基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法

摘要：為降低傳輸中數(shù)據(jù)通信路徑的抖動(dòng)頻次，提高傳輸路徑的網(wǎng)絡(luò)帶寬，文章引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)研究傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法。根據(jù)無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，設(shè)置通信半徑，明確不同節(jié)點(diǎn)之間能夠相互通信的最大距離，以此為依據(jù)，建立傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)中的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，進(jìn)行全域數(shù)據(jù)掃描；使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，選取傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)；引入了數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)中的多播方式，設(shè)計(jì)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑傳輸。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該方法可以在控制傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑抖動(dòng)頻次的基礎(chǔ)上，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的帶寬，為數(shù)據(jù)的高效率傳輸提供全面的技術(shù)保障與支持。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù)；簇頭節(jié)點(diǎn)；優(yōu)化方法；路徑；數(shù)據(jù)傳輸；傳感設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能交通等領(lǐng)域，傳感設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集的前端，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。

李小汝等^［1］通過(guò)深入分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?，確定了數(shù)據(jù)傳輸幀的最佳長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖DPC碼度分布，以實(shí)現(xiàn)高通量衛(wèi)星通信傳輸信息的最大化。盡管該方法優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，但在復(fù)雜多變的通信環(huán)境中，仍可能面臨信道干擾和信號(hào)衰減等問(wèn)題，影響通信質(zhì)量。同時(shí)，該方法對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)調(diào)整能力尚需進(jìn)一步提高，以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求變化。張偉等^［2通過(guò)構(gòu)建基于多層次數(shù)據(jù)融合的集群監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)，對(duì)各層次的安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)，研究多優(yōu)先級(jí)、多路徑傳輸機(jī)制，為數(shù)據(jù)的低延時(shí)、高效傳輸提供決策支持。但WSN節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，可能無(wú)法處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，限制了其在大型流程行業(yè)中的應(yīng)用范圍，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，增加了數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，該方法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化適應(yīng)性有限，可能無(wú)法及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，影響?shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

為解決現(xiàn)有方法的不足，本文引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)，開(kāi)展傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)研究，以此種方式，推進(jìn)傳感設(shè)備在市場(chǎng)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 建立傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)

為滿(mǎn)足傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，本文采用建立數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的方式，為數(shù)據(jù)傳輸提供技術(shù)支撐。在此過(guò)程中，傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)涉及多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)中央接收節(jié)點(diǎn)（或基站），將傳感器節(jié)點(diǎn)分布在特定的地理區(qū)域內(nèi)，收集數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央節(jié)點(diǎn)^［3］。為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，可以根據(jù)無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，設(shè)置通信半徑，明確不同節(jié)點(diǎn)之間能夠相互通信的最大距離。此過(guò)程計(jì)算公式如下：

f=kF+lφe（1）

其中，f為節(jié)點(diǎn)間能夠相互通信的最大距離；k為節(jié)能能耗限制；F為節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率；l為中央節(jié)點(diǎn)；φ為無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度；e為傳感器節(jié)點(diǎn)分布密度。考慮到無(wú)線信號(hào)的衰減和障礙物的存在，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的設(shè)置可以通過(guò)下述公式計(jì)算：

p=hqsm（2）

其中，p為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；s為無(wú)線信號(hào)的衰減；m為障礙物數(shù)量。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要來(lái)自數(shù)據(jù)收集和傳輸。傳輸距離越遠(yuǎn)，消耗的能量越多^［4］。能量消耗模型通常與傳輸距離、數(shù)據(jù)大小和傳輸功率有關(guān)，因此，在掌握網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的基礎(chǔ)上，以此為依據(jù)，對(duì)路徑傳輸中的能量損耗進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

L=2γpz（3）

其中，L為傳輸路徑中的能量損耗；γ為數(shù)據(jù)規(guī)模；z為傳輸功率。通過(guò)上述方式，掌握數(shù)據(jù)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的損耗，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)選取

簇頭節(jié)點(diǎn)的選取對(duì)于平衡網(wǎng)絡(luò)能耗、提高數(shù)據(jù)傳輸效率具有關(guān)鍵作用，因此，在完成上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)后，引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)，進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)的選取^［5］。在此過(guò)程中，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)中的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行全域數(shù)據(jù)掃描，收集分布在空間中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括節(jié)點(diǎn)位置信息、剩余能量、通信質(zhì)量等，將其傳輸?shù)街醒敕?wù)器或數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)和預(yù)處理。處理過(guò)程計(jì)算公式如下：

α=∑L·β（4）

其中，α為數(shù)據(jù)預(yù)處理；β為大數(shù)據(jù)掃描范圍。在預(yù)處理完成后，使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

P=E（α）T（5）

其中，P為節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)；E為機(jī)器學(xué)習(xí)系數(shù)；T為關(guān)聯(lián)條件。簇頭節(jié)點(diǎn)的選取與其剩余能量成正比，即剩余能量越多的節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的概率越大，通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)的剩余能量數(shù)據(jù)，找出剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)作為候選簇頭^［6］。在此過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的概率可以通過(guò)下述公式計(jì)算：

Q=1DP（6）

其中，Q為節(jié)點(diǎn)被選為簇頭的概率；D為節(jié)點(diǎn)的總剩余能量。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和到坐標(biāo)中心的距離，進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)的選取^［7］。此過(guò)程計(jì)算公式如下：

W=χQ+（1-δ2）（7）

其中，W為傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)選??；χ為節(jié)點(diǎn)加權(quán)；δ為權(quán)重因子。按照上述方式，完成基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)選取。

3 傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑傳輸

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑的傳輸設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，為確保數(shù)據(jù)高效、可靠地通過(guò)多條路徑并發(fā)傳輸，引入了數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)中的多播方式^［8］。多播方式允許數(shù)據(jù)在單個(gè)發(fā)送操作中被發(fā)送到多個(gè)接收者，傳輸中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)的特性選擇出多條合適的傳輸路徑，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包成多個(gè)數(shù)據(jù)單元，根據(jù)路徑選擇的結(jié)果，將數(shù)據(jù)單元同時(shí)發(fā)送到路徑上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)^［9］。此過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都負(fù)責(zé)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)屬于自己的數(shù)據(jù)單元，從而確保數(shù)據(jù)能夠沿著多條路徑并行傳輸，最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。此過(guò)程計(jì)算公式如下：

J=ε+2Wc（8）

其中，J為數(shù)據(jù)分發(fā)；ε為路徑評(píng)分；c為路徑能耗。在目的地節(jié)點(diǎn)，需要對(duì)通過(guò)多個(gè)路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行重組，以得到完整的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)重組可以通過(guò)序列號(hào)、時(shí)間戳等方式進(jìn)行，確保數(shù)據(jù)的順序性和完整性。數(shù)據(jù)重組過(guò)程計(jì)算公式如下：

ω=∑J+rξ（9）

其中，ω為終端在接收數(shù)據(jù)后的重組處理；r為數(shù)據(jù)序列號(hào)；ξ為數(shù)據(jù)時(shí)間戳。終端在接收到數(shù)據(jù)后，按照公式（9）進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，以此實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的多路徑傳輸，完成基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法設(shè)計(jì)^［10］。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

完成上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)后，選擇某生產(chǎn)單位傳感設(shè)備展開(kāi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為確保傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的可靠性，選取多用途的傳感設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)中選用的傳感設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，將其作為本次實(shí)驗(yàn)的樣本數(shù)據(jù)，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，如表2所示。

在傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)首先由傳感器采集并打包，然后通過(guò)預(yù)定的傳輸路徑（如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)或總線系統(tǒng)）發(fā)送至接收端（如上位機(jī)、數(shù)據(jù)中心等）。接收端在接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)進(jìn)行解包處理，提取出有用的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)或進(jìn)一步處理。在一次為期1周的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)某無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在每天的10：00—12：00時(shí)間段內(nèi)，由于周?chē)姶怒h(huán)境的干擾，傳輸路徑的抖動(dòng)頻次平均達(dá)到5次/min，最高達(dá)到10次/min。除上述問(wèn)題，在一項(xiàng)針對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中約10%的通信傳輸節(jié)點(diǎn)存在離線問(wèn)題，而出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬不足。

為解決現(xiàn)有方法的不足，分別應(yīng)用李小汝等^［1］、張偉等^［2］方法與本文方法進(jìn)行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑的優(yōu)化。將上述數(shù)據(jù)作為傳輸對(duì)象，對(duì)3種方法傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的路徑抖動(dòng)頻次進(jìn)行分析對(duì)比，相關(guān)結(jié)果如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化，優(yōu)化后傳輸傳感設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)的10條路徑抖動(dòng)頻次均為0，而李小汝等^［1］、張偉等^［2］方法在傳輸傳感設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)法保證每條路徑的抖動(dòng)頻次均為0。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑帶寬進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖1所示。

從圖1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的節(jié)點(diǎn)傳輸率下，應(yīng)用本文方法進(jìn)行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑帶寬最大，而李小汝等^［1］、張偉等^［2］方法對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑帶寬則相對(duì)較小。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)化方法應(yīng)用效果良好，該方法可以在控制傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑抖動(dòng)頻次的基礎(chǔ)上，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的帶寬，此種方式為數(shù)據(jù)的高效率傳輸提供了全面的技術(shù)保障與支持。

5 結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的挖掘能力顯著提升，為傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑的優(yōu)化提供了有力支持。隨著傳感設(shè)備數(shù)量的不斷增加以及采集數(shù)據(jù)量的急劇增長(zhǎng)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸路徑已難以滿(mǎn)足高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求。且現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸路徑在面對(duì)海量數(shù)據(jù)時(shí)，大多存在傳輸效率低下、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。為解決此方面問(wèn)題，本文在此次研究中引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)，從傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)選取、傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑傳輸?shù)确矫妫_(kāi)展了傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)研究。本文通過(guò)深入分析傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)特性、傳輸需求以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，旨在降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和丟包率，提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，從而為物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等的建設(shè)應(yīng)用提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Optimization method of data transmission path of sensing equipment based on big data technology

ZHU" Ronghua

（Zhujiang College， South China Agricultural University， Guangzhou 510900， China）

Abstract：" In order to reduce the jitter frequency of the data communication path in the transmission and improve the network bandwidth of the transmission path， this article introduces big data technology to carry out the design and research of the optimization method of the data transmission path of the sensing equipment. According to the strength of the wireless signal and the transmission power of the node， the communication radius is set to define the maximum distance between different nodes to communicate with each other， establish the sensing equipment data transmission network; use data mining technology in big data technology to scan global data; The article uses machine learning technology to calculate node correlation， select transmission node cluster node according to computing nodes; and introduces multicast mode in data distribution technology to design multi-path transmission of data of sensing equipment. The comparative experimental results prove that this method can improve the bandwidth of the network transmission path on the basis of controlling the jitter frequency of the data transmission path of the sensing equipment， and provide comprehensive technical support for the efficient data transmission in this way.

Key words： big data technology; cluster head node; optimization method; path; data transmission; sensing equipment