基于移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法研究

(1.江蘇第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，南京210013;2.金陵科技學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，南京210013)

(1.江蘇第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，南京210013;2.金陵科技學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，南京210013)

針對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法存在的能耗高、網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了一種基于移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法，此方法的基本思想是，首先選擇一個(gè)合適的移動(dòng)機(jī)器人作為族頭，一定周期內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量會(huì)被移動(dòng)機(jī)器人檢測(cè)出來(lái)，同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量也能被檢測(cè)出來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人是否移動(dòng)由這兩個(gè)能量參數(shù)的大小決定的。隨著機(jī)器人的移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)的路由也會(huì)相應(yīng)的更新，然后重新選擇移動(dòng)機(jī)器人族頭。測(cè)試結(jié)果表明，此方法能很好的降低傳輸延遲和節(jié)點(diǎn)能量消耗。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)采集;移動(dòng)機(jī)器人;傳輸延遲

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在很多領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，路由算法是WSN中很重要一部分，傳統(tǒng)的路由算法主要是基于能量有效性的路由算法，此算法雖然被廣泛的用在密集部署的WAN中，但是對(duì)于節(jié)點(diǎn)比較稀疏的WAN來(lái)說(shuō)卻無(wú)法使用［1］。但是在對(duì)大氣監(jiān)測(cè)和城市空氣質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，為了降低成本，傳感器的節(jié)點(diǎn)都是很稀疏的，所以各個(gè)節(jié)點(diǎn)直接的距離是很遠(yuǎn)的，節(jié)點(diǎn)之間的通信是個(gè)很難解決的問(wèn)題［2］。如果想解決這個(gè)問(wèn)題，就必須有合適的數(shù)據(jù)采集方法。

文章提出的基于移動(dòng)機(jī)器人(MRS)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法就能夠很好解決這個(gè)問(wèn)題，使用移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，這樣不但能減低網(wǎng)絡(luò)延遲，而且能夠節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量。這樣就能很好的解決了因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)稀疏帶來(lái)的節(jié)點(diǎn)之間的通信問(wèn)題和能量消耗太快的問(wèn)題。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

目前，應(yīng)用最多最廣泛的WAN模型使用的傳感器節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)都是很密集的，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是在很小的范圍內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集點(diǎn)。在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)就是所謂的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。數(shù)據(jù)的傳輸主要是各個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)通過(guò)多跳的方式進(jìn)行［3］。

傳感器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人和一個(gè)靜態(tài)基站構(gòu)成了文章中使用的WAN。數(shù)據(jù)的采集通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人完成。MRs的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力都非常強(qiáng)，受能量的影響可以忽略不計(jì)，維護(hù)也非常的方便，只需要充電和更換電池即可。MRs把傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)收集之后輸出給靜態(tài)基站［4］。根據(jù)實(shí)際的需要通常移動(dòng)電話或者掌上電腦都可以用來(lái)代替移動(dòng)機(jī)器人。

在文章的數(shù)據(jù)收集方式中，MRs在收集數(shù)據(jù)的同時(shí)，還擔(dān)任了WSN中的族頭。和傳統(tǒng)的族頭選定方法相比優(yōu)勢(shì)非常明顯，最重要優(yōu)勢(shì)是能解決傳統(tǒng)方法中因?yàn)樯贁?shù)族頭節(jié)點(diǎn)能量消耗太快過(guò)早死亡的問(wèn)題。從而可以避免網(wǎng)絡(luò)失效的問(wèn)題。

2 移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所用移動(dòng)機(jī)器人是基于ARM設(shè)計(jì)的，采用低精度MEMS—IMU實(shí)現(xiàn)，這樣可以提高移動(dòng)的精度和可靠性。具體的設(shè)計(jì)硬件框圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人硬件框圖

3 MRs數(shù)據(jù)收集方法

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)首先要進(jìn)行族頭的選擇，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)之間路徑最短的MR會(huì)被選為族頭，MRs會(huì)每隔一個(gè)周期檢測(cè)一次傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果發(fā)現(xiàn)MR相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量比網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量低的時(shí)候，這個(gè)MR會(huì)自動(dòng)開(kāi)始隨機(jī)移動(dòng)，經(jīng)過(guò)移動(dòng)之后，傳感器節(jié)點(diǎn)的路由會(huì)自動(dòng)更新，相應(yīng)的族頭也會(huì)發(fā)生改變［5］。

3.1 族的生成

在每個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)都會(huì)混入一個(gè)族(MR是族頭)，MR族到達(dá)的路由信息傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)獲得。MR每次位置更換時(shí)都會(huì)生成一個(gè)新族，具體的流程圖如圖2所示。

BEACON是MRS廣播族的更新消息，其中包括了MRs位置信息和跳數(shù)h。BEACON通過(guò)MR或Sink接收并且轉(zhuǎn)發(fā)。傳感器節(jié)點(diǎn)接收到該消息后會(huì)自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度SS，如果檢測(cè)到強(qiáng)度沒(méi)有接收信號(hào)強(qiáng)度閾值Rxthresh強(qiáng)，會(huì)檢測(cè)該消息的MR是否是族頭，是族頭則會(huì)被從路徑表中刪除，同時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)強(qiáng)度太低的報(bào)警信息LSS;如果SS比Rxthresh大，則會(huì)檢測(cè)該信息的跳數(shù)h的情況，如果h大于或者等于hcurr(路由路徑跳數(shù))，此信息會(huì)被拋棄，相反，路由表會(huì)被更新，同時(shí)發(fā)送生成族的信息CLU_CFG。此時(shí)MDC就成為BEACON的新族頭［6］。

圖2 族生成流程圖

3.2 族的保持和更新

一些特殊的節(jié)點(diǎn)(距離MRs單跳節(jié)點(diǎn))因?yàn)橐D(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，所以能量消耗非常快，這樣會(huì)導(dǎo)致此節(jié)點(diǎn)提前死亡，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。為了避免這種情況的出現(xiàn)，需要通過(guò)MRs的定期移動(dòng)減緩這傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗［7］。

設(shè)Er是剩余能量，hm是跳數(shù)，MRs相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量可表示為:

式(1)中Nhm=1是和MR相距跳數(shù)是1的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

設(shè)檢測(cè)區(qū)域中心 MR當(dāng)作 MR Leader。MR Leader每?jī)蓚€(gè)周期會(huì)接收一次MRs相鄰節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量EiMR，則所有EiMR平均值可以通過(guò)MR Leader計(jì)算出來(lái):式(3)中，nMR是網(wǎng)絡(luò)中MRs的數(shù)量。

如果EiMR的值大于或者等于EvMR的值，MR不會(huì)移動(dòng)，相反則會(huì)自動(dòng)移動(dòng)。

3.3 MRs的移動(dòng)方式

MRs能否按要求收集WSN中的數(shù)據(jù)，其移動(dòng)的方式是很重要的問(wèn)題。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗都受MRs移動(dòng)的影響。文章中MRs的移動(dòng)方式和Adhoc網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方式非常的相似。目前應(yīng)用比較廣泛的移動(dòng)方式主要有兩種，一種是移動(dòng)方向不受網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的影響，另外一種是移動(dòng)方向是隨機(jī)的，但是受相鄰節(jié)點(diǎn)平均剩余能量的影響非常大。這兩移動(dòng)方式的缺點(diǎn)是如果路徑是固定的，這樣會(huì)出現(xiàn)個(gè)別節(jié)點(diǎn)能量消耗太快的問(wèn)題，如果移動(dòng)方式是隨機(jī)的，會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)局部區(qū)域內(nèi)能量太高，從而別的區(qū)域能量缺乏的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，文章應(yīng)用的是范圍可控的隨機(jī)移動(dòng)方式，此種方式的核心思想是，首先把需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域平均分成n個(gè)區(qū)域，在這些n個(gè)區(qū)域中分別放入1個(gè)MR，并且這些放入的MR只能在固定的一個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)。所有的MR移動(dòng)的方向和路徑受相應(yīng)的一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況的控制。這樣就能避免因?yàn)榇罅縈Rs聚集在同一片區(qū)域而造成相應(yīng)區(qū)域能量很高的問(wèn)題，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能量，網(wǎng)絡(luò)的生命周期也得到的延長(zhǎng)［8］。

具體的移動(dòng)方向模型如圖3所示。

圖3 MR范圍限定的隨機(jī)方向移動(dòng)模型

圖3中的傳感器網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)、4個(gè)MRS和傳感器節(jié)點(diǎn)若干。圖3中的監(jiān)測(cè)區(qū)域平均分成4個(gè)區(qū)域，每個(gè)MR只能在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂酵ㄟ^(guò)局部路徑選擇算法實(shí)現(xiàn)，此種方法的優(yōu)點(diǎn)是只需相鄰節(jié)點(diǎn)和MRs的值已知就能完成路徑的選擇。數(shù)據(jù)的傳輸使用重要信息優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)、冗余信息后轉(zhuǎn)發(fā)的方式，這樣就能大大降低網(wǎng)絡(luò)延遲。設(shè)定一個(gè)參數(shù)代表信息的優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)，在不同的WAN中，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)的算法是不一樣的。文章中把WSN分成兩類(lèi)，這兩類(lèi)分別是檢測(cè)緊急、特殊事件的WSN和檢測(cè)平均水平的WSN。檢測(cè)緊急、特殊事件的WSN計(jì)算事件的優(yōu)先權(quán)可表示為:

檢測(cè)平均水平的WSN計(jì)算事件的優(yōu)先權(quán)可表示為:

如果優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)小于一個(gè)固定值時(shí)，相應(yīng)的事件會(huì)被刪除。固定值是根據(jù)實(shí)際情況確定的。如果某個(gè)事件的生存時(shí)間超過(guò)一個(gè)固定值時(shí)，相應(yīng)的事件也會(huì)被刪除。在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)的延遲容忍度決定了固定值［9］。所謂的網(wǎng)絡(luò)延遲容忍度就是此網(wǎng)絡(luò)延遲的一個(gè)極限值，如果網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間不超過(guò)網(wǎng)絡(luò)延遲容忍度網(wǎng)絡(luò)會(huì)正常運(yùn)行，相反如果網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間不超過(guò)網(wǎng)絡(luò)延遲容忍度，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)進(jìn)行自檢處理。不同網(wǎng)絡(luò)的延遲容忍度是不一樣的，網(wǎng)絡(luò)的延遲容忍度是可以預(yù)先直接設(shè)定的。

4 測(cè)試結(jié)果

設(shè)定一個(gè)隨機(jī)分布50個(gè)節(jié)點(diǎn)和4個(gè)MRs的正方形的區(qū)域，通過(guò)NS-2平臺(tái)進(jìn)行1 000 s的仿真。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)值設(shè)定

通過(guò)兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行仿真，傳統(tǒng)的有1個(gè)靜態(tài)Sink節(jié)點(diǎn)，文章中的方法引入4個(gè)MRs，兩個(gè)場(chǎng)景中均有50個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。結(jié)果通過(guò)awk程序分析出網(wǎng)絡(luò)的延遲數(shù)據(jù)，并通過(guò)繪圖工具繪制出了延遲曲線。

圖4中的(a)、(b)分別是全局延遲曲線和延遲時(shí)間小于0.3 s的局部曲線。文章中方法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲曲線如圖5所示。

通過(guò)圖4和圖5可知，基于MRs的網(wǎng)絡(luò)延遲大大低于傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)傳輸延遲。傳統(tǒng)方法運(yùn)行650 s，延遲時(shí)間為6 s，本文方法的網(wǎng)絡(luò)延遲低于0.05 s。

圖4 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延遲曲線

圖5 基于MRs的網(wǎng)絡(luò)延遲曲線

5 結(jié)論

文章提出了一種基于移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法，此種方法解決了稀疏WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)之間通信代價(jià)太高的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)測(cè)試結(jié)果可知，和傳統(tǒng)的WSN數(shù)據(jù)收集方法相比，此方法可以很好的降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，同時(shí)也大大降低了匯聚節(jié)點(diǎn)周?chē)?jié)點(diǎn)的能量消耗。從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期大大延長(zhǎng)。

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基于移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法研究*

趙 鵬1*，孫 玫1，錢(qián)海忠2，明朝輝1

Wireless Sensor Networks Based on Mobile Robot Research Data Collection Methods*

ZHAO Peng1*，SUN Mei1，QIAN Haizhong2，MING Zhaohui1
(1.School of Mathematics and Information Technology，Jiangsu Second Normal University，Nanjing210013，China; 2.School of Information Technology，Jinling Institute of Technology，Nanjing211169，China)

Traditionalwireless sensor networks for data collection methods have problems of the high energy consumption，and the long network latency，the article presents awireless sensor network data collectionmethods based onmobile robot.The basic idea of thismethod is to select firsta suitablemobile robot as a group header，the average residual energy of adjacent nodeswithin a certain period can be detected by themobile robot.The average residual energy of the all network nodes can also be detected.The working of the mobile robot is decided by the sizes of these two energy parameters.As the robotmoves，the routing nodes will be updated accordingly，and then themobile robot reselects the new family head.Test results show that thismethod can reduce the transmission delay and node energy consumption.

computer network;data collection;mobile robots;propagation delay

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.029

TP212.9;TP24;TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005－9490(2013)06－0881－04

項(xiàng)目來(lái)源:省部共建實(shí)驗(yàn)室基地項(xiàng)目開(kāi)放課題項(xiàng)目(9011311);江蘇省屬高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(12KJD520004);江蘇第二師范學(xué)院十二五規(guī)劃課題項(xiàng)目(Jsie2012yb04，Jsie2011qz05，Jsie2011yb18);江蘇第二師范學(xué)院教學(xué)改革研究課題項(xiàng)目(Jssyjg2013yb04)

2013-06-14修改日期:2013-08-25

EEACC:6150P;7210G

趙 鵬(1976-)，男，漢族，江蘇泰州人，江蘇第二師范學(xué)院，講師，暨南大學(xué)碩士，研究方向?yàn)樾问交?yàn)證、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，jiangsunanzhaopeng@163.com;

錢(qián)海忠(1977-)，男，漢族，安徽休寧人，金陵科技學(xué)院，講師，南京郵電大學(xué)博士，研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)，hzhqian@163.com;

孫 玫(1961-)，女，漢族，江蘇南通人，江蘇第二師范學(xué)院，副教授，東南大學(xué)碩士，研究方向?yàn)檐浖|(zhì)量、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，sunmeinew@126.com;

明朝輝(1978-)，男，漢族，江蘇南京人，江蘇第二師范學(xué)院，副教授，南京航天航空大學(xué)博士，研究方向?yàn)橹悄芙煌ㄏ到y(tǒng)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，sunmoon101010 @163.com。