关于无线传感器网络覆盖优化探讨

关于无线传感器网络覆盖优化探讨

梁国东黄新平

惠州市道勤通信设备有限公司广东省516000

【摘要】随着现代科学技术的不断发展，信息技术、电子技术等新兴技术出现相互融合的趋势。无线传感器网络在环境监控、医疗设备、现代农业以及智能电网等领域中具有重要的作用，并随着现代物联网的发展，成为人们社会生活的重要工具，对人们的生活与工作具有一定影响。

【关键词】无线传感器网络；网络覆盖；优化措施

随着学界和业界对无线传感器网络研究深入，发现覆盖问题是限制其应用的主要问题之一，其对无线传感器网络感知范围起到直接影响，关系着网络成本以及网络性能，是评价无线传感器网络性能的重要指标[1]。因此，文章主要针对无线传感器网络覆盖优化问题展开讨论，报道如下。

一、无线传感器网络论述

无线传感器网络是一个涉及多学科、多技术的新兴研究领域，其结合了传感器技术、计算技术、无线通信技术以及信息处理技术等多种技术，通过各种技术的集合以及传感器的协同合作，能够实现实时监控、感知和采集周围环境或监控对象的各种信息，这些信息会通过无线网络被发送至最终端[2]。无线传感网络转变了人们了解、认知和监测物理世界的方式，拓展了人们认知世界的能力，在许多领域具有较广的应用，例如军事、航空航天、工业及农业生产、环境监控、城市管理、智能系统等领域，受到各个国家的高度重视，被认为是新时代具有高度影响力的技术之一[3]。

无线传感器网络适用范围较广，无线传感器网络设备管理最好能简单、便捷，进而减少工作量。要想实现无线传感器网络设备管理的快捷方便，就必须合理进行系统配置以及选择正确的网络设备[4]。在无线传感器网络过程中，系统配置与维护是最重要的环节。一旦系统发生故障，首先必须要找到故障出现的部位，并采取有效的措施将故障处理掉。此外，系统的接插件需要采用国家统一标准，这样能够符合使用需求。为了保障无线传感器网络的安全性和稳定性，需要重视系统的稳定性与安全性，注重各个部位的兼容性[5]。在网络设备的选择中，需要满足一定的可行性，且流量分布合理，能够符合传输速率要求。系统在更新过程中，需要考虑到用户的需求以及用户对使用功能的需求。

二、无线传感器网络覆盖优化方案

覆盖问题作为制约无线传感器网络应用的主要问题之一，对其传输质量与效果造成了直接的影响。笔者主要基于遗传算法对无线传感器网络覆盖优化展开讨论。遗传算法是基于生物界适者生存的规律演化的一种算法[6]，最早出现于上个世界70年代，经过数十年的发展后逐渐形成一种成熟的模拟进化算法。其具有以下特点：①具有潜在扩充性且具有全局掌控性；②寻找有效的概化算法；③能够自动划分空间和优化空间；④能够自适应性进行调整；⑤无需确定的规则。该算法在机器人制造、组合优化、自动化技术、信号处理以及人工智能等领域具有重要的作用。遗传算法（GA）在复杂的非线性及多维空间优化中具有较好的应用效果。因此，文章选择其作为研究依据展开讨论。

文章针对无线传感器网络覆盖问题提出了根据遗传算法理论提出的二次部署算法，利用传感器节点的通信能力对随机部署的无线传感器网络进行优化。二次部署算法不仅能够适用于以传感器节点为基础的无线传感器网络，同时也适用于其他网络的优化中。染色体在遗传算法中代表了组成成分，二次部署算法中的染色体代表了无线传感器网络中某一传感器节点的设计方案。组成二次部署算法中的染色体基因是传感器节点的跳跃运动。

二次部署算法的公式为：，其中Si代表第i个传感器的覆盖范围，A代表监控区域的总面积；而在完成跳跃运动的传感器节点数学模型为：，其中Mi代表第i个传感器能否完成跳跃运动，其取值一般为0或1。当Mi=1时，表示第i个传感器无需进行跳跃运动；当Mi=0时，表示第i个传感器需要进行跳跃运动。最佳覆盖方案计算公式为：，ω1、ω2代表权重，总和为1。遗传算法能够维持优化方案的科学性，避免出现无法操作的现象，在此时应取变量概率较大值。二次部署算法中，每个基因能够反映对应传感器节点的运动情况，但是由于传感器节点之间的运动情况没有内在关联，因此，文章采用随机交叉的方式进行计算。

无线传感器网络主要是由各种节点（包括传感器节点、汇聚节点以及管理节点）组成，通过随机部署或人工确定传感器部署位置，传感器可以通过相互之间的组织构成一个简单的通信网络。在无线传感器网络中，节点的任务是监控环境或采集监控对象相关信息，例如温度、湿度、光照等参数，并将采集的信息通过特定传感器路径传给汇聚节点。汇聚节点主要有两个功能，一是承担着收集传感器传输信息并发送给管理节点的功能；二是接收管理节点输出的控制指令，并将其传输给各传感器节点。管理节点的主要功能为接受传输信息以及发布控制指令。传感器节点与无线传感器网络性能有密切的相关性，但是传感器节点受到各种因素的影响，存在计算能力低、储存容量小等缺点，且其能量供应是由其自身配置的电源提供的，因此，能量消耗也是制约其应用的问题。汇聚节点具有较好的信息处理能力和较大的储存空间，且能量供应不受电池限制，其是连接无线传感器网络与互联网的中间节点。管理节点一般通过应用计算机实现的，能够完成监控无线传感器网络的运行状况、发布相关指令、实现各节点的配置等任务。传感器节点是无线传感器网络的基础，每个传感器节点都有配有独立的嵌入式系统，根据无线传感器网络的具体应用要求，传感器节点所配备的系统也不同，但基本结构都是一致的。传感器能够实现对周围环境物理信号的采集，并将采集到的信息数字化、信息化处理。嵌入系统能够实现对传感器的控制，并完成对采集信号的初步处理，进而发送给其他的传感器。传感器节点在与其他节点通信过程中，能够进行数据传输和控制指令的接受与发送。

结束语

目前我国全国各地已经实现无线传感器网络的覆盖，因此，加强无线传感器网络的建设与优化就显得尤为重要，尤其是在无线传感器网络在各领域应用日益增长的现代。虽然无线传感器网络的应用较为广泛，但是由于其存在覆盖问题，若没有做好覆盖优化工作，容易导致无线传感器网络的应用受到影响，从而降低应用效率和质量。因此，加强无线传感器网络覆盖优化对于提高无线传感器网络应用效率和质量具有重要作用。

参考文献：

[1]方力，蒋杰，叶昭晖等.一种分布式、轻量级校园网无线传感器网络节点调度算法[J].广西大学学报（自然科学版），2013，36(21)：218-221.

[2]刘喜荣.基于无线传感器网络覆盖算法分析与改进的探讨[J].煤炭技术，2013，30(10)：261-263.

[3]汪小志，王林生，刘志刚等.基于无线传感器网络覆盖技术的农作物温室自动化监控系统设计[J].仲恺农业工程学院学报，2015，28(1)：39-43.

[4]傅质馨，吴晓蓓，黄成等.一类三角形网格无线传感器网络监测性能评价方法[J].南京理工大学学报(自然科学版)，2014，33(1)：1-6.

[5]凡高娟，孙力娟，王汝传等.非均匀分布下无线传感器网络节点调度机制[J].通信学报，2014，32(3)：10-17.

[6]赵春江，吴华瑞，刘强等.基于Voronoi的无线传感器网络覆盖控制优化策略[J].通信学报，2013，23(9)：117-124.