無線傳感器網絡移動代理技術設計與實現

楊 旭

（安徽電子信息職業技術學院 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

楊 旭

（安徽電子信息職業技術學院 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據查詢機制進行深入研究的基礎上，發現現有的查詢算法存在兩個不足之處：查詢網絡負載不平衡，以及查詢的代理節點無法動態調整。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。

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據為中心的網絡，與傳統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據流的數據源，以整個無線傳感器網絡作為一個感知數據的空間也可以看作是一個感知數據庫，因此WSN管理系統的應用目標就是數據管理和查詢處理[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授權的可以變更的管理助手節點。

無論是查詢節點負載的調整，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點的選取，平衡整個無線傳感器網絡中的節點能量消耗。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化，從而在不影響網絡查詢效率的情況下，對節點的能耗進行合理的分配。

考慮網絡負載平衡和降低節點能耗是WSN查詢的特點，針對這一特點，分析現有的查詢算法在WSN查詢中表現出來的不足，以定向擴散算法作為基礎，對無線傳感器網絡中數據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據節點到匯聚節點的數據傳遞路徑，從而確定了查詢節點傳遞數據的方向，保證數據流查詢的完成。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）協議封裝；（6）動態適應。

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。在集中式網絡系統中，傳感器獲取的數據匯聚到核心節點進行處理。分布式網絡則擁有多個子核心節點，每個子核心節點管理一個子網，子核心節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節點并不是固定的某個節點，而是可以根據查詢任務的需要，在不同節點之間遷移。遷移時采用能量優先和效率優先策略。如果Agent可以采用定向移動，那么就是對Agent節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

3.1 算法思想

在本文研究的網絡模式下，Agent節點與Sensor節點在沒有發生查詢的情況下并沒有區別，

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

3.2 網絡結構設計

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

3.3 查詢模式設計

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

（2）標識查詢。當網絡中需要對節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點，除了收集周邊節點感知的數據之外，也開始進行讀取其標識信息，并與由Agent節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的節點的信息，首先發布查詢請求，當查詢請求傳遞給與目標節點XX相鄰的RFID節點，R1和R2時，兩節點通過信息匹配，開始獲取目標節點的信息，并通過代理選擇機制確定的Agent節點（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 系統算法實現

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。整個系統的算法實現一共包括3個部分。

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

（2）數據查詢。數據查詢包括普通查詢和標識數據查詢,當管理節點或查詢用戶發出查詢請求時，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點。在無線傳感器網絡的查詢信息中，可能既包括針對數據的信息，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，首先由管理節點發布查詢信息，通過本文提出的LDD和DSMA算法，選擇查詢的Agent節點，確定查詢數據的傳遞路徑，將網絡中收集的數據匯聚到Agent節點，傳回管理節點。

在標識查詢模式下，在發出查詢信息時，需要首先利用RFID節點，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，根據梯度和節點的當前狀態，選擇作為查詢匯聚的Agent節點，將查詢的數據或者目標信息匯聚到Agent節點，由其傳遞到管理節點。

（3）網絡結構更新。不論哪種查詢模式下，如果節點的狀態發生變化，均會返回匯報信息，在下一次傳播查詢興趣時，管理節點會根據網絡的節點情況對梯度值進行更新，以避免由于少部分節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點的權值重新進行計算，以此選擇出結構發生變化后網絡內最優的Agent節點，從而實現對網絡層次結構的優化調整，將目標節點的相關信息傳遞給管理節點或相關用戶終端，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據流的查詢進行研究，并且在對物聯網環境下的數據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。

任何一個特定環境中的數據流查詢都是特殊的系統工程，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據收集問題研究[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。