王玉寶 舒焱 韋固

【摘 要】作為一種新興的網(wǎng)絡形態(tài)，同時又是傳感技術、通信技術、微機電技術、嵌入式技術、分布式計算技術等多學科交叉的領域，無線傳感器網(wǎng)絡一經(jīng)提出便引起了多方面的關注，這也意味著有眾多關鍵技術有待研究。如節(jié)點定位技術、網(wǎng)絡覆蓋技術、網(wǎng)絡信息管理技術、網(wǎng)絡拓撲控制、網(wǎng)絡協(xié)議、時間同步、低功耗無線通信技術和嵌入式操作系統(tǒng)等，都是無線傳感器網(wǎng)絡研究的熱點。當然，這些關鍵技術并非獨立存在，而是互相滲透，互為依托。

【關鍵詞】土壤環(huán)境監(jiān)測；傳感器；網(wǎng)絡關鍵技術

前言：

無線傳感器網(wǎng)絡在網(wǎng)絡協(xié)作、智能控制、遠程測控等領域的廣闊應用前景吸引了越來越多的機構和研究者對其投入研究，取得了很多研究成果。在土壤環(huán)境監(jiān)測中也有其獨特的技術優(yōu)勢。然而，目前提出的相關算法和系統(tǒng)大多數(shù)都與特定的應用場合和對象相關聯(lián)，存在一定的局限性，需要針對具體的應用背景作進一步具體的研究。本文的后續(xù)章節(jié)將重點討論面向土壤環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡所涉及的三項關鍵技術覆蓋控制，節(jié)點故障診斷，網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮技術，以及相關技術目前所面臨的問題。

一、覆蓋控制技術

目前，無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋控制算法的研究主要集中在四個方面。第一類是節(jié)能覆蓋的研究。這類覆蓋算法主要是研究在保持一定網(wǎng)絡覆蓋率的條件下，如何有效地節(jié)省能量，延長了網(wǎng)絡生存時間。對節(jié)能覆蓋的研究主要集中在兩方面。

第一，如何使用盡可能少的節(jié)點完成覆蓋，且該覆蓋方案可以獲得較長的網(wǎng)絡生命周期。目前的解決方案大都只能解決好一方面的問題。第二，對保持覆蓋區(qū)域或部分保持覆蓋區(qū)域的節(jié)點調(diào)度算法，其中包括集中式算法和分布式算法。其中，分布式算法又可以分為分簇的和不分簇的覆蓋算法[1]。此外還有用覆蓋集數(shù)目最大化的方法來延長網(wǎng)絡生命周期的研究。然而對于當前的節(jié)點調(diào)度算法，頻繁的節(jié)點調(diào)度使得系統(tǒng)開銷太大而節(jié)點能耗卻仍不均衡。

表面上看，基于分簇的覆蓋算法使得節(jié)點調(diào)度開銷大大降低，而節(jié)點調(diào)度又使得節(jié)點能耗均衡。但當前的分簇方法多為均勻分簇，由于無線傳感器網(wǎng)絡中存在熱區(qū)問題，實際上節(jié)點能耗并不均衡。對于現(xiàn)有的求覆蓋集的算法，算法復雜度又較高且實現(xiàn)起來也比較困難。

如研究考察目標穿越無線傳感器網(wǎng)絡時被檢測或是沒有被檢測的情況，反映了給定無線傳感器網(wǎng)絡所能提供的感知和監(jiān)視能力。它所要解決的問題是如何同時滿足網(wǎng)絡一定的傳感覆蓋和通信連通性需求，這對于一些要求可靠通信的應用至關重要。第四類為目標定位覆蓋。在某些特殊環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋“伴隨而來”的是無線傳感器網(wǎng)絡的目標定位問題，稱此時的無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋為目標定位覆蓋。無線傳感器網(wǎng)絡中的覆蓋問題依據(jù)覆蓋的內(nèi)容，可分為通信覆蓋和感知覆蓋。通信覆蓋研究的是網(wǎng)絡的通信連通性感知覆蓋研究的是傳感器網(wǎng)絡對物理世界的檢測的好壞，是傳感器網(wǎng)絡在感知上的服務質(zhì)量問題。

二、節(jié)點故障診斷技術

隨著傳感器網(wǎng)絡結構的復雜、規(guī)模的擴大、功能的完善，對網(wǎng)絡可靠性的需求也日益增加，而節(jié)點故障診斷技術對及時了解網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點的狀態(tài)起著重要作用。因此，研究傳感器網(wǎng)絡節(jié)點故障診斷是非常重要和有必要的工作，原因如下：

1.大量的廉價節(jié)點被配置在不可控、惡劣的土壤環(huán)境中，日浸雨蝕，節(jié)點發(fā)生故障的概率相對其它系統(tǒng)而言要高得多。

2.節(jié)點通常由電池供電，能量有限，在節(jié)點因電池耗盡而失效是非常普遍的。

3.故障節(jié)點會產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)出錯輕則使監(jiān)測中心得不到正確信息，嚴重時可以使整個監(jiān)測網(wǎng)絡崩潰。

4.手工檢測各節(jié)點是否正常，是非常麻煩且不現(xiàn)實的。為了保證傳感器網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，有必要對網(wǎng)絡中有故障的節(jié)點做出偵測。

雷霖等提出了一種基于理論的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點故障診斷算法。Rough set理論具有以不完全信息處理不分明現(xiàn)象，依據(jù)觀察或度量到的某些不精確的結果而進行分類數(shù)據(jù)的能力[2]。利用粗糙集理論的屬性約簡算法可以剔除傳感器節(jié)點故障的冗余屬性，從而達到數(shù)據(jù)約簡，提高故障診斷的準確性和效率的目的。代傳龍對粗糙集理論中幾種約簡算法進行改進，并結合神經(jīng)網(wǎng)絡應用到傳感器節(jié)點的故障診斷中去，提出了粗糙集與神經(jīng)網(wǎng)絡集成的故障診斷算法。張劫等借鑒算法，利用分層型網(wǎng)絡中的簇及其簇內(nèi)節(jié)點包括采集節(jié)點、簇頭、網(wǎng)關的鏈路關系，提出了基于比較的簇節(jié)點故障診斷算法。

三、網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮技術

能量是無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵資源，對整個網(wǎng)絡的生存期起著決定作用。無線傳感器網(wǎng)絡的一個主要任務是收集網(wǎng)絡監(jiān)測到的信息，并將其傳送到數(shù)據(jù)基站，交給感興趣的用戶進行處理。不同于傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡通常在監(jiān)測區(qū)域密集地部署傳感器節(jié)點，以對付自然環(huán)境和其它原因造成的節(jié)點失效以及傳感數(shù)據(jù)精度的偏差問題，這就使得網(wǎng)絡產(chǎn)生了大量的傳感數(shù)據(jù)。另一方面，由于硬件技術的局限，傳感器節(jié)點只有有限的能量、通信帶寬和存儲能力[3]。如何在資源受限，節(jié)點密集的無線傳感器網(wǎng)絡中實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)壓縮是研究人員面臨的一個重要問題。

在土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，散布于被監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點采集土壤的溫度、濕度、氮磷鉀含量和值等信息，同樣將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。有研究表明，在WSNS中，數(shù)據(jù)的傳輸消耗了總能耗的，直接影響整個傳感器網(wǎng)絡的生存期。因此充分利用網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮是解決這個問題的一個辦法。對傳感器節(jié)點采集的大量數(shù)據(jù)進行壓縮處理主要具有以下兩方面優(yōu)點：

1.對原始數(shù)據(jù)進行壓縮處理，減少了數(shù)據(jù)傳輸量，從而節(jié)省了能量，延長了網(wǎng)絡生存周期；

2.減輕網(wǎng)絡的傳輸擁塞，數(shù)據(jù)傳輸量的減小，降低了數(shù)據(jù)傳輸延遲，從而提高了的整體監(jiān)測效率。

傳統(tǒng)的傳感器只能夠進行簡單的數(shù)據(jù)采集，而組成無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點還具有一定的數(shù)據(jù)存儲和處理能力，這就使得無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮成為可能。網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮是指多個傳感器節(jié)點通過協(xié)作在網(wǎng)內(nèi)對原始傳感數(shù)據(jù)進行壓縮處理，再將處理結果傳送到數(shù)據(jù)基站。數(shù)據(jù)壓縮能夠利用傳感器節(jié)點的計算和存儲等資源來減少內(nèi)參與通信的數(shù)據(jù)量，從而節(jié)省網(wǎng)絡耗能，延長網(wǎng)絡生命周期。

在無線傳感器網(wǎng)絡中，單個傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)在時間上可能是相關的，地理位置相鄰的傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)在空間上往往也是相關的。既然無線傳感器網(wǎng)絡收集到的數(shù)據(jù)存在某種相關性，那么我們有理由使用某種變換來去除其中的冗余信息，達到數(shù)據(jù)壓縮的目的。小波是一種能同時表征信號時域和頻域行為的數(shù)學工具，具有多分辨分析的特性，在不同的尺度下仍然能保持信號的統(tǒng)計特性，已成功應用于信號處理，特別是數(shù)據(jù)壓縮領域。小波變換計算簡單，易于實現(xiàn)，基于小波技術研究無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)壓縮，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

四、結語

綜上所述，多目標關聯(lián)覆蓋充分挖掘了傳感器節(jié)點和目標監(jiān)測點間的關聯(lián)信息，并通過一定的節(jié)點調(diào)度機制來處理關聯(lián)信息集合，使得不同集合中節(jié)點輪流工作，節(jié)點工作效率很高，仿真結果表明，考慮網(wǎng)絡節(jié)點間的連通性后，覆蓋率可以有一定的提高，但同時帶來了網(wǎng)絡能耗的增大，實際應用中還需要綜合權衡考慮。

【參考文獻】

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