區域監控在“無線傳感器網絡”課程中的教學設計

張文哲

摘 要：“無線傳感器網絡”是大學網絡工程專業本科生必修的專業課，是計算機網絡課程的延伸和技術前沿。區域監控是無線傳感器網絡的三大應用領域之一。文章結合大學教學改革需求，為“無線傳感器網絡”課程專門設計了區域監控教學內容，有效豐富了該課程的教學體系，擴展了課程的應用前景，以此作為傳統教學內容的有益補充以饗讀者。

關鍵詞：無線傳感器網絡；區域監控；傳感器節點；感知

無線傳感器網絡作為一種新型數據采集與處理手段，具有廣闊的應用前景和巨大的研究價值，越來越受到人們的普遍重視。目前，“無線傳感器網絡”已經成為大學網絡工程專業本科生必修的專業課，是計算機網絡課程的重要延伸和前沿技術。區域監控是無線傳感器網絡的三大應用領域之一[1]，有諸多應用場景和實用價值，如圖1所示。本文結合大學教學改革需求，為“無線傳感器網絡”課程專門設計了區域監控教學內容，有效豐富了該課程的教學體系，模擬無線傳感器網絡真正應用到軍事、醫療、商業和環境監測等領域，發揮潛在的巨大價值。

另一方面，“無線傳感器網絡”的教學拘泥于理論講解，缺乏項目實踐和應用場景，學生學習積極性不高，學習效果不佳。經綜合考慮，為了提高“無線傳感器網絡”課堂的教學效果和教學效率，保證教學質量，適應正在開展的某校教育教學體系改革，我們專門設計區域監控應用的教學環節，該項目集成網絡監測性能、網絡隱藏方法和捕獲目標3個模塊，真實再現了無線傳感器網絡與智能目標之間博弈與策略，方便教師教學，調動學生積極性并認真聽講，有利于正常教學活動的開展，增強了教師教學效果。

1 課程總體設計

本文從無線傳感器網絡面向區域監控的應用問題入手，對監測性能、隱藏方法和目標捕獲作了一些有益的課程設計，主要內容包括以下3個方面。

首先，每個傳感器節點都是有限的目標探測能力，所有傳感器節點的感知能力如何，通過暴露程度的概念來衡量。目標入侵被監控區域，暴露程度就是最小被感知概率之和。此外，為了更準確地衡量目標入侵的實際過程，使用基于局部信息的入侵算法，打破了傳統基于全局布置信息的假設，為衡量無線傳感器網絡監測性能提供了客觀依據。

其次，無線傳感器網絡針對入侵目標的探測，可以選擇靜默狀態，也即在保持監控性能和網絡連通的前提下，盡可能關閉通信模塊以減少電磁輻射。為此，讓學生設計并實現一種1-跳自保護算法，即基于廣度優先生成樹的最小連通支配集（BFS-based MCDS）算法，及其相應的分布式算法。

最后，針對入侵目標提出捕獲的任務，在大量靜態節點對目標感知、計算的基礎上，由移動節點實現捕獲，實現在地標導航的幫助下移動節點對靜態目標和移動目標的快速追捕方法。包括多移動節點—單目標的情形下的區域劃分優先追捕，和多移動節點-多目標情況下的任務分配算法。

本文針對無線傳感器網絡在區域監控中的應用，從傳感器網絡和目標兩個對象入手，設計了3種監控與反監控的教學項目，為實現無人值守式的區域監控提供典范。

2 項目設計與實現

本文從無線傳感器網絡在區域監控的應用問題入手，為該課程設計了3個教學項目，也即監測性能、隱藏方法和目標捕獲。

2.1 暴露與探測

在區域監控中，目標是被監控的對象，例如戰場上的敵人、重要場地的恐怖分子或者商店的小偷等。這些目標通常都是智能的。為了降低被監測的可能性，智能目標通常會探測布置的傳感器節點，擇優穿越。由此，在無線傳感器網絡與目標之間存在一對對立的概念：監測與反監測。無線傳感器網絡的脆弱性，稱之為服務失效（Denial of Service）[2]，也即傳感器網絡不能夠發揮其應有的功效。智能目標探索“好”的路徑入侵區域，也是傳感器網絡服務失效之一。目標最佳入侵路徑可以是基于傳感器網絡的完全布置信息。然而事實上智能目標的反監測能力通常是有限的，例如視力等。那么，真實地模擬智能目標的反監測能力的方法是基于傳感器網絡部分布置信息下的目標入侵問題。也即入侵目標只能探測部分節點布置信息，在此基礎上探索“比較好”的路徑入侵區域。為此，首先需要對智能目標的探測能力建模，才能合理地研究傳感器網絡對目標的實際監測能力。

為了衡量目標被傳感器網絡監測的可能性，我們引入了暴露的概念。目標的最小暴露可以利用Dijkastra算法計算獲得。目標在完全信息下的穿越有兩種路徑：最大裂口路徑和大支持路徑。目標在有限探測能力下，也即基于不完全信息下的穿越路徑選擇有角度優先路徑、距離優先路徑和前向優先方法路徑[2]。暴露定義為傳感器網絡收集到的目標能量，目標穿越區域時的路徑暴露也即傳感器網絡收集能量總和。從而我們可以通過仿真計算和實物實驗比對5種路徑的暴露差異，并找出優劣。

2.2 靜默與自保護

一種簡單而有效地減少節點暴露的方法是減少傳感器網絡的通信量，也即減少節點發送消息的數量。這就為面向區域監控的傳感器網絡設計提出了新的要求：在維持傳感器網絡正常功能的前提下，減少節點發送的消息數量，使更多的節點保持靜默，避免暴露。此外，靜默的節點依然面臨著危險，具有較強的脆弱性，容易遭受攻擊。在面向區域監控的應用中，需要保護這些節點，實時監控節點的狀態。靜默節點一旦被破壞，由其保護節點即刻發送緊急消息至網關。

節點自己保護自己，也稱之為自保護。自保護的方法是選擇部分節點承擔保護任務，實時監督其他節點的狀態。一旦有節點被毀或者失效，網關能夠收到這樣的消息并采取進一步的措施。無線傳感器網絡的自保護問題，正式定義是：一個無線傳感器網絡被p-自保護，當且僅當任何時刻任何傳感器節點至少被p個活躍的節點監視到。經典算法有集中式的PIA（Pre-Scheduled Independent Activation）和分布式的NC（Neighbourhood Cooperative self-protection）[3]。其實，自保護節點有一個重要特性—要求連通至網關的平均跳數最少。在面向區域監控應用中，由于邊緣節點面臨智能目標，我們希望被破壞的緊急消息盡快地匯報給網關。傳感器網絡的自保護通常都可歸納為任意圖的最小連通支配集問題。因此，無線傳感器網絡隱藏技術不僅要求所求的保護集合是最小連通支配集，而且要求連通至網關的平均跳數最少，一種新的MCDS算法能夠很好地解決隱藏節點選擇問題，也即寬度優先搜索（Breadth-First Spanning Tree，BFS）算法，該算法將問題歸納為最小連通支配集MCDS問題，然后給出了一種分布式近似算法。分布式算法是集中式算法的擴展，傳感器節點根據自己和鄰居的信息決定自己的狀態[3]。

2.3 捕獲目標

在無線傳感器節點上整合可移動裝置（如移動機器人等）即移動傳感器節點。由移動節點和靜態節點組成的傳感器網絡稱為混合傳感器網絡，網絡化的移動節點和靜態節點能夠協同地執行多種任務，如發現與彌補覆蓋漏洞、熱點區域重點覆蓋和入侵目標的捕獲等，其廣闊的應用場景為傳感器網絡的進一步應用提供了新思路、開創了新領域。與傳統的靜態傳感器網絡相比，混合傳感器網絡具有很好的柔韌性和自適應特性；與移動傳感器網絡相比，又大大降低了總的構造代價，卻保持了多機器人系統的優越性。

混合傳感器網絡在區域監控應用中的任務是監測并捕獲入侵目標，充分利用靜態節點與移動節點之間的相互合作，由移動節點完成捕獲目標的任務。典型的捕獲策略有：利用值循環的計算方法計算效用最大的方向，即得當前狀態下的移動節點的最佳運動方向；基于局部直方圖構建的矢量場用來導航；基于地標的機器人導航方法等。針對多移動節點—單目標的情形，給出了3種捕獲方法：簡單捕獲、優先捕獲和帶時間戳的優先捕獲方法，通過分析、仿真實驗和實物實驗驗證相關結論。此外，我們考慮多移動節點—多目標的情形，設計一種分布式任務分配協議最小化全局捕獲時間[4]。

障礙物常常出現在監控區域中，未來的教學項目可以考慮障礙物規避的快速捕獲策略。此外，博弈論在捕獲問題中的應用將會產生一些有趣的課題。

3 結語

項目實踐是區別于傳統教學的新型教學方法。本文針對“無線傳感器網絡”的教學環節，設計了一種面向區域監控的教學項目，為傳感器網絡的進一步推廣應用提供了出口，豐富了課程的教學內容，以期為教師提供客觀可行的教學素材，同時提高學生動手實踐能力，對于提高教學質量、增強師生互動具有積極意義。

[參考文獻]

[1]ESSA I A.Ubiquitous sensing for smart and aware environment[J].IEEE Personal Communication，2000（10）：47-49.

[2]MEGUERDICHIAN S，KOUSHANFAR F，POTKONJAK M，et al.Coverage problems in wireless ad-hoc sensor networks[C].Anchorage：Conference on Computer Communications，2001：1380-1387.

[3]彭偉，盧錫城.一個新的分布式最小連通支配集近似算法[J].計算機學報，2001（3）：254-258.

[4]QUN L，MICHAEL D R，DANIELA R.Distributed algorithms for guiding navigation across a sensor network [C].San Diego：Proceedings of the 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking，2003：313-325.