無線傳感器網絡移動代理技術設計與實現(xiàn)

楊 旭

（安徽電子信息職業(yè)技術學院 信息與智能工程系，安徽 蚌埠 233000）

無線傳感器網絡移動代理技術設計與實現(xiàn)

楊 旭

（安徽電子信息職業(yè)技術學院 信息與智能工程系，安徽 蚌埠 233000）

無線傳感器網絡技術已經擴展到了生活的方方面面，文章在對無線傳感器網絡的數(shù)據(jù)查詢機制進行深入研究的基礎上，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的查詢算法存在兩個不足之處：查詢網絡負載不平衡，以及查詢的代理節(jié)點無法動態(tài)調整。針對這兩個問題，以定向擴散算法為基礎，文章提出了移動代理技術，完成定向選擇式移動代理技術的設計與實現(xiàn)。

無線傳感器網絡；查詢算法；定向擴散；負載；代理

無線傳感器網絡（W ireless Sensor Network, WSN）最早在軍事領域上使用，現(xiàn)在在民用領域也已經有了廣泛的使用。

無線傳感器網絡是以數(shù)據(jù)為中心的網絡，與傳統(tǒng)的以地址為中心的計算機網絡不同，它以傳感器作為提供感知數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)源，以整個無線傳感器網絡作為一個感知數(shù)據(jù)的空間也可以看作是一個感知數(shù)據(jù)庫，因此WSN管理系統(tǒng)的應用目標就是數(shù)據(jù)管理和查詢處理[1]。

代理技術的引入，可以有效地提高網絡移動查詢的效率，為移動終端提供更好的服務[2]。代理可認為是一個由查詢系統(tǒng)授權的可以變更的管理助手節(jié)點。

無論是查詢節(jié)點負載的調整，還是移動查詢代理的選擇，其中心思想都是要通過對查詢過程中所應用的節(jié)點的選取，平衡整個無線傳感器網絡中的節(jié)點能量消耗。因此，可以同樣的利用定向選擇代理算法，針對各自的特點進行優(yōu)化，從而在不影響網絡查詢效率的情況下，對節(jié)點的能耗進行合理的分配。

考慮網絡負載平衡和降低節(jié)點能耗是WSN查詢的特點，針對這一特點，分析現(xiàn)有的查詢算法在WSN查詢中表現(xiàn)出來的不足，以定向擴散算法作為基礎，對無線傳感器網絡中數(shù)據(jù)流查詢算法進行改進，并提出定向選擇代理算法。

1 定向選擇代理（Agent）算法

原有的定向擴散算法是一種基于路由的查詢算法，主要涉及興趣和梯度兩個概念，一個定向擴散的過程由興趣擴散，查詢初始梯度建立。

對定向擴散算法進行優(yōu)化，通過在查詢興趣擴散中加入了梯度的判斷，可以自動生成一條或者幾條從數(shù)據(jù)節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞路徑，從而確定了查詢節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)的方向，保證數(shù)據(jù)流查詢的完成。擬啟用定向選擇代理算法，提高查詢效率。

2 無線傳感器網絡移動代理技術

2.1 移動代理技術

移動Agent除了具有Agent的最基本特性外還具有移動性，是一種新型的分布式計算模式。移動Agent技術主要有以下幾個特點[3]。

（1）精簡通信量；（2）異步自主運行；（3）智能特征；（4）并行處理；（5）協(xié)議封裝；（6）動態(tài)適應。

2.2 無線傳感器網絡中的移動Agent

無線傳感器網絡一般使用集中式、分布式和層次式3種管理框架。在集中式網絡系統(tǒng)中，傳感器獲取的數(shù)據(jù)匯聚到核心節(jié)點進行處理。分布式網絡則擁有多個子核心節(jié)點，每個子核心節(jié)點管理一個子網，子核心節(jié)點之間采用點對點方式進行通信。層次化框架則結合了上述兩種框架的優(yōu)點，是目前應用最廣泛的網絡框架。

無線傳感器網絡，事實上Agent節(jié)點并不是固定的某個節(jié)點，而是可以根據(jù)查詢任務的需要，在不同節(jié)點之間遷移。遷移時采用能量優(yōu)先和效率優(yōu)先策略。如果Agent可以采用定向移動，那么就是對Agent節(jié)點遷移路由策略的改進。

3 定向選擇式移動代理設計與實現(xiàn)

3.1 算法思想

在本文研究的網絡模式下，Agent節(jié)點與Sensor節(jié)點在沒有發(fā)生查詢的情況下并沒有區(qū)別，

先選取相應節(jié)點，網絡穩(wěn)定狀態(tài)下所有節(jié)點均無變化。但是一旦網絡處在不穩(wěn)定狀態(tài)；就會觸發(fā)Agent節(jié)點，進而更改當前網絡狀態(tài)，這樣能夠提高網絡的使用效率，同時Agent節(jié)點可以有多個。

3.2 網絡結構設計

在查詢的過程中，被選擇出的Agent節(jié)點作為匯聚層節(jié)點應用，承擔讀取、匯聚下層RFID節(jié)點和傳感器節(jié)點的信息并且對讀取的信息進行分析的功能，而未被選擇的節(jié)點作為普通傳感節(jié)點工作，為其他的Agent節(jié)點傳遞自身的查詢數(shù)據(jù)。

3.3 查詢模式設計

（1）普通數(shù)據(jù)查詢。設計的系統(tǒng)可以完成普通的無線傳感器網絡的工作，所有傳感器節(jié)點都將采集到的有用數(shù)據(jù)傳遞給發(fā)出查詢請求的上層節(jié)點。如圖1所示，用戶User1申請查詢來自網絡中的數(shù)據(jù)，通過查詢請求的傳遞，選取出合適的代理節(jié)點（Agent1, Agent2），通過代理節(jié)點收集網絡中節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并返回給查詢用戶。

（2）標識查詢。當網絡中需要對節(jié)點或者某帶有標識標記的物體進行識別性查詢時，網絡同樣可以完成查詢任務，在這種查詢模式下，帶有射頻識別功能的節(jié)點，除了收集周邊節(jié)點感知的數(shù)據(jù)之外，也開始進行讀取其標識信息，并與由Agent節(jié)點傳來的查詢條件信息進行比對，如果相匹配，則將其信息傳遞給管理層。如圖2所示，用戶User2想查詢標識編碼為XX的節(jié)點的信息，首先發(fā)布查詢請求，當查詢請求傳遞給與目標節(jié)點XX相鄰的RFID節(jié)點，R1和R2時，兩節(jié)點通過信息匹配，開始獲取目標節(jié)點的信息，并通過代理選擇機制確定的Agent節(jié)點（Agent3），將查詢結果返回用戶終端。

圖1 普通查詢模式

圖2 標識模式

3.4 系統(tǒng)算法實現(xiàn)

在這種混合查詢模式下，可以綜合應用本文前面提出的兩種算法，將整個查詢建立在一種基于梯度的工作框架中。整個系統(tǒng)的算法實現(xiàn)一共包括3個部分。

（1）初始化系統(tǒng)。在網絡的節(jié)點布置完成后，由管理層發(fā)出系統(tǒng)初始化信息，在整個網絡中廣播，根據(jù)定向擴散算法，建立起初始的梯度關系。選擇出初始的代理節(jié)點，承擔匯聚下層節(jié)點信息并上傳的工作。

（2）數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)查詢包括普通查詢和標識數(shù)據(jù)查詢,當管理節(jié)點或查詢用戶發(fā)出查詢請求時，通過廣播將自己的查詢信息傳播給無線傳感器網絡中的各個節(jié)點。在無線傳感器網絡的查詢信息中，可能既包括針對數(shù)據(jù)的信息，也包括針對標識的信息。因此，查詢的模式也分為普通查詢和標識查詢兩種。

在查詢的過程中，首先由管理節(jié)點發(fā)布查詢信息，通過本文提出的LDD和DSMA算法，選擇查詢的Agent節(jié)點，確定查詢數(shù)據(jù)的傳遞路徑，將網絡中收集的數(shù)據(jù)匯聚到Agent節(jié)點，傳回管理節(jié)點。

在標識查詢模式下，在發(fā)出查詢信息時，需要首先利用RFID節(jié)點，確定查詢信息中的標識所指向的目標。確定了所查詢的目標，再綜合利用本文提出的LDD和DSM A算法，根據(jù)梯度和節(jié)點的當前狀態(tài)，選擇作為查詢匯聚的Agent節(jié)點，將查詢的數(shù)據(jù)或者目標信息匯聚到Agent節(jié)點，由其傳遞到管理節(jié)點。

（3）網絡結構更新。不論哪種查詢模式下，如果節(jié)點的狀態(tài)發(fā)生變化，均會返回匯報信息，在下一次傳播查詢興趣時，管理節(jié)點會根據(jù)網絡的節(jié)點情況對梯度值進行更新，以避免由于少部分節(jié)點失效而導致無效路由。此時，同時通過本文提出的定向選擇代理算法，在初始化梯度的基礎上，結合網絡的負載情況對節(jié)點的權值重新進行計算，以此選擇出結構發(fā)生變化后網絡內最優(yōu)的Agent節(jié)點，從而實現(xiàn)對網絡層次結構的優(yōu)化調整，將目標節(jié)點的相關信息傳遞給管理節(jié)點或相關用戶終端，這個過程和初始化的過程相同。

4 結語

本文對無線傳感器網絡中數(shù)據(jù)流的查詢進行研究，并且在對物聯(lián)網環(huán)境下的數(shù)據(jù)流應用進行了初步的探討，雖然取得了一定的成果，但是仍有許多不足之處。

任何一個特定環(huán)境中的數(shù)據(jù)流查詢都是特殊的系統(tǒng)工程，其中涉及的問題方方面面，不是個人或者團體進行短時間的膚淺研究就可以解決的，希望本文能對將來此方面的研究者提供一些有用的借鑒和幫助，讓更多的研究者投入到這個行列中來。

[1]徐宏力. 無線傳感網絡有效的數(shù)據(jù)收集問題研究[D].合肥：中國科學技術大學，2007.

[2]柯煒.無線傳感器網絡關鍵技術及其研究難點[J].電信科學，2005（6）：9-12.

[3]伊莉娜.基于Agent的移動查詢技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

Design and implementation of mobile agent technology for w ireless sensor network

Yang Xu
（Ιnformation and Ιntelligent Engineering Department of Anhui Electronic Ιnformation Career Technical College, Bengbu 233000, China）

W ireless sensor network technology has been extended to all aspects of life, based on the depth research on data querying mechanism of w ireless sensor network, it is found that the existing query algorithms have two shortcom ings, one is query network load imbalance; the other is the proxy node cannot be dynam ically adjusted. Ιn order to solve these two problems, this paper proposes a mobile agent technology based on directed diffusion algorithm to accomplish the design and implementation of directional selection for the mobile agent technology.

WSN; query algorithm; direct diffusion; load; agent

楊旭（1983— ），女，安徽淮北，本科，講師，教師；研究方向：網絡工程。