基于無人機的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集研究

關(guān)鍵詞：無人機；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集；優(yōu)化需求

中圖法分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A

無人機在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用越來越普遍，如基于無人機的通信中繼、航拍、表演等。在部分特殊條件下，地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸時，便需要采用無人機作為收集段的搭載平臺對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行采集。在采集過程中數(shù)據(jù)采集的完整性、采集效率取決于無人機飛行軌跡的優(yōu)化，本文以此為重點對其優(yōu)化方式進行系統(tǒng)探討。

1無人機無線傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，針對無人機集體通信網(wǎng)絡(luò)的建立以及數(shù)據(jù)采集體系并不是一個全新的命題，在實踐中往往通過專用接收帶寬予以解決。其主要應(yīng)用現(xiàn)狀以及面臨的客觀挑戰(zhàn)主要如下。

1.1基于通信資源管理的采集體系建設(shè)現(xiàn)狀

在無人機的運行中，會有專門的接收帶寬與具體的接收單元相對應(yīng)。在實際操作中，對感應(yīng)器進行的數(shù)據(jù)收集有一個具體的時限，所以它的帶寬和空間的資源有限，而它的存儲能力也有一個標(biāo)準的標(biāo)稱能力，這就為統(tǒng)籌規(guī)劃專用帶寬提供了可能。由于網(wǎng)絡(luò)空間的巨大拓展性，以及無人機在執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中所要面對的至少數(shù)千個不同的傳感器規(guī)模，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集過程中存在大量的信息資源，進而要求無人機的通信模塊與通信效能得到進一步的提升。因此，必須進一步完善傳感器網(wǎng)絡(luò)與無人機所搭載的接收裝置之間的網(wǎng)絡(luò)資源，使其能夠在有效的時間內(nèi)（無人機過頂時間）完成相關(guān)作業(yè)。當(dāng)前的解決方案是采用一種高效的媒介存取控制機制，可以有效地對網(wǎng)絡(luò)中的各種資源進行管理與壓縮，在源頭上降低不同傳感器之間的通信需求，并解決不同傳感器的傳輸矛盾，達到節(jié)約能源、增加使用壽命、擴大應(yīng)用領(lǐng)域的根本目的。根據(jù)無人機無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點，不同的信號強度對不同類型的感應(yīng)器存在敏感的相關(guān)性，進而可以以此作為分類依據(jù)，在對其進行不同分類的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一整套有效的分類算法，使得具有較高優(yōu)先權(quán)的傳感器信息能夠被更好的采集，這既能降低和避免信息資源的損失，又能降低和避免在通信線路上發(fā)生的信息包損失。這一思路是當(dāng)前解決無人機無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的核心，也是本文后續(xù)優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。

1.2無人機在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中面臨的挑戰(zhàn)

利用無人機對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行采集的本質(zhì)是利用無人機作為接收源的搭載平臺，在高空過頂飛行的過程中建立與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信連接，并通過信息存儲或?qū)崟r回傳等方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。從上述過程來看，其面臨的挑戰(zhàn)主要有如下2個方面。

（1）可行性問題。即無人機過頂時間有限，且面對的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸要求較高，如何在有限的時間內(nèi)完成對無線傳感器信息的收集，并避免遺漏與信息傳輸沖突。由于采用了基于循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)先權(quán)來進行傳感序列的調(diào)度，而沒有按照各傳感器的通道和數(shù)據(jù)的數(shù)量來進行分布，因此無法確保其傳送的完整性。在收集任務(wù)時，它會在一定距離內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，會無視傳感器的信息傳遞，也會切斷和接收設(shè)備之間的聯(lián)系，這種方式無法保證在一定距離內(nèi)進行信息傳輸。所以，在無人機的無線傳感系統(tǒng)中，還必須設(shè)計一個更為嚴謹、有效的通信信號來源的控制策略，從而建立起一座由無人機和感測器組成的信息傳遞的橋梁。

（2）效能問題。在進行單一的資源調(diào)度時，均勻地運行會導(dǎo)致資源的消耗?，F(xiàn)有的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)和無人機的移動方式可以達到節(jié)約能源的目的，但由于當(dāng)前的解決方案存在著傳感器數(shù)目和數(shù)據(jù)傳送的局限性，而且在傳感器數(shù)目和空間密度大的條件下，其數(shù)據(jù)的獲取并不令人滿意。結(jié)合具體的應(yīng)用場合，可以通過無人機獲得其歷史資料的方式在一定程度上進行解決，并通過對所收集到的傳感器采用數(shù)量預(yù)報的方式進行提前的路徑規(guī)劃。但是，此方式僅能夠解決固定傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集問題，對于突發(fā)事件（如傳感器網(wǎng)絡(luò)的意外掉網(wǎng)）缺少有效的解決手段。

2無人機無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)化需求結(jié)合當(dāng)前技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及在無人機參與無線傳輸傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中可能面對的挑戰(zhàn)，在實際的路徑優(yōu)化上需要解決如下幾方面問題，也是無人機通信規(guī)劃中優(yōu)化的基本原則與方向。

2.1能耗平衡問題

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)本身能量消耗在整個系統(tǒng)中的占比相對較高，雖然主管部門加大了對網(wǎng)絡(luò)的管理力度，但若網(wǎng)絡(luò)能量消耗存在不平衡的情況，依然會導(dǎo)致信號傳輸頻率不穩(wěn)定。尤其是在一個分布的集群中，由于簇頭需要更多的能源，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)自身必須兼顧負荷平衡。只有當(dāng)其實現(xiàn)了負載平衡，無人機的通信節(jié)點與距離才能夠被控制在一個穩(wěn)定的區(qū)間，并基于有效的距離覆蓋對其路徑與覆蓋方式、傳輸方式進行研判和優(yōu)化。

2.2能耗節(jié)約問題

能耗的高低決定了無人機的空置時間，也決定了無人機在單次飛行過程中能夠覆蓋的收集面積。因此，在保障數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，需要盡可能地對能耗進行有效的管控，進而達到節(jié)約能源的目的。節(jié)省能量在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資料收集方面具有積極意義。雖然lC與微型計算機技術(shù)的發(fā)展在降低能量損耗方面具有一定的突破，但是其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的存儲容量總是有限制的，進而在進行內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資料的處理與傳送時，會造成能量損耗，這一過程無法得到有效避免。由于網(wǎng)絡(luò)中的能源并不是可回收的能源，也并非需要無人機的參與，在每個節(jié)點以及節(jié)點之間的總能源消耗都會對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的活躍生命周期產(chǎn)生很大影響。因此，可以考慮將節(jié)點之間的傳輸在傳感器設(shè)計過程中進行規(guī)劃，以達到消減無人機能耗的根本目的。

2.3交互數(shù)據(jù)收集問題

無人機無線傳感器矩陣之間的信息交互可以簡單看作是“三射三反”的過程。首先，無人機的接受平臺會進入通信范圍內(nèi)向傳感器網(wǎng)絡(luò)提請連接申請，傳感器網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)申請后會建立二者之間的聯(lián)系通路。通路建設(shè)完畢后，傳感器網(wǎng)絡(luò)會在檢測傳輸路徑穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)的傳輸，無人機的采集設(shè)備同時做好數(shù)據(jù)的存儲。當(dāng)傳輸完畢后，無人機返回接收指令并對數(shù)據(jù)包的完整性進行認證，認證后對傳輸路徑實現(xiàn)斷開操作。在某些情況下，僅限于某個地區(qū)某個固定的傳感器收集到的數(shù)據(jù)，并非集中在各個節(jié)點上。因此，數(shù)據(jù)接收端不需要在同一時間啟動各個傳感器的節(jié)點，從而進入一種有效的睡眠模式，節(jié)省接收平臺的能量消耗。通常這種睡眠機理的設(shè)計控制有路徑控制和網(wǎng)絡(luò)控制2個層次，其中路徑控制僅作用于接收端，而網(wǎng)絡(luò)控制則需要與傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸節(jié)點發(fā)生二次的數(shù)據(jù)交互。

3能耗與傳輸速率下無人機無線傳感器數(shù)據(jù)采集策略優(yōu)化

從上文不難發(fā)現(xiàn)，無人機無線傳感器數(shù)據(jù)采集在路徑規(guī)劃以及傳感器自身的節(jié)點傳輸模式下可以實現(xiàn)能耗與傳輸速率2個維度上的有效優(yōu)化。具體包括對傳輸節(jié)點以及對無人機運行軌跡優(yōu)化2個方面。

3.1對傳輸節(jié)點的優(yōu)化

傳輸節(jié)點優(yōu)化的核心目的是通過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建節(jié)點與節(jié)點之間的通信，進而在一定范圍內(nèi)通過地面的固定傳輸將不同節(jié)點之間的傳感器數(shù)據(jù)進行有效匯總，再通過固定節(jié)點與無人機上的數(shù)據(jù)采集端建立通信網(wǎng)絡(luò)，以達到降低無人機負載與能耗的目的（圖1）。

3.2對無人機軌跡的優(yōu)化

無人機軌跡包括能耗參數(shù)與速度參數(shù)2種，二者共同決定了無人機數(shù)據(jù)采集端的覆蓋面積與通信時長。因此，在具體的優(yōu)化過程中也需要通過上述2個過程來予以實現(xiàn)。

在軌跡方面，根據(jù)對圖1中無人機和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分析可以看出，該系統(tǒng)是一種能夠在運動時，在一定的軌跡上，對傳感器的數(shù)據(jù)進行記錄和收集的有效鏈接方式。為了更好地收集和儲存數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)收集時，無人駕駛的飛行器配備了足夠的電力和儲存能力。對其路徑模型進行簡化，可以認為在通道的兩邊有N個均勻的傳感器（這一過程由傳輸節(jié)點優(yōu)化完成），這些傳感器大部分都處于睡眠中，以減少能量消耗。在無人機的航行中，通常會受到道路、地形等影響，需要通過隨時調(diào)整飛行高度和速度來實現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)建立。對L線路兩邊的傳感器進行數(shù)據(jù)收集，并對該飛行器的飛行軌跡進行假定驗證，其中驗證的理論總行程設(shè)置為L。另外，H表示為防止發(fā)生沖突而設(shè)置的最小的飛機高度參數(shù)。二者之間符合的模型公式的相關(guān)關(guān)系為：

當(dāng)無人機在空中運行時，它的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集時間是M。通過對傳感器的數(shù)據(jù)進行分析，可以大幅提高采集的效率和精度，節(jié)省大量的能耗和時間，為整個該系統(tǒng)的總體能耗降低帶來巨大貢獻。基于此，無人機的3D軌道則是在不受城市建筑干擾的情況下，根據(jù)自身的變化，實現(xiàn)對建筑的自適應(yīng)，達到減少通信鏈路重連次數(shù)，以及減少能源消耗的根本目的。除此之外，無人機還能通過對錯綜復(fù)雜的線路進行解析，并依據(jù)傳感器的定位，做出科學(xué)、合理的軌道計劃。在式（1）模型下，將無人機通過單位節(jié)點時隙的變量t以及傳感器到無人機之間的信號損耗自由度n之間的變量關(guān)系可以描述為式2。對式2的最小值進行求解可以實現(xiàn)在固定飛行最低高度情況下的無人機路徑的最優(yōu)解。

在速度方面，無人機的飛行速度決定了數(shù)據(jù)采集端與傳輸節(jié)點之間建立網(wǎng)絡(luò)的最長時間，因此在固定的路徑需要對無人機飛行數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。優(yōu)化的思路遵循2個原則，其一，在建立通信網(wǎng)絡(luò)后以數(shù)據(jù)傳輸完整性作為時間的控制要素；其二，在未建立數(shù)據(jù)連接時，則以無人機的最小能耗作為飛行數(shù)據(jù)的依據(jù)。以單傳感器為例，當(dāng)無人機處于數(shù)據(jù)傳輸間隔且間隔固定，速度與能耗模型可以整合為：

對式（3）進行求解后，可以分別得出dn與tm之間的相關(guān)關(guān)系，將其擬合為無人機飛行過程中的x與y軸坐標(biāo)，考慮傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸效能，無人機在建立數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)后的速度為：

其中，V表示網(wǎng)絡(luò)建立內(nèi)的最優(yōu)速度，x表示數(shù)據(jù)傳輸所需要的最大距離空間，R代表數(shù)據(jù)接收裝置的網(wǎng)絡(luò)連接有效半徑。在實踐中，根據(jù)不同設(shè)備參數(shù)將相關(guān)數(shù)值帶人其中便可以實現(xiàn)對最優(yōu)速度的求解，與式3中確定的模型相結(jié)合可以求解無人機在數(shù)據(jù)收集全過程中不同節(jié)點的最優(yōu)速度，以10%進行速度降低可以保障數(shù)據(jù)傳輸具有一定的冗余，并在路徑與速度規(guī)劃上實現(xiàn)有效的自動化控制。

4結(jié)束語

本文首先分析了利用無人機進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，并找到其中的難點與可能面對的挑戰(zhàn)；其次，從采集效率的角度分析，針對無人機的優(yōu)化需要將能耗降到最低，進而保障其置空時間，以及保障其傳輸效率最高進而實現(xiàn)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；最后，分別從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化、無人機軌跡及速度優(yōu)化3個方面給出了優(yōu)化模型。在后續(xù)的應(yīng)用中帶入相關(guān)設(shè)備參數(shù)便可以對無人機的具體飛行路徑進行求解，實現(xiàn)提升數(shù)據(jù)采集效能的目的。

作者簡介：

孔強（1974—），大專，助理工程師，研究方向：電子信息工程。