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摘要：物联网结合各种主干传输很适合远程实时监测,但随着监测范围的不断扩大与应用的不断普及,监测系统中断所造成的代价和影响与日俱增.系统的拓扑可靠性是保障远程监测系统可靠的一个重要方面,以三江源大面积物联网远程生态监测中需要设立监测区域的实际需求为背景,提出了一种基于均匀分簇的可扩展的模块化传感器节点部署方法,对设置传感器的拓扑结构层数、监测面积和监测节点数等参数的相互关系给出了量化的计算公式,针对不稳定的信息传输环境给出了保障监测区域和远程主干拓扑可靠性的有效机制及量化分析方法,在此基础上,重点给出了关键传输节点(簇头节点和协调器)拓扑可靠性的动态优化策略.理论分析和仿真结果表明:该机制具有数据融合均匀、有效节能和灵活可扩展等特点,对提高物联网远程监测的可靠性有显著效果;同时,所得出的相关理论对诸如农业、牧业和林业等相关行业的偏远大面积物联网远程实时监测的拓扑可靠性保障具有重要的理论和实际应用参考价值.
关键词：物联网；监测拓扑；可靠性设计；优化分析
1导言
物联网是将计算能力、通信功能以及控制能力进行完整结合，并通过网络的连同将这三种功能融合到成为较大的网络化物理设备系统。物联网在互联网的基础上不断发展和成熟，物联网监测系统可以通过与网络进行传输，加上监控平台和实时动态录像来加强自身系统的安全性。由于本系统具有较强的综合防范能力，且具备较好的远程实时监测功能，从而得到各个行业和领域广泛应用和推广，如银行监控管理、城市交通管理等。目前规模较大的三江源生态监测系统融合了移动通信技术、传感器网络技术、嵌入式技术等高级技术，使得其检测系统可以实时监测到有效和有利的信息。当今物联网检测目标的可视化成为各个研究着焦点之一，但就目前的研究环境来说，拓扑可靠性在系统的计算能力、存储能力以及能量资源的限制下成为实现可视化目标的的最大障碍。某些偏远地区或者通信环境相对较弱的地区，其信号的传输能力也比较弱，在很大程度上也会影响物联网监测系统的安全性和稳定性。由于网络拓扑控制对物联网监测系统的稳定性指着至关重要的作用，为保证物联网检测系统的稳定，首先需要做的是保证拓扑的可靠性。
2物联网感知层典型的拓扑结构
物联网检测系统以及无线传感器能够正常运行和操作，前提就是系统的可靠性和安全性得到保障。网络拓扑结构的好坏作会直接影响物联网感知层无线传感器网络的安全性和可靠性。一般来说，较好的网络拓扑结构是整个网络系统稳定运行的关键，并直接决定物联网感知层无线传感器网络是否安全可靠。无线传感器网络具有一定的灵活性，拓扑结构也不是固定不变的。为了确保物联网监测体统的可靠性，必要时可在拓扑结构上稍加变动，但整体上不可对系统有负面影响，否则更改毫无意义，还有可能会是整个系统遭到破坏。拓扑结构根据节点数的不同可分为7个节点和20和节点，不同的节点数可分为带状网络和网状网络。通过模拟仿真实验可知7个节点的拓扑结构可靠性较高。
3物联网检测拓扑可靠性设计
利用传感器进行监测之前，首先要做的就是在事先把安装区域和安装地点布置好，再把传感器节点布置到规划好的地点上。作为无线传感器监测的基础，节点的部署形式通常可以分为三种，即随即抛洒、确定性部署和网格部署。由于随即抛洒可以不考虑布置地点，不保证较高的服务质量，所以这种布置形式通常可以应用于环境较为恶劣，无法进行人为安装和配置的特殊地区，如灾难恢复和森林火灾等地区的探测任务。但是这种部署的缺点是费用较高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆确定性部署的部署形式不同于随即抛洒，是因为确定性部署安装传感器节点的位置是事先规划好的，由于部署的方式不同和，应用的场合和规模也不尽相同。网格部署在严格意义上讲是确定性部署的一种，但是网格部署具有结构简单，扩散方便，可以保证网络实时连通和较强的覆盖性等特性，其中某些特点是确定性部署没有的。这种部署方式是通过相交的线段将监测区域划分为不同的网格，传感器节点部署在相交的点上。在无线传感器网络中，由于簇结构可以对所需要的数据进行有效的聚合，减少能量的消耗，以达到延长网络的使用寿命的优越性能，从而得以广泛的应用。簇结构作为拓扑结构形式中的一种，其节点类型可分为两种，即普通叶节点和簇头节点。和簇头节点相比普通叶节点仅仅能感知信息，而簇头节点不仅能感知信息，还可以收集并整理信息，同时还能将其他节点的消息转发给sink节点。通过了解无线传感器和拓扑结构之后，就可以从结构和理论等方面分析物联网监测拓扑的可靠性。
3.1相关参数计算与分析
在传感器网络中，为了改善网络使用效能、延长其寿命、提高可扩展性，需要做的就是将节点间的逻辑结构进行合理的设计。由于偏远地区以及通信环境恶劣对于数据信息传输的复杂性和安全性的需求相应的提高。为了保证数据传输的安全性和均衡性，同时保证拓扑结构的可靠性，可采用均匀分簇星型混合分层结构的方法。
3.2可靠性量化分析
当普通叶节点的数量大时，可通过采用模冗余系统中的部分冗余系统对其进行优化，这种方法还有降低能耗的特点。节点间的实际距离需要根据理论距离来取值，通常情况下取理论距离的（1－α），并对其进行冗余处理，其中α的范围在0~1之间，依据相关定理可得拓扑结构的可靠性计算公式，根据公式即可得到实际监测区域的可靠性。
3.3可靠性优化分析
簇头节点的可靠性与物联网监测系统的可靠性是密不可分的，提高簇头节点的可靠性是保证物联网监测系统可靠性的关键。为了能在最大程度上提高其安全性和可靠性，并使其稳定运行，可将动态倍增优化冗余策略应用于传感器和协调器中。对簇头节点进行优化分析对提高物联网监测系统的可靠性是较为关键的一步。
3.4模拟与仿真分析
簇头节点不但承担着感知信息的作用，同时还具有转发信息的功能，为保证传感器网络系统的安全性和可靠性，在传感器网络安全性设计与优化过程中要选取较为合理的设计方案。为了能将簇头节点靠近协调器，可采用的方法就是对其进行均匀部署采。但是这样并没有结束，还需要考虑到协调器节点如果负担节点过多会导致其使用寿命降低而引起网络空洞现象的发生，针对这一问题，可采用冗余策略避免这一现象的发生。经过模拟与仿真实验发现，当剩余两个簇头节点时，物联网监测拓扑结构的可靠性由于失效的簇头节点基本对其安全无影响：当剩余一个簇头节点时物联网监测拓扑结构的可靠性会呈现整体下滑趋势，但是下降幅度并不大；只有当所有簇头节点均失效时，物联网检测拓扑结构的可靠性才会下降为零。为了保证偏远地区或者通信信号较差的地区的物联网监测系统的可靠性，可采用簇头节点冗余处理能够有效避免上述情况的发生，使其充分发挥应用价值。
4结语
物联网监测系统将会有更广阔的前景，对物联网监测系统投入更多的关注和研究，挖掘物联网监测系统的潜在功能，使其在各个行业和领域发挥作用和功能。当前物联网监测系统具有其他类型监测系统不具备的优势，如安全性、便捷性、实时性。文章考虑到地方偏远，通信环境恶劣的地区的物联网检测拓扑结构的可靠性。通过物联网拓扑结构、对簇头节点和普通叶节点进行研究和分析，进而对物联网监测拓扑可靠性提出分析。
参考文献:
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支持基金：获得广东省科技计划项目（项目编号: 2013B040300001）资助。
论文作者:陈文龙1,孙,健2,许珠文2,刘妙玲2
论文发表刊物:《防护工程》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/9
标签：节点论文; 拓扑论文; 可靠性论文; 结构论文; 传感器论文; 监测系统论文; 网络论文; 《防护工程》2017年第30期论文;