨傳輸數(shù)據(jù)并匯集的功能。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是這種方式會導致無線傳感器節(jié)點浪費其通信帶寬，倘若消耗過多能量將影響無線傳感器節(jié)點自身使用壽命。其次這種方式降低了信息收集的效率，由于多個節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)，會增加數(shù)據(jù)鏈路層的調(diào)試難度，從而降低通信效率。因此為了確保新時代下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息處理能力，能夠朝著智能化方向發(fā)展，需要技術(shù)人員開發(fā)基于提升格式的分布式小波數(shù)據(jù)壓縮算法。這種算法能夠?qū)鹘y(tǒng)小波變換融入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當中，使得小波算法的計算量能夠分布在各個無線傳感器節(jié)點，使得無線傳感器節(jié)點能夠依托自身計算性能滿足相關(guān)工作需求，有效避免數(shù)據(jù)來回傳輸?shù)默F(xiàn)象，消除無線傳感器節(jié)點之間信息冗余的現(xiàn)象。

四、分布式小波變換

（一）分布式小波變換

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模式是由多個傳感器節(jié)點向一個匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于這種方式會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的信息量，并且每一個無線傳感器節(jié)點自身數(shù)據(jù)計算以及處理能力又十分有限，因此必須使用分布式小波算法才能夠確保相關(guān)工作的順利開展。分布式小波變換的原理在于將小波變換計算量，分散到各個節(jié)點，直接使得各個無線傳感器節(jié)點能夠共同完成小波分解計算。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個傳感器節(jié)點都可以看作是信號向量的一個分量，設(shè)計人員需要將節(jié)點集分成偶數(shù)節(jié)點和奇數(shù)節(jié)點。偶數(shù)節(jié)點在采集信息數(shù)據(jù)后，需要將其傳輸給相鄰奇數(shù)節(jié)點，最后形成一級小波分解系數(shù)。這種方式相比于原始數(shù)據(jù)傳輸能夠減少較多數(shù)據(jù)信息。隨后技術(shù)人員需要重復上述步驟，將系數(shù)傳輸?shù)缴蠈庸?jié)點，再將其分成偶數(shù)節(jié)點和奇數(shù)節(jié)點。最終通過反復重復的方式使得每一個傳感器節(jié)點的計算量較少。倘若技術(shù)人員需要得到原始信息，只需要在無線傳感器節(jié)點中進行小波反變換。

（二）5/3分布式小波壓縮

雖然分布式小波變換實現(xiàn)相對簡單，但其壓縮效果依舊有限。因此為了進一步提高數(shù)據(jù)的壓縮效果需要采取5/3整數(shù)小波變換并解決5/3整數(shù)小波變換存在的諸多問題。例如5/3整數(shù)小波變換過程中無線傳感器節(jié)點之間會來回傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量的通信能量，這些通信能量必然影響無線傳感器節(jié)點的工作性能。因此利用5/3分布式小波壓縮時需要注意其收斂速度。

五、WSN信息處理智能方法設(shè)計

（一）WSN信息處理建模

從本質(zhì)上來講，傳感器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是由現(xiàn)實生活中已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生的事件組成，不同功能以及類型的傳感器會記錄不同事件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。但由于實際生活中各項事物發(fā)生存在不確定性，并且由于無線傳感器節(jié)點自身計算能力和數(shù)據(jù)處理能力有限，導致節(jié)點本身存在不穩(wěn)定性，最終使得無線傳感器節(jié)點在工作過程中出現(xiàn)了不完整的模糊信息。因此為了解決無線傳感器節(jié)點的現(xiàn)實困境，并提高節(jié)點信息處理功能，需要建立分布式計算模型。該模型中設(shè)計人員需要確保每一個無線傳感器節(jié)點都能夠被視作為獨立的對象個體。傳感器需要結(jié)合所在物理環(huán)境以及監(jiān)測正在發(fā)生的事件，根據(jù)事件本身的屬性傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。

（二）層次型智能信息處理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身擁有眾多節(jié)點，這些節(jié)點之間存在著較為松散的耦合。并且由于這些節(jié)點自身信息處理能力較差，即便通過集中控制的方式也難以滿足智能信息處理要求。因此設(shè)計人員需要將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成簇層次結(jié)構(gòu)。簇層次結(jié)構(gòu)能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量消耗，例如簇層次結(jié)構(gòu)能夠使得相鄰無線傳感器節(jié)點按照某種標準動態(tài)形成不同的簇。隨后結(jié)合能量資源實際情況自動將某一節(jié)點作為簇頭，簇頭能夠在層次方面代表本簇，最終將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成層次結(jié)構(gòu)。這種層次結(jié)構(gòu)是以數(shù)據(jù)為中心，以決策表信息系統(tǒng)為形式的結(jié)構(gòu)主體。技術(shù)人員通過局部化原理能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器節(jié)點與有線鄰居節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互，并且簇頭可以向其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)數(shù)據(jù)。此外，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全部簇頭都會指向一個子集，該子集負責與sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。最終能夠?qū)崿F(xiàn)智能化信息處理，減少能源消耗，以此提高系統(tǒng)性能。

六、結(jié)束語

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為人類社會帶來巨大便利。當今時代隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，探究無線傳感器智能信息處理技術(shù)成為廣大科研人員工作開展的重點。科研人員還需結(jié)合無線通信鏈路影響因素以及節(jié)點關(guān)聯(lián)規(guī)則進一步優(yōu)化原有信息處理策略。

作者單位：李淳 國家開發(fā)銀行陜西分行

參? 考? 文? 獻

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李淳（1980.12.25-），男，漢族，江蘇徐州，研究生，工程師、經(jīng)濟師，研究方向：通信工程、流媒體技術(shù)、語音與圖像處理、智能信息處理。