鐘偉

(汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,圖書館，廣東,汕頭 515078)

0 引言

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的當(dāng)代社會(huì)，文化建設(shè)的重要性被廣泛關(guān)注[1]，圖書館建設(shè)規(guī)模明顯提升，為讀者提供優(yōu)質(zhì)的閱讀環(huán)境，保障圖書使用壽命的同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖書館節(jié)能，成為當(dāng)前圖書館環(huán)境建設(shè)領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。為此對(duì)圖書館內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控其溫度與濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，成為一種保障圖書館環(huán)境的有效方式[3]。

當(dāng)前普遍使用基于協(xié)作波束形成遠(yuǎn)距離傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)算法[4]、基于WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)算法[5]和基于Lyapunov函數(shù)和反推時(shí)變狀態(tài)反饋控制方法的環(huán)境監(jiān)測(cè)算法[6]監(jiān)測(cè)環(huán)境信息，第一種算法依照實(shí)際需求構(gòu)建優(yōu)化模型，在交叉過程中確定旁瓣幅值，提升節(jié)點(diǎn)功率優(yōu)化效率；第二種算法通過優(yōu)化傳統(tǒng)DV-Hop算法提升監(jiān)測(cè)精度；第三種算法在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及誤差模型基礎(chǔ)上，利用Lyapunov函數(shù)和反推時(shí)變狀態(tài)反饋控制方法跟蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)。但上述算法在實(shí)際應(yīng)用過程中存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不精確和能耗較高等問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、高靈活性、便利性與廣覆蓋等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中?？紤]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)中，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)算法。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)算法

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)算法利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集圖書館內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。圖1所示為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)流程。利用優(yōu)化后的虛擬力算法優(yōu)化圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)布局后，開啟全部節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)施初始化處理。初始化結(jié)束后構(gòu)建路由，全部節(jié)點(diǎn)循環(huán)廣播自身路由信息，各節(jié)點(diǎn)依照ECCTP路由算法分析所獲取的廣播信息獲取父節(jié)點(diǎn)，至無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)均加入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)為止?；谒鶚?gòu)建的路由，進(jìn)行數(shù)據(jù)圖書館環(huán)境數(shù)據(jù)采集與傳輸，提出基于單位時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)量最大化的數(shù)據(jù)采集路徑規(guī)劃模型，基于該模型采集數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)采集效率的同時(shí)約束環(huán)境監(jiān)測(cè)能量，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。除匯聚節(jié)點(diǎn)外的全部節(jié)點(diǎn)同時(shí)周期性采集圖書館環(huán)境數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)通過父節(jié)點(diǎn)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)的同時(shí)更新路由，也就是節(jié)點(diǎn)周期性廣播自身路由信息，其余節(jié)點(diǎn)接收廣播后依照ECCTP路由算法再次選擇度節(jié)點(diǎn)，以此保障無線傳感網(wǎng)絡(luò)的完整性。匯聚節(jié)點(diǎn)上的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)內(nèi)供使用。

圖1 圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)流程

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化

虛擬力算法同節(jié)點(diǎn)覆蓋技術(shù)之間具有明顯一致性[7]，因此可采用虛擬力算法優(yōu)化無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)布局，詳細(xì)過程如下：以si和sj表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨機(jī)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)si受節(jié)點(diǎn)sj影響，兩者間的作用力關(guān)系如式(1)：

(1)

式中，k和dij分別表示增益系數(shù)和節(jié)點(diǎn)si和sj間的距離，rs和dth分別表示節(jié)點(diǎn)間最佳距離和節(jié)點(diǎn)間距離閾值。

不同傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)依照整體合力更新節(jié)點(diǎn)位置[8]，更新過程如下：

(2)

(3)

式中，F(xiàn)xy和dm分別表示作用于節(jié)點(diǎn)的虛擬力合力和傳感器節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)距離，F(xiàn)x和Fy分別表示Fxy在x軸和y軸上的分量。

傳統(tǒng)虛擬力算法僅考慮無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的作用力，在其中引入網(wǎng)格格點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的作用力[9]，可降低節(jié)點(diǎn)在位置更新過程中的時(shí)間損耗，公式描述如下：

(4)

式中，w和dig分別表示增益系數(shù)和節(jié)點(diǎn)與格點(diǎn)間的距離，r和R分別表示感知半徑與通信半徑。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)圖書館環(huán)境過程中，有一定概率產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)聚集在邊界上的現(xiàn)象[10]，針對(duì)這一現(xiàn)象，依照上述過程移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)排斥到邊界外的問題，導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋能力下降。用Fb表示感興趣區(qū)域的邊界對(duì)節(jié)點(diǎn)存在的約束力，其主要作用是令節(jié)點(diǎn)存在于感興趣區(qū)域內(nèi)，其公式描述如下：

(5)

式中，φ、di和dbth分別表示增益系數(shù)、傳感器節(jié)點(diǎn)i到邊界的距離和邊界距離閾值。

1.2 移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)路徑優(yōu)化

利用上述優(yōu)化后的虛擬力算法優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)布局并實(shí)施初始化處理后，依照ECCTP路由算法構(gòu)建路由[11]，利用路由實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中單一移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)特性[12]，考慮圖書館環(huán)境數(shù)據(jù)采集的相關(guān)因素隨移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃的影響，設(shè)計(jì)基于單位時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)量最大化的數(shù)據(jù)采集路徑規(guī)劃模型。設(shè)定在圖書館二維平面中設(shè)置n個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)感知傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，全部節(jié)點(diǎn)位置固定。各靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)感知的圖書館環(huán)境數(shù)據(jù)暫存在節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)內(nèi)，如果緩存區(qū)的數(shù)據(jù)量在移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)到達(dá)之前達(dá)到存儲(chǔ)上限，則利用多級(jí)跳的方式傳回匯聚節(jié)點(diǎn)[13]，相反利用移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)傳入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)。用r和gi分別表示靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)動(dòng)數(shù)據(jù)的速率和靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)量，Ti表示移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)在靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)i停留的時(shí)間，其公式描述為

Ti=gi/r

(6)

用Ri和C分別表示靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的速率和緩存區(qū)存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)量的上限，ti和Gi分別表示移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)到達(dá)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)i的時(shí)間和由匯聚節(jié)點(diǎn)出發(fā)時(shí)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)i緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量，由此可用式(7)確定gi：

gi=(Riti+Gi)%C

(7)

通過移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)訪問前k個(gè)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)路徑消耗的時(shí)間同與前k-1個(gè)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸消耗的時(shí)間相加能夠確定移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)達(dá)到第k個(gè)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間[14]。用v、s和s(k)分別表示移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速率、路徑和第k個(gè)訪問的節(jié)點(diǎn)，由此確定移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)到達(dá)第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間ts(k)：

(8)

(9)

上述過程說明全部靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)消耗時(shí)間相加即為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器數(shù)據(jù)采集路徑上消耗的時(shí)間。

考慮一定時(shí)間內(nèi)，不同靜態(tài)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)量為定值，因此單位時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)量與需通過多級(jí)跳傳回匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量、靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)消耗的能量間均呈反比例相關(guān)[15]。因此在優(yōu)化移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)路徑過程中將移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)量最大化作為優(yōu)化目標(biāo)，公式描述如下：

(10)

令：

(11)

由于r和v同移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)路徑均不具有相關(guān)性，因此可令函數(shù)f(s)得到最小值的路徑同樣可令函數(shù)F(s)獲取最小值，同樣可令函數(shù)p(s)獲取最大值。由此可將式(10)所示的優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)換為

(12)

式(12)說明無線傳感網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)在采集圖書館環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)的最優(yōu)路徑設(shè)置需根據(jù)最小化路徑整體長(zhǎng)度與采集數(shù)據(jù)量的比值設(shè)置。

1.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)后，經(jīng)由匯聚節(jié)點(diǎn)利用串口將所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)內(nèi)，對(duì)圖書館環(huán)境情況進(jìn)行判斷(預(yù)警)并利用串口將數(shù)據(jù)傳輸至外網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)運(yùn)行流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文所提基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)算法的實(shí)際應(yīng)用性，選取某市圖書館作為研究對(duì)象，研究對(duì)象尺寸為600 m×700 m。在MATLAB R2013b仿真軟件上對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行仿真，構(gòu)建用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)如下。網(wǎng)格大小設(shè)置與傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為2 m×2 m和38個(gè)，感知半徑與格點(diǎn)作用下傳感器節(jié)點(diǎn)的最大步長(zhǎng)分別為85 m和2 m，傳感器節(jié)點(diǎn)作用下的最大步長(zhǎng)為4.0 m。采用本文算法對(duì)研究對(duì)象環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得結(jié)果如下。

2.1 節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化仿真

實(shí)驗(yàn)分別用網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)以及不用網(wǎng)格點(diǎn)，使得節(jié)點(diǎn)分別運(yùn)行在無作用力以及有作用力的環(huán)境下，其中有作用力情況通過本文算法控制。

研究對(duì)象內(nèi)所搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)布局的初始狀態(tài)如圖3(a)所示，不存在網(wǎng)格作用力情況下傳感節(jié)點(diǎn)布局情況，如圖3(b)所示，采用本文算法進(jìn)行布局優(yōu)化的結(jié)果如圖3(c)所示。分析圖3(b)得到，雖然無網(wǎng)格作用力情況下，節(jié)點(diǎn)的覆蓋率高于初始隨機(jī)分布，但是仍然存在較為明顯的“空洞”現(xiàn)象；而采用本文算法對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化后，傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋率與采用本文算法優(yōu)化前相比顯著提升，傳感器節(jié)點(diǎn)分布更為均勻，“空洞”現(xiàn)象明顯改善。由此說明采用本文算法對(duì)研究對(duì)象無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化能夠提升區(qū)域整體監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

圖3 節(jié)點(diǎn)分布結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)濾波仿真

采用本文算法采集研究對(duì)象區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施濾波處理，所得的數(shù)據(jù)與原始無噪數(shù)據(jù)的對(duì)比情況如圖4所示。分析圖4得到，采用本文算法采集研究對(duì)象區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)與初始無噪數(shù)據(jù)相比基本一致，誤差在1.0 mm以內(nèi)。由此說明采用本文算法能夠準(zhǔn)確采集研究對(duì)象區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，提升監(jiān)測(cè)結(jié)果精度。

圖4 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

2.3 路徑規(guī)劃仿真

將基于協(xié)作波束形成遠(yuǎn)距離傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)算法(文獻(xiàn)[4]方法)和基于WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)算法(文獻(xiàn)[5]方法)為對(duì)比算法。采用本文算法優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)路徑，對(duì)比利用本文算法規(guī)劃路徑進(jìn)行信息采集所消耗的時(shí)間與能量對(duì)利用對(duì)比算法規(guī)劃路徑采集信息所消耗的時(shí)間與能量，所得結(jié)果如圖5所示。分析圖5(a)得到，采用本文算法規(guī)劃的數(shù)據(jù)采集路徑進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，單傳感器信息采集時(shí)間在7.5 ms至11.5 ms之間，平均時(shí)間約為10 s。相較于對(duì)比方法，本文方法單傳感器信息采集時(shí)間節(jié)約8 s和8.5 s。分析圖5(b)得到，匯總第6個(gè)、12個(gè)、18個(gè)、24個(gè)、30個(gè)、36個(gè)以及42個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗值，再用匯總的能耗值除以42，得到本文算法單傳感器信息采集消耗的能耗約為1.73/10-5J。采用同樣的方法也可得到2種對(duì)比算法的單傳感器信息采集能耗值，分別為4.13/10-5J和3.46/10-5J。對(duì)比分析這些數(shù)值，可以得出，本文算法單傳感器信息采集消耗的能耗顯著低于2種對(duì)比算法。

圖5 路徑規(guī)劃仿真結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明本文算法與對(duì)比算法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 總結(jié)

本文提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)算法，在優(yōu)化傳感器布局的基礎(chǔ)上，考慮數(shù)據(jù)采集的相關(guān)因素對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃的影響，構(gòu)建基于時(shí)間單位采集數(shù)據(jù)量最大的移動(dòng)采集結(jié)果路徑優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)分析，本文方法能夠提升區(qū)域整體監(jiān)測(cè)質(zhì)量。