非自主性移動無線傳感器網絡研究

吳稟雅　陳慶章

摘要：無線傳感器網絡是目前比較流行的一種應用于各種監測環境的網絡，其應用中遇到的一個難點是如何監測移動物體，例如泥石流區域或火山灰區域。于是誕生了一種非自主移動無線傳感器網絡，它布署在移動體內，隨著移動體的移動而移動，在移動過程中監測環境數據。文章介紹了非自主移動無線傳感器網絡的概念、主要應用特點和大致工作原理。文章給出了一種支持非自主移動無線傳感器網絡的移動模型，該模型可以用于網絡的路由查詢、數據傳輸和網絡的重構。

關鍵詞：非自主移動；無線傳感器網絡；泥石流；非自主移動無線傳感器網絡

1 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）技術是隨著經濟和社會發展而誕生的產物，是本世紀最具有影響力和改變人類未來生活方式的高技術領域四大支柱產業之一。所謂無線傳感器網絡是指大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，目的是協作地采集、處理和傳輸網絡覆蓋地域內感知對象的監測信息，并報告給用戶。

無線傳感器網絡在應用中，遇到一個難題，就是應用環境會發生移動，例如應用在泥石流運動規律的監測上或火山灰的監測上。這種環境下，無線傳感器網絡節點將隨著監測體的移動而移動。這種環境中部署的網絡，就需要改變傳統的無線傳感器網絡的模式，而形成一種非自主性移動無線傳感器網絡（Non-Autonomous Mobile Wireless SensorNetwork）。

2 國內外研究狀況

近年來，有研究者提出了一種應用于泥石流的非自主移動傳感器網絡的設計，他們把傳感器放置在會發生泥石流中的區域中，當泥石流發生時，這些傳感器及其構成的往網絡，會隨土塊、沙礫等一起滾動，并存儲記錄的數據。等待泥石流結束后再將傳感器回收，然后下載存儲的數據。但由于其沒有足夠的空間存放泥石流產生時需要采集的大量數據，也不能實時將數據進行匯報，所以只能用于環境受控的實驗中。

另有文獻報道一種用于山體滑坡預防系統的傳感網絡，該系統由分層的傳感節點組成，上層的傳感節點作為聚集器與基站進行通信，整個監控過程不僅實時取樣數據、可用于為專業人員提供歷史預測數據，而且當山體滑坡事件到來時還能進行事件預測。

另外，也有面向濕地水環境遠程實際監控的非自主移動無線傳感器系統，該系統應用于濕地監測主要實現的功能是：傳感器節點負責收集水環境參數，包括水溫、PH值、溶解氧等，通過基站傳輸數據到遠程終端數據中心，以做到實時處理與分析，數據中心的工作人員可以全天候監測濕地天氣。此外，該系統還能對突發事件如環境污染以及水環境參數的急劇變化作出預警，各類參數可以作為防治污染的數據支持和決策依據。

3 支撐非自主性移動無線傳感器網絡的傳感節點

考慮到非自主移動傳感器網絡的移動性會對節點設備帶來很多碰撞和摩擦，一般傳感器節點并不能勝任這種環境的部署。目前已經研發出一些特殊的移動無線傳感器節點，讓傳感器隨著泥石流一起運動，在移動過程中測量移動體內部重要數據，如流速、孔隙壓力、振幅、振動頻率等。測量到的數據可即時發送回接收器，這樣，就可以監視泥石流的內部參數和報告實時數據了。

這種特殊的無線傳感器節點，可設計為一個封裝在耐磨塑料外殼中的可移動無線傳感器節點，其外殼應可以抵御一定力量的碰撞、重量較輕、可以飄浮在水面上或能被泥石流攜帶移動，是一個低功耗的無線傳感器節點。傳感器中應集成有無線收發器，能夠實時報告其經緯度信息。為避免傳感器收集到的自身移動軌跡信息丟失，傳感器節點內也可以配置一定容量的可寫存儲空間以保存位置信息。在一般情況下，可移動無線傳感器在待機模式下運行、僅偶爾與接收器進行溝通，以便于節約能源。

當有泥石流發生并逼近時，只要任一無線傳感器檢測到有泥石流產生的低頻振動，就將發送一個警告信息給接收器。接收器則決定是否要喚醒所有的無線傳感器。如果接收器喚醒了所有的無線傳感器，傳感器就進入激活狀態，將把所有收集到的原始數據都發送給接收器，并與后臺計算機之間聯絡進行計算。

4 NAMWSN傳感器移動模型

在移動無線網絡中，經常需要合適的移動模型來進行網絡路由的部署研究。隨著越來越多的科學研究需要對流動液體中無線傳感器節點進行部署，跟隨流動液體進行非自主性移動的移動模型研究也越來越受到關注。

對于非自主性移動無線傳感網絡來說，如果預先得到傳感器漂流的軌跡，按照軌跡來部署接收器，可以增加無線傳感器與接收器通信的機會和時間。可以嘗試通過構建傳感器的移動模型的方法來得到傳感器移動軌跡。

構建非自主移動傳感器網絡移動模型的主要方法是，利用基于跟蹤的方法，以在真實環境中收集的信息為基礎來建立移動模型。首先使用GPS收集傳感器節點的移動軌跡，然后將這些軌跡轉變為參數映射圖，最后構建移動模型。

首先，用一個特殊的無線GPS傳感器取代傳統的固定傳感器，無線GPS傳感器可以隨著水流移動。將多個無線GPS傳感器投入水流中，它們可以隨著水流非自主性地移動，并且記錄下自身移動的軌跡。在河流的下游收集隨著水流移動到此的傳感器，并得到它們的移動軌跡。這個步驟可以重復多次，來收集多條軌跡信息。每條軌跡都將包含一系列的速度和方向的參數點。

然后，將收集到的GPS傳感器的運動軌跡數據進行處理，去掉不合理的數據，例如，有些GPS傳感器損壞無法發送回完整的軌跡信息、或者還有些GPS可能被障礙物困在河流中無法繼續移動造成GPS信息始終維持某固定值而不改變等。將合理的、完整的GPS傳感器運動軌跡數據進行處理，可以用于構建一個水流的參數映射圖。這個參數映射圖是二維的，可以展示一些重要參數，例如在河流的不同位置水流的速度和方向等。

最后，通過建立的水流的參數映射圖，可以構建出以其為基礎的傳感器移動模型，移動模型模擬了水流、泥石流等可能的運動軌跡，從而可以得到非接收器自主移動傳感器網絡的優化部署位置。

這里的移動模型是一個可以及時生成水流、泥石流等在時間和空間維度的運動描述的函數。這個移動模型基于實際的水流或泥石流的運動軌跡生成，其運動可以用虛擬軌跡來描述，具體是通過算法隨機方式產生每一個點的運動軌跡。

移動模型的軌跡生成算法流程如下。

（1）初始化。從起始位置任意抽取一起始點；

（2）取得當前點p^'_k處的速度和方向參數V_x，y和D_x，y值

（3）通過V_x，y和D_x，y得到該點的移動軌跡Movement，并得到下一點p^'_k+1；

（4）判斷p^'_k+1是否屬于有效區域，如果是繼續（5），如果不是，轉回p^'_k，生成一個彈跳軌跡p^'_k+1，再重復（4）；

（5）判斷p^'_k+1是否已經到達目的地，如果不是，返回（2），如果是，接著（6）；

（6）輸出最后生成的軌跡。

移動模型軌跡生成函數可以生成一條從起始位置開始的虛擬運動軌跡。

起始點可以從起始位置（投放GPS傳感器位置）隨機選取，虛擬運動軌跡中的每一點均是逐點遞歸生成的。若當前點為p^'_k，則p^'_k在下一秒鐘的移動軌跡可以利用速度和方向參數值V_x，y、D_x，y得到，如公式1所示，通過移動軌跡movement，可以來到下一軌跡點p^'_k+1。

movement=V_x，y×D_x，y 公式l

判斷軌跡點p^'_k+1是否是在有效區域內，有效區域指已經去除了有障礙、無水流通過等的部分區域。若p^'_k+1不屬于有效區域內，則要返回p^'_k，生成一個彈跳軌跡。彈跳軌跡是在水流碰到障礙物或者堤岸時發生的，返回p^'_k時后，判斷其所在位置四周軌跡點數量，取其中軌跡點數量最多的點，視其為彈跳目的地，得到位于期間的軌跡點p^'_k+1。

接著判斷軌跡點p^'_k+1是否已經到達目的地（回收GPS傳感器位置），若未到達目的地，則繼續重復上述算法步驟，直到p^'_k+1到達目的地為止。

利用移動模型的軌跡生成算法，基于實際泥石流的運動軌跡，可以得到預測的虛擬泥石流運動軌跡，這樣就可以得到最佳的接收器部署位置，提高和優化無線傳感器網絡的連通性和感應區域。

5 結語

非自主性移動無線傳感網絡指無線傳感器受到自然界的外力或者某些無法控制的力量被動地進行移動的無線傳感器網絡。相較于傳統的無線傳感器網絡，非自主性移動無線傳感器網絡在河流、海洋和泥石流的現場監測具有突出的優勢。

非自主移動無線傳感器網絡系統可以利用現象內部監測的方式，讓無線傳感器隨著河流、海洋或泥石流一起移動，使其可持續地監測內部的信息，并且實時將信息回傳，直接監測現象內部的情形。

非自主移動無線傳感器網絡為環境研究帶來了許多新的應用，前景非常廣闊。例如，我們可以設計通過氣球攜帶無線傳感器在風中漂浮，來監測空氣質量和天氣狀況；采用類似的技術，我們可以測量風的氣流并形成一張三維參數映射圖，并為查看由自然災害或者化學工廠造成的空氣污染作參考等。