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火灾监控系统中无线传感器网络拓扑研究范文

时间:2022-04-14 02:37:01

火灾监控系统中无线传感器网络拓扑研究

摘要:

针对森林火灾监控系统中无线传感器网络特点,建立了基于随机几何图的加权网络拓扑模型,连边权重为体现节点通讯能耗的相异权。该模型不仅描述了节点间相互连接关系,还能体现节点间距离及通讯半径对拓扑结构的影响,研究中利用复杂网络分析方法对模型进行了验证。此外,在此模型基础上提出了拓扑优化算法。该算法在网络连通的前提下,通过约束节点单跳可达邻居数简化了网络结构。实验结果表明,拓扑模型与实际网络特性相符,拓扑优化算法能有效降低连边密度,有利于简化复杂的路由计算,延长网络寿命。

关键词:

森林火灾监控;WSN;拓扑模型;拓扑优化

森林是人类赖以生存及社会发展最重要和不可缺少的资源。由于自然或人为因素导致森林火灾时有发生,森林火灾是破坏森林资源安全、威胁人类生存环境最为严重的灾害之一。如何准确、高效地预防和发现火情已成为亟待解决的问题。森林地势复杂,很多区域人员难以到达,不易进行人工和有线监测。因此,无线传感器网络(WSN)技术应用于森林火灾监测具有广阔的前景。森林面积广阔,监测系统需要大量微型、廉价的传感器节点,节点通过人工埋置或飞行器播撒的方式随机部署,实时感知覆盖区域内的温度、烟雾浓度等火灾信息,通过自组织网络将采集到的数据传递给汇聚节点,汇聚节点将现场数据经Internet、移动通信网络或卫星等途径发送到控制中心,实现对森林火灾的无线监测。与其他通信网络相比,森林火灾监测系统中采用的无线传感器网络具有网络规模大、节点部署密集、网络冗余度高、节点自身资源受限等特点。对于大规模的无线传感器网络而言设计良好的拓扑结构尤为重要,网络拓扑是设计和组建网络的第一步,也是实现各种协议的基础。因此,如何建立更加符合实际网络特性的拓扑模型是研究的前提。此外,由于传感器节点部署具有很大的随机性,节点的位置不可预测,初始的网络拓扑很难满足要求,需要进行优化控制。笔者主要针对森林火灾监测系统中无线传感器网络的特点,构建网络拓扑模型,并在此模型基础上对网络拓扑进行优化,为网络性能的提高奠定基础。

1WSN拓扑结构

1.1传感器节点通信特性

无线信号在传播过程中由于受环境因素的影响,信号强度会随传播距离的增加而衰减。依据自由空间传播路径损耗模型,距发射机为d处的平均接收功率Pr(d)可以表示为式(1)。Pt为发射天线辐射功率;Gt为发送天线的方向增益;Gr为接收天线的方向增益;λ为媒介中场的波长。为了保证节点直接通信,节点间距离d必须满足d≤ΨPtPr,()th,其中Ψ=GtGrλ4[]π2,d称为节点通信半径。在布尔型全向感知模型中设节点i在二维平面上的坐标为xi=(xi,yi),节点感知半径为ri,节点对于在坐标xj=(xj,yj)处任意节点j的感知概率可表示为式(2与j的距离。

1.2传感器节点度分布

设有n个节点随机分布于区域A内,网络节点密度ρ=n/SA,SA表示区域A的面积。网络中任意节点恰好位于区域B(其中BA)的概率为P=SBSA,随机变量X表示恰好有m个节点位于区域B中的事件,则该随机变量服从二项分布,由P=ρSBn可得式(3)由式(4)可知,当网络节点数n很大时,传感器节点度分布近似为泊松分布。

2WSN拓扑建模

2.1加权网络拓扑模型

为了解决随机图对无线传感器网络拓扑建模存在的不足,研究中采用随机几何图构建网络拓扑模型。设传感器节点的通信半径与感知半径相等,将无线传感器网络用随机几何图描述,其中n为节点数,r为通信半径。V={v1,v2,v3Λ,vN]表示网络中节点集合,dij表示节点vi和vj间的距离,E={e1,e2,e3Λ,ew]V×V表示边的集合。节点通信覆盖范围是以自身为圆心,r为半径的圆盘区域,如式(5)所示。考虑节点间距离对网络拓扑的影响,需要在网络连边上赋予权重。对于无线传感器网络,节点进行数据转发时总是选取能耗最低的路径。式(1)可知,自由空间模型下无线通信的能量消耗会随着通信距离的增加而增长。因此,可以将d2ij作为权重赋予连边eij,d2ij的大小可体现节点间进行数据转发所消耗的能量。无线传感器网络的加权拓扑模型就可用相应的加权邻接矩阵A=[aij]表示。其中,aij=f(xij)•g(dij),f(xij)为节点感知概率,g(dij)=d2ij。节点间距离越近权重越小,距离越远权重越大,当两点间无直接连接时权重为∞。

2.2实验仿真

在100m×100m的区域内随机部署200个传感器节点,节点通信半径为13m。网络中所有节点均同质,具有相同的物理性质和通信半径,节点采用布尔型全向感知模型。图1为网络拓扑结构。考虑到拓扑结构模型为加权网络,因此主要分析节点度分布和节点强度分布,如图2和图3所示。研究结果表明,整个网络节点度分布比较均匀,大量节点度集中在7~11之间,以平均度8.5为中心两边迅速下降,度值小于7或大于11的节点所占比例不足5%,近似泊松分布,与理论推导的结论相符。图3显示网络节点强度分布比较均匀,大量节点的点强度集中于平均值附近,少量点的强度偏离均值。为了揭示无线传感器网络拓扑结构特性,将传感器网络拓扑模型统计特性与随机网、小世界网和近邻耦合网的统计特性进行了对比,表1给出了同等规模下不同

2.3结果讨论

(1)所建立的拓扑模型中节点度分布均匀,近似为泊松分布,与理论计算结果相符。网络节点度有界,这与节点感知范围有限所导致的局部通信特性相一致。(2)通过计算发现,点强度与节点度不满足s(k)≈<w>k的关系(<w>为网络边权平均值)而满足s(k)≈Akβ的关系。其中β≈0.45、A≈32,表明网络边权与拓扑结构有关,与网络模型构建中边权的赋予方式相符。(3)与其他三类网络相比,无线传感器网络拓扑结构具有较大的聚类系数,即网络具有明显的聚类效应,局部节点间的连接比较紧密,这符合传感器网络的本地化通信特点。

3拓扑控制

3.1拓扑优化算法

森林火灾监测中需要大量的传感器节点,为了保证网络的连通及对被测区域的全覆盖,网络建立初期形成的拓扑结构具有较大的冗余。这样既不利于节点能耗的降低,又会增加节点间通信干扰。因此,研究中提出了基于约束节点连边数的稀疏网络拓扑优化算法。算法中主要针对“度”大的节点边数进行约束,选定节点后删除与该节点相连的哪些边是算法的关键,这就要求对节点在信息传递过程中的重要度进行评估。通常用度描述网络节点的重要程度,但对于数据转发的无线传感器网络,考虑某一节点对其他节点的影响力更为重要。而“介数”衡量的就是点对其他节点的影响程度。节点i介数L(i)是网络中所有节点对之间通过该节点的最短路径数占所有最短路径数的比例,即L(i)=∑s≠t≠iσst(i)σst。其中,s.t是网络中的节点对,σst是从s到t的所有最短路径的总和,σst(i)表示通过节点i的所有最短路径数。显然,在讨论无线传感器网络数据流通时,介数比节点度能够更好地评价节点的重要程度。因此,研究中将介数作为衡量节点重要度的指标,以此来确定所要删除的连边。具体算法如下:(1)随机部署节点,设置通信半径保证网络连通,初步形成网络拓扑;(2)选取节点i进行连边约束,节点被选中的概率与其节点度d成正比;(3)确定与被选节点i相连的所有邻居节点集合V={vj|aij≠0],在集合V内选取ρd个节点,在集合V内节点介数越小被选中的概率越大(其中ρ为删边比例,d为节点i的度);(4)确定节点i及其邻居节点j后,判断二者的连边是否唯一,如果唯一,放弃该邻居节点返回第3步,在集合V中重新选取,如果不唯一删除连边eij;(5)返回第2步,重复上述过程。

3.2算法仿真

实验中网络参数设置如下:节点数为200,分布区域面积10000m2,节点通信半径为14m。图4为初始网络拓扑,图5为对节点度进行约束后得到的稀疏网络拓扑。表2为拓扑优化前后网络结构测度的对比。可以看出,网络连边密度降低了41.5%,节点平均度减少了41.5%,而网络的平均最短路径只增加了14.8%。优化后的拓扑既简化了网络结构又保证了网络的连通,将有利于路由的简化和网络生存周期的延长。

4结论

为了满足森林火灾监控的需求,无线传感器网络被广泛应用。森林火灾监控系统中无线传感器网络具有网络规模大、节点部署随机、结构冗余度高、节点自身资源受限等特点。结合这些特点,笔者建立了基于随机几何图的无线传感器网络拓扑模型。该模型不仅可以描述传感器节点间相互连接关系,还可以体现节点间距离及通讯半径对网络拓扑结构的影响。此外,在此模型基础上对网络拓扑进行了优化,以度和介数作为节点重要程度的衡量指标,提出了稀疏网络拓扑优化算法,通过该算法对网络的冗余链路进行适当地删减,降低了网络连边密度,在保证网络连通的情况下实现网络结构的简化,有利于简化复杂的路由计算,降低节点间通信干扰,延长网络生存周期。

参考文献:

[1]杨久红,王小增.森林火灾定位及自动报警系统设计[J].消防科学与技术,2010,29(5):410-413.

[2]刘明岩,常宁.基于ZigBee和GPRS全无线火灾自动报警系统设计[J].消防科学与技术,2015,34(5):603-606.

[3]陈吉潮,王克印,韩星星,等.森林灭火机械抛投平台的原理设计[J].消防科学与技术,2012,31(8):837-840.

[4]杨久红,王小增.基于径向基网络和气象因子的森林火灾预测系统[J].消防科学与技术,2010,29(7):602-605.

[7]和鹏,毕红军.一种无线传感器网络可靠拓扑的生成算法[J].传感器与微系统,2015,(2):140-142

[10]刘洲洲,王福豹.一种能耗均衡的无线传感器网络加权无标度拓扑研究[J].物理学报,2014,(19):59-66.

作者:任月清 齐利晓 杨国庆 单位:天津城建大学

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