基于大數(shù)據(jù)的傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)設(shè)計

張永 楊學(xué)

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù); 傳感網(wǎng)絡(luò); 穩(wěn)定性檢測; 移動環(huán)境; 直接鏈路; 間接鏈路

中圖分類號： TN711?34; TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）06?0118?03

Abstract： The traditional detection system is often affected by the mobile environment in the process of link detection， which leads to the low integrity and accuracy of the detection results. Therefore， a sensor network link stability detection system based on big data is proposed and designed. The three parts of the sensor network transmission terminal， data center server and detection terminal are analyzed in detail， so as to complete the hardware design of the system. In the software design part， the detection method of combining the direct link stability with indirect link stability is adopted to complete the design of the sensor network link stability detection system based on big data， so as to minimize the influence of the mobile environment. The experimental results show that the system has detection results with high integrity， and the average value of the detection accuracy rates can be up to 93.5%， which verified the superior performance of the system.

Keywords： big data; sensor network; stability detection; mobile environment; direct link; indirect link

傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線射頻方式形成的一種網(wǎng)絡(luò)，具有自組織、自配置的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但節(jié)點(diǎn)能耗始終是制約其發(fā)展的一個重要因素[1]。節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的穩(wěn)定性能直接對傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，因此，可靠的鏈路穩(wěn)定性檢測方法對傳感網(wǎng)絡(luò)的順利運(yùn)行及應(yīng)用具有重要作用。眾多學(xué)者對傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行了分析，并取得了較好的研究成果[2?3]。文獻(xiàn)[4]指出傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)^(qū)域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息進(jìn)行有效監(jiān)測，以此為理論依據(jù)，重點(diǎn)研究了在資源受限條件下獲取無線鏈路狀態(tài)的方法，對獲取數(shù)據(jù)做出詳細(xì)分析，完成對無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的研究，但該方法實(shí)驗數(shù)據(jù)的完整性較低。文獻(xiàn)[5]針對網(wǎng)絡(luò)局部特性對傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行分析，準(zhǔn)確檢測網(wǎng)絡(luò)軟件更新特征，將軟件更新中任意節(jié)點(diǎn)鄰居區(qū)域的鏈路質(zhì)量期望值作為這一節(jié)點(diǎn)質(zhì)量估計值，通過對估計值的評估完成對傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性的檢測，但檢測結(jié)果準(zhǔn)確率較低。文獻(xiàn)[6]提出可靠、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)鏈路對傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸以及延長網(wǎng)絡(luò)壽命具有重要的作用，對傳感網(wǎng)絡(luò)硬件、軟件以及多參數(shù)組合的鏈路質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，以此實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性研究，但存在檢測準(zhǔn)確率較低的問題。為解決上述存在的問題，提出并設(shè)計一種基于大數(shù)據(jù)的傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)。

1 ?傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)主要是對鏈路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，以提高傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為傳感網(wǎng)絡(luò)的深入研究提供理論依據(jù)，系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

從圖1可以看出，基于大數(shù)據(jù)的傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)硬件主要由傳感網(wǎng)絡(luò)通信端、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器以及檢測端三部分組成。傳感網(wǎng)絡(luò)通信端由傳感器和鏈路信號交互模塊兩部分組成，通過傳感器采集傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路信號，并與系統(tǒng)其他信號進(jìn)行交互[7]。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器主要對鏈路信號進(jìn)行處理，處理過程由處理芯片完成。將處理得到的鏈路信號傳輸至檢測端，對網(wǎng)絡(luò)鏈路信號首先進(jìn)行存儲，再進(jìn)行鏈路穩(wěn)定性檢測，以便于提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時，檢測端如果需要進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，也可以反過來作用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

分別對傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸端、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器以及檢測端三部分進(jìn)行具體介紹，如下：

1） 傳感網(wǎng)絡(luò)通信端。傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集信息，對系統(tǒng)各個部分之間信息的交互。在鏈路穩(wěn)定性檢測過程中，傳感網(wǎng)絡(luò)通信端與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間都不可避免地需要多種數(shù)據(jù)通信，并且數(shù)據(jù)發(fā)送是隨機(jī)的、動態(tài)的，內(nèi)容格式也可能不同，因此選擇GPRS作為通信方式，完成傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路信息通信[8]。

2） 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接入傳感網(wǎng)，具有固定的 IP 地址和域名，存儲著傳感網(wǎng)絡(luò)的基本配置信息、安全策略設(shè)置信息、檢測系統(tǒng)配置信息以及上傳數(shù)據(jù)緩存表等，供系統(tǒng)檢測時下載調(diào)用。在執(zhí)行鏈路穩(wěn)定性檢測時，如果傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路信息需要進(jìn)行協(xié)作或信息交互，便可將信息上傳到中心服務(wù)器，通過服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

3） 檢測端。檢測端主要通過傳感網(wǎng)絡(luò)信道對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測信息構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路信息表，并對信息表進(jìn)行存儲，以便于在接下來的檢測過程中發(fā)現(xiàn)遺漏的不穩(wěn)定鏈路節(jié)點(diǎn)信息[9?10]。檢測端的主要任務(wù)包括鏈路節(jié)點(diǎn)行為識別、傳感網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)的上傳和下載等功能，并且可以連接數(shù)據(jù)服務(wù)器，獲取處理得到的傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路信息。

2 ?傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，主要利用傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收信號強(qiáng)度對鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測。與傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)不同的是，本文系統(tǒng)不僅從節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的角度對鏈路穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，同時也從節(jié)點(diǎn)被監(jiān)測的角度出發(fā)，完成對鏈路穩(wěn)定性的檢測。由此，可將基于大數(shù)據(jù)的傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)軟件分為兩部分：直接鏈路穩(wěn)定性檢測和間接鏈路穩(wěn)定性檢測。

2.1 ?直接鏈路穩(wěn)定性檢測

選取某一節(jié)點(diǎn)為指定節(jié)點(diǎn)，對其鄰居節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，因鄰居節(jié)點(diǎn)會受某些因素的影響發(fā)生位移，因此需要不斷地向指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，指定節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信息對其（監(jiān)測節(jié)點(diǎn)）與鄰居節(jié)點(diǎn)（即被監(jiān)測節(jié)點(diǎn)）之間鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，如圖2所示。

2.2 ?間接鏈路穩(wěn)定性檢測

傳感網(wǎng)絡(luò)中，某一指定節(jié)點(diǎn)周圍會存在多個鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)處于一種移動性較高的環(huán)境中時，鄰居節(jié)點(diǎn)則會發(fā)生較為頻繁以及較長距離的移動，這時指定節(jié)點(diǎn)則很難接收到被監(jiān)測節(jié)點(diǎn)傳遞的信息，基于這種情況，設(shè)立間接鏈路穩(wěn)定性檢測方法，如圖3所示。

為了盡量消除移動環(huán)境對鏈路節(jié)點(diǎn)造成的影響，對被監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性檢測值進(jìn)行綜合排序，選取出其中最接近中間值的[2N]組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值求解，將求解結(jié)果作為被監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性檢測值。

此外，在間接鏈路穩(wěn)定性檢測中，鄰居節(jié)點(diǎn)也會充當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)角色對其周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，獲取相應(yīng)期望信號功率，進(jìn)而通過多數(shù)據(jù)分析，得出鏈路穩(wěn)定性檢測結(jié)果。如期望信號功率值較小，則表明傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性較差，反之，則表明傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性較好。

3 ?實(shí)驗結(jié)果與分析

3.1 ?實(shí)驗環(huán)境及參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境及參數(shù)如表1所示。

3.2 ?實(shí)驗結(jié)果分析

以上述實(shí)驗環(huán)境和參數(shù)設(shè)置為依據(jù)，對本文基于大數(shù)據(jù)的傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗證分析。在移動性較高的環(huán)境中，傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路節(jié)點(diǎn)會連續(xù)發(fā)生移動，在節(jié)點(diǎn)最大移動速度為0～30 m/s的情況下，對本文系統(tǒng)檢測結(jié)果的完整性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。

觀察圖4可知，在節(jié)點(diǎn)移動速度從0～30 m/s不斷增長的情況下，本文系統(tǒng)檢測結(jié)果的完整性較高，平均水平在90%以上。雖然在節(jié)點(diǎn)移動速度為15～24 m/s期間受到移動性環(huán)境的影響，系統(tǒng)檢測結(jié)果的完整性出現(xiàn)下降趨勢，但隨后逐漸上升，趨于平穩(wěn)。原因是本文系統(tǒng)設(shè)計中，將移動性環(huán)境考慮在內(nèi)，并采用直接鏈路穩(wěn)定性檢測和間接鏈路穩(wěn)定性檢測相結(jié)合的方法，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計。為更加清晰地表現(xiàn)出本文系統(tǒng)的優(yōu)勢，選取檢測準(zhǔn)確率為指標(biāo)，對本文系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2所示。

從表2能夠看出，本文系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率明顯高于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)，最低準(zhǔn)確率仍可達(dá)到90%，平均水平在93.5%左右。而文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率均較低，在5～30次的實(shí)驗分析中，始終處于45%～65%之間，相較于本文系統(tǒng)，檢測準(zhǔn)確率明顯偏低。綜合可知，本文系統(tǒng)的檢測結(jié)果具有顯著優(yōu)勢。

4 ?結(jié) ?論

為解決傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)存在的檢測結(jié)果完整性以及準(zhǔn)確率較低的問題，提出并設(shè)計了基于大數(shù)據(jù)的傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)。結(jié)合直接鏈路穩(wěn)定性檢測和間接鏈路穩(wěn)定性檢測兩種方式，完成對傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性的檢測。實(shí)驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)性能較好，能有效降低移動環(huán)境的影響，得到的檢測結(jié)果完整性較高，且檢測準(zhǔn)確率較高，具有一定的可參考性。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡青松，陳希厚.無線傳感網(wǎng)中基于譜矩的鏈路優(yōu)化策略[J].通信學(xué)報，2017，38（z2）：170?177.

CAI Qingsong， CHEN Xihou. Link optimization strategy based on spectral moment in wireless sensor network [J]. Journal on communications， 2017， 38（S2）： 170?177.

[2] 鐘錚.改進(jìn)的激光傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)測方法[J].激光雜志，2017，38（2）：113?116.

ZHONG Zheng. An improved link prediction method for laser sensor networks [J]. Laser journal， 2017， 38（2）： 113?116.

[3] 韓哲，張霞，李鷗，等.面向有損鏈路的傳感網(wǎng)壓縮感知數(shù)據(jù)收集算法[J].軟件學(xué)報，2017，28（12）：3257?3273.

HAN Zhe， ZHANG Xia， LI Ou， et al. Data gathering algorithm based on compressive sensing under lossy WSN [J]. Journal of software， 2017， 28（12）： 3257?3273.

[4] 徐艷玲.事件驅(qū)動型無線傳感網(wǎng)鏈路質(zhì)量監(jiān)控研究[J].電子商務(wù)，2015（4）：49?50.

XU Yanling. Research on link quality monitoring in event?driven wireless sensor networks [J]. E?business journal， 2015（4）： 49?50.

[5] 李君偉，李士寧，張羽.具有局部特性的傳感網(wǎng)鏈路質(zhì)量估計方法[J].計算機(jī)科學(xué)，2015，42（12）：195?200.

LI Junwei， LI Shining， ZHANG Yu. Network link quality estimation with local characteristics in WSNs [J]. Computer science， 2015， 42（12）： 195?200.

[6] 胡剛，劉琳嵐.無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量參數(shù)研究[J].信息通信，2015（4）：30?31.

HU Gang， LIU Linlan. Research on link quality parameters of wireless sensor network [J]. Information & communications， 2015（4）： 30?31.

[7] 楊東芳，李娜.無線傳感網(wǎng)隨機(jī)空置和鏈路能量聯(lián)合優(yōu)化路由[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2017，38（6）：1464?1467.

YANG Dongfang， LI Na. Wireless sensor network route based on random vacancy and link energy joint optimization [J]. Computer engineering and design， 2017， 38（6）： 1464?1467.

[8] 張錚，曹守啟，李軍濤，等.基于能量與鏈路穩(wěn)定性感知的按需路由協(xié)議[J].半導(dǎo)體光電，2017，38（5）：714?718.

ZHANG Zheng， CAO Shouqi， LI Juntao， et al. An energy and link?stability aware on?demand routing protocol [J]. Semiconductor optoelectronics， 2017， 38（5）： 714?718.

[9] 戴春妮.基于聚類特征自適應(yīng)機(jī)制的無線傳感網(wǎng)異常節(jié)點(diǎn)檢測算法[J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2017，34（4）：76?82.

DAI Chunni. Anomaly node searching algorithm of wireless sensor networks based on adaptive mechanism of clustering feature [J]. Microelectronics & computer， 2017， 34（4）： 76?82.

[10] 陸俊，朱炎平，徐志強(qiáng)，等.面向輸電線路監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠路由方法研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017，41（2）：644?650.

LU Jun， ZHU Yanping， XU Zhiqiang， et al. A reliable wireless sensor network routing method for power transmission line monitoring [J]. Power system technology， 2017， 41（2）： 644?650.