无线传感器网络覆盖控制的仿真试验

摘要：覆盖控制问题是无线传感器网络研究的基本问题之一。该文根据无线传感器网络中的覆盖控制原理，设计并实现了一个仿真平台，然后选取覆盖控制算法中的一个典型算法作为研究对象，在该平台上实现了该算法，研究其在定位存在误差情况下的性能变化情况。

关键词：无线传感器网络;节点定位误差;覆盖算法;性能评价

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）07-0036-02

1 概述（Introduction）

无线传感器网络测量系统综合了现代传感器技术，微电子技术，通讯技术，嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科，其应用环境通常是由价格便宜的传感器节点组成的，每个节点都能够采集、存储和处理环境信息，并且能和邻居节点通过无线链路保持通信[1]。覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感器网络在某区域被监测和跟踪的状况[2]。

2 仿真算法（Simulation algorithm）

根据无线传感器网络覆盖控制的算法[3]，给出4种可变因素：感知区域的长和宽、节点数、节点的感知半径、误差率，仿真程序算法流程可以用下面的顺序图1来表示：

3 仿真程序模块设计（Simulation program module design）

这是Visual C++中显示的程序工作空间，是一个基于对话框的应用程序，在Sensor这个工程中有Coverage，space两个结构体，CSensor这个节点类，节点的许多参数都在这个类中设置[4]，图2是更为详细的结构体和类的内部成员：

下表是CSensorDlg中主要的成员函数，简单地介绍一下：

把每个节点与邻居节点相交的弧度范围都计算出来，用结构体Coverage来保存，接下来最重要的一件事是：把这些弧度范围排序合并，具体的实现过程是在程序中的Merge（space *dest， space *source），其思想就是把这些小的弧度范围合并，求出大的合集。当然在函数的实现过程中需要对多种情况进行处理，需要考虑周全才能写出正确的程序。

4 仿真程序界面设计（Simulation program interface design）

图3是用MFC生成的对话框窗口的设置部分，其中的单元小方格像素是用来计算覆盖面积划分的单元长度，通常情况下为1个像素[5]。

仿真程序可以设置和显示这些数据，查看睡眠情况按钮是在节点定位精确时的睡眠显示，按钮右边可睡眠节点数则显示当前节点分布图中能够睡眠的节点数，在覆盖率的变化情况中会显示精确时的睡眠覆盖面积，在存在误差处可以设置坐标误差，通常是小于1的，比如误差10%，再点击设置按钮就能计算误差后的可睡眠节点数，存在误差时的睡眠覆盖面积和此次的覆盖率，图3是个有设置的示例：

5 仿真试验（Simulation Test）

应用仿真程序进行数据分析，得出相应的曲线图，给出了4种可变因素：误差率，感知区域的长和宽，节点数，节点的感知半径，然后对各种情况分别讨论。图4的曲线图是在300*300的区域中，分布100个节点，节点的感知半径为50的情况下，让节点在定位不精确时缩小寻找邻居节点的范围，蓝色的曲线是有误差减小处理之后的，明显比存在误差没有处理的曲线覆盖率要高，而且随着误差率的增大，两支曲线上下相差的距离越大。这样覆盖率的提高是有代价的，能够睡眠的节点是越来越少了，就会产生不必要的能源使用。

6 结论和意义（Conclusion and significance）

该文用了仿真的思想，通过Visual C++开发工具，对无线传感器节点的分布，生成和覆盖等问题进行了模拟，节点的分布是随机的，用了随机生成伪随机数的方法，判断节点的睡眠顺序是多次睡眠求的平均值。

四个可变因素：误差率，感知区域的长和宽，节点数，节点的感知半径，这些参数的赋值不是按照实际中大小赋值的，而是按照显示比例，覆盖的充分程度赋值的，具有研究参考意义。

本仿真程序只是从研究的角度来分析说明了曲线图的走势和原因，在实际应用中仍需要仔细分析。总的来说，是通过软件来简单地模拟无线传感器网络，仍然存在着其他各种问题和潜在问题，在今后的研究过程中需要加大研究的深度和范围。

参考文献：

[1] 刘伟荣.物联网与无线传感器网络[M].2版.北京：电子工业出版社，2021.

[2] 孙利民.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3] Chi-Fu Huang， Yu-Chee Tseng.The coverage problem in a wireless sensor network[J].Mobile Networks and Applications，2005，10（4）：519-528.

[4] 張铮，孙宝山，周天立.Windows程序设计[M].3版.北京：人民邮电出版社，2015.

[5] 仇谷烽.基于Visual C++的MFC编程/高等学校教材[M].北京：清华大学出版社，2015.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-09-26

作者简介：王樱锦（1986—），女，本科，工程师，研究领域为软件开发。