摘要：為降低傳輸中數(shù)據(jù)通信路徑的抖動頻次，提高傳輸路徑的網(wǎng)絡(luò)帶寬，文章引進大數(shù)據(jù)技術(shù)研究傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法。根據(jù)無線信號的強度和節(jié)點的發(fā)射功率，設(shè)置通信半徑，明確不同節(jié)點之間能夠相互通信的最大距離，以此為依據(jù)，建立傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)中的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，進行全域數(shù)據(jù)掃描；使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，進行節(jié)點關(guān)聯(lián)計算，根據(jù)計算節(jié)點，選取傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點；引入了數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)中的多播方式，設(shè)計傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑傳輸。對比實驗結(jié)果證明：該方法可以在控制傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑抖動頻次的基礎(chǔ)上，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的帶寬，為數(shù)據(jù)的高效率傳輸提供全面的技術(shù)保障與支持。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù)；簇頭節(jié)點；優(yōu)化方法；路徑；數(shù)據(jù)傳輸；傳感設(shè)備

中圖分類號：TP311" 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能交通等領(lǐng)域，傳感設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集的前端，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性對于整個系統(tǒng)的運行至關(guān)重要。

李小汝等^［1］通過深入分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?，確定了數(shù)據(jù)傳輸幀的最佳長度，進而調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖DPC碼度分布，以實現(xiàn)高通量衛(wèi)星通信傳輸信息的最大化。盡管該方法優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，但在復(fù)雜多變的通信環(huán)境中，仍可能面臨信道干擾和信號衰減等問題，影響通信質(zhì)量。同時，該方法對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和動態(tài)調(diào)整能力尚需進一步提高，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景下的需求變化。張偉等^［2通過構(gòu)建基于多層次數(shù)據(jù)融合的集群監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)，對各層次的安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分區(qū)，研究多優(yōu)先級、多路徑傳輸機制，為數(shù)據(jù)的低延時、高效傳輸提供決策支持。但WSN節(jié)點的計算和存儲能力有限，可能無法處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，限制了其在大型流程行業(yè)中的應(yīng)用范圍，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，增加了數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險。同時，該方法對于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化適應(yīng)性有限，可能無法及時響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

為解決現(xiàn)有方法的不足，本文引進大數(shù)據(jù)技術(shù)，開展傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法的設(shè)計研究，以此種方式，推進傳感設(shè)備在市場各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 建立傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

為滿足傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化設(shè)計需求，本文采用建立數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的方式，為數(shù)據(jù)傳輸提供技術(shù)支撐。在此過程中，傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)涉及多個傳感器節(jié)點和一個或多個中央接收節(jié)點（或基站），將傳感器節(jié)點分布在特定的地理區(qū)域內(nèi)，收集數(shù)據(jù)并通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央節(jié)點^［3］。為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，可以根據(jù)無線信號的強度和節(jié)點的發(fā)射功率，設(shè)置通信半徑，明確不同節(jié)點之間能夠相互通信的最大距離。此過程計算公式如下：

f=kF+lφe（1）

其中，f為節(jié)點間能夠相互通信的最大距離；k為節(jié)能能耗限制；F為節(jié)點發(fā)射功率；l為中央節(jié)點；φ為無線信號強度；e為傳感器節(jié)點分布密度。考慮到無線信號的衰減和障礙物的存在，無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的設(shè)置可以通過下述公式計算：

p=hqsm（2）

其中，p為無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；s為無線信號的衰減；m為障礙物數(shù)量。傳感器節(jié)點的能量消耗主要來自數(shù)據(jù)收集和傳輸。傳輸距離越遠，消耗的能量越多^［4］。能量消耗模型通常與傳輸距離、數(shù)據(jù)大小和傳輸功率有關(guān)，因此，在掌握網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的基礎(chǔ)上，以此為依據(jù)，對路徑傳輸中的能量損耗進行計算。計算公式如下：

L=2γpz（3）

其中，L為傳輸路徑中的能量損耗；γ為數(shù)據(jù)規(guī)模；z為傳輸功率。通過上述方式，掌握數(shù)據(jù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的損耗，對其進行補償，從而實現(xiàn)對傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點選取

簇頭節(jié)點的選取對于平衡網(wǎng)絡(luò)能耗、提高數(shù)據(jù)傳輸效率具有關(guān)鍵作用，因此，在完成上述內(nèi)容的設(shè)計后，引進大數(shù)據(jù)技術(shù)，進行傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點的選取^［5］。在此過程中，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)中的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行全域數(shù)據(jù)掃描，收集分布在空間中的節(jié)點數(shù)據(jù)，包括節(jié)點位置信息、剩余能量、通信質(zhì)量等，將其傳輸?shù)街醒敕?wù)器或數(shù)據(jù)中心進行存儲和預(yù)處理。處理過程計算公式如下：

α=∑L·β（4）

其中，α為數(shù)據(jù)預(yù)處理；β為大數(shù)據(jù)掃描范圍。在預(yù)處理完成后，使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)進行節(jié)點關(guān)聯(lián)計算，計算公式如下：

P=E（α）T（5）

其中，P為節(jié)點關(guān)聯(lián)系數(shù)；E為機器學(xué)習(xí)系數(shù)；T為關(guān)聯(lián)條件。簇頭節(jié)點的選取與其剩余能量成正比，即剩余能量越多的節(jié)點被選為簇頭的概率越大，通過分析節(jié)點的剩余能量數(shù)據(jù)，找出剩余能量較高的節(jié)點作為候選簇頭^［6］。在此過程中，節(jié)點被選為簇頭的概率可以通過下述公式計算：

Q=1DP（6）

其中，Q為節(jié)點被選為簇頭的概率；D為節(jié)點的總剩余能量。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮節(jié)點的剩余能量和到坐標(biāo)中心的距離，進行傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點的選取^［7］。此過程計算公式如下：

W=χQ+（1-δ2）（7）

其中，W為傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點選取；χ為節(jié)點加權(quán)；δ為權(quán)重因子。按照上述方式，完成基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點選取。

3 傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑傳輸

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑的傳輸設(shè)計。設(shè)計中，為確保數(shù)據(jù)高效、可靠地通過多條路徑并發(fā)傳輸，引入了數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)中的多播方式^［8］。多播方式允許數(shù)據(jù)在單個發(fā)送操作中被發(fā)送到多個接收者，傳輸中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和節(jié)點的特性選擇出多條合適的傳輸路徑，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包成多個數(shù)據(jù)單元，根據(jù)路徑選擇的結(jié)果，將數(shù)據(jù)單元同時發(fā)送到路徑上的多個節(jié)點^［9］。此過程中，每個節(jié)點都負責(zé)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)屬于自己的數(shù)據(jù)單元，從而確保數(shù)據(jù)能夠沿著多條路徑并行傳輸，最終到達目標(biāo)節(jié)點。此過程計算公式如下：

J=ε+2Wc（8）

其中，J為數(shù)據(jù)分發(fā)；ε為路徑評分；c為路徑能耗。在目的地節(jié)點，需要對通過多個路徑傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行重組，以得到完整的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)重組可以通過序列號、時間戳等方式進行，確保數(shù)據(jù)的順序性和完整性。數(shù)據(jù)重組過程計算公式如下：

ω=∑J+rξ（9）

其中，ω為終端在接收數(shù)據(jù)后的重組處理；r為數(shù)據(jù)序列號；ξ為數(shù)據(jù)時間戳。終端在接收到數(shù)據(jù)后，按照公式（9）進行數(shù)據(jù)重組，以此實現(xiàn)傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的多路徑傳輸，完成基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法設(shè)計^［10］。

4 對比實驗

完成上述內(nèi)容的設(shè)計后，選擇某生產(chǎn)單位傳感設(shè)備展開對比實驗。為確保傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化實驗的可靠性，選取多用途的傳感設(shè)備，對實驗中選用的傳感設(shè)備技術(shù)參數(shù)進行分析，相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，對傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行匯總，將其作為本次實驗的樣本數(shù)據(jù)，對樣本數(shù)據(jù)進行描述，如表2所示。

在傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)首先由傳感器采集并打包，然后通過預(yù)定的傳輸路徑（如無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)或總線系統(tǒng)）發(fā)送至接收端（如上位機、數(shù)據(jù)中心等）。接收端在接收到數(shù)據(jù)包后，會進行解包處理，提取出有用的數(shù)據(jù)信息進行存儲或進一步處理。在一次為期1周的測試中，發(fā)現(xiàn)某無線傳感網(wǎng)絡(luò)在每天的10：00—12：00時間段內(nèi)，由于周圍電磁環(huán)境的干擾，傳輸路徑的抖動頻次平均達到5次/min，最高達到10次/min。除上述問題，在一項針對大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中約10%的通信傳輸節(jié)點存在離線問題，而出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬不足。

為解決現(xiàn)有方法的不足，分別應(yīng)用李小汝等^［1］、張偉等^［2］方法與本文方法進行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑的優(yōu)化。將上述數(shù)據(jù)作為傳輸對象，對3種方法傳輸數(shù)據(jù)時的路徑抖動頻次進行分析對比，相關(guān)結(jié)果如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文設(shè)計的方法進行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化，優(yōu)化后傳輸傳感設(shè)備數(shù)據(jù)時的10條路徑抖動頻次均為0，而李小汝等^［1］、張偉等^［2］方法在傳輸傳感設(shè)備數(shù)據(jù)時，無法保證每條路徑的抖動頻次均為0。

在此基礎(chǔ)上，對優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑帶寬進行分析，其結(jié)果如圖1所示。

從圖1所示的實驗結(jié)果可以看出，在相同的節(jié)點傳輸率下，應(yīng)用本文方法進行傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑帶寬最大，而李小汝等^［1］、張偉等^［2］方法對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑帶寬則相對較小。

綜合上述實驗結(jié)果，可以得到結(jié)論：本文設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)化方法應(yīng)用效果良好，該方法可以在控制傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑抖動頻次的基礎(chǔ)上，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的帶寬，此種方式為數(shù)據(jù)的高效率傳輸提供了全面的技術(shù)保障與支持。

5 結(jié)語

大數(shù)據(jù)技術(shù)的挖掘能力顯著提升，為傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑的優(yōu)化提供了有力支持。隨著傳感設(shè)備數(shù)量的不斷增加以及采集數(shù)據(jù)量的急劇增長，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸路徑已難以滿足高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求。且現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸路徑在面對海量數(shù)據(jù)時，大多存在傳輸效率低下、穩(wěn)定性差等問題，難以滿足實際應(yīng)用需求。為解決此方面問題，本文在此次研究中引進大數(shù)據(jù)技術(shù)，從傳感設(shè)備數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點選取、傳感設(shè)備數(shù)據(jù)多路徑傳輸?shù)确矫?，開展了傳感設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化方法的設(shè)計研究。本文通過深入分析傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)特性、傳輸需求以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，旨在降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和丟包率，提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，從而為物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等的建設(shè)應(yīng)用提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

參考文獻

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（編輯 沈 強編輯）

Optimization method of data transmission path of sensing equipment based on big data technology

ZHU" Ronghua

（Zhujiang College， South China Agricultural University， Guangzhou 510900， China）

Abstract：" In order to reduce the jitter frequency of the data communication path in the transmission and improve the network bandwidth of the transmission path， this article introduces big data technology to carry out the design and research of the optimization method of the data transmission path of the sensing equipment. According to the strength of the wireless signal and the transmission power of the node， the communication radius is set to define the maximum distance between different nodes to communicate with each other， establish the sensing equipment data transmission network; use data mining technology in big data technology to scan global data; The article uses machine learning technology to calculate node correlation， select transmission node cluster node according to computing nodes; and introduces multicast mode in data distribution technology to design multi-path transmission of data of sensing equipment. The comparative experimental results prove that this method can improve the bandwidth of the network transmission path on the basis of controlling the jitter frequency of the data transmission path of the sensing equipment， and provide comprehensive technical support for the efficient data transmission in this way.

Key words： big data technology; cluster head node; optimization method; path; data transmission; sensing equipment