بخشی از مقاله
چکیده
گستره کاربري شبکههاي حسگر بی سیم بسیار وسیع بوده و از کاربردهاي کشاورزي، پزشکی و صنعتی تا کاربردهاي نظامی را شامل میشود. بهفعنوانفمثال یکی از متداولترین کاربردهاي این تکنولوژي، نظارت بر یک محیط دور از دسترس است. . مثلاً نشتی یک کارخانه شیمیایی در محیط وسیع کارخانه میتواند توسط صدها حسگر که بهطور خودکار یک شبکه بیسیم را تشکیل میدهند، نظارت شده و در هنگام بروز نشت شیمیایی به سرعت به مرکز اطلاع داده شودل اما یکی از محدودیتهاي اساسی این نوع از شبکهها، کمبود انرژي است. پژوهشهاي قبل نشان داده است که با سازماندهی گرههاي شبکه در تعدادي خوشه، میتوان به کارایی بیشتري از انرژي رسید که به افزایش عمر شبکه منتهی می شود. در این تحقیق با کاهش تعداد پیامهاي ارسالی بین شبکه با استفاده از خوشهبندي مکانی زمانی گرههاي حسگر و انتخاب سرخوشه ها بر مبناي نسبت انرژي باقیمانده به فاصله از ایستگاه مرکزي، میزان انرژي مصرفی را به صورت موثري کاهش دادیم. نتایج بدست آمده نشانگر کارایی روش پیشنهادي میباشد.
واژههاي کلیدي: شبکههاي حسگر بیسیم، خوشهبندي، انرژي، تکنولوژي
-1 مقدمه
مجموعهاي از تحقیقات در زمینه محیطزیست نیازمند انجام مطالعات مکرر و متمرکز و صرف زمان زیاد جهت جمعآوري اطلاعات میباشد کهمعمولاً از حوصله و توانایی انسان خارج است در چنین مواردي از دستگاههاي پایش، تحلیلگر و ذخیره کننده نتایج استفاده میشود. از طرفی دیگر، به خاطر وجود برخی شرایط محیطزیست، اکثر کارهاي تحقیقاتی بایستی در سکوت و آرامش صورت گیرد تا وجود انسان و تجهیزات در محیط اثر منفی در عملکرد غریزهاي و واقعی موجودات نداشته باشد تا موجب کاهش کیفیت تحقیق گردد. از اینرومعمولاً تمام سیستمهاي پایش، قابلیت کنترل از راه دور را دارند. درعینحال این سیستمها طوري انتخاب میگردند که وجود آنها در محیط محسوس نباشد.
با در نظر گرفتن تمام موارد فوق، ملاحظه می شود که شبکه هاي حسگر علاوه بر بحث هزینه پایین مصرفی، در زمینه مانیتور کردن محیط زیست از توانایی بالایی برخوردار می باشند. در مواردي همچون بررسی وضعیت آبوهواي جوي محیط و بررسی وضعیت ظاهري آن، بخصوص محیط سرسبز و جنگلی، بررسی رشد و نمو گیاهان و موجودات و موقعیتیابی و پیگردي موجودات زنده در محیط زیست میتوان از قدرت بالاي شبکههاي حسگر استفاده کرد.شبکه هاي سنسور بهعنوان شبکه تعاونی، متشکل از باطري و گرههاي حسگر بیسیم کوچک میباشد که هدف آن ها نظارت بر محیط اطراف و جمعآوري و ارسال داده ها به ایستگاه مرکزي میباشد.هر گره حسگر شامل سه بخش حسگر، پردازنده اطلاعات وانتقال دهنده اطلاعات میباشد و اطلاعات این گرهها بصورت مستقیم و یا به واسطه گرههاي دیگر به ایستگاه مرکزي ارسال ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ.[1]
در این دستگاهها، هزینه ارتباطی به مراتب از سایر هزینهها بیشتر است. براي مثال، مدل Mic2 برکلی، انتقال یک بیت از اطلاعات به اندازه محاسبه 800 فرمان در برد تراشه انرژي مصرف میکند .[2]یکی از محدودیتهاي شبکههاي سنسور بیسیم باطري آن هاست که باعث میشود این نوع از شبکهها محدودیت انرژي بالایی داشته باشند چرا که اتمام باطري حسگرها به معناي از بین رفتن آنها می باشد و با توجه به شرایط محیط کاربرد این شبکهها، تعویض باطريهاي هزاران گره حسگر عملاً امري ناممکن است. بنابراین راهحلی که بتواند ارتباطات را در زمان موردنیاز برقرار کند ضروري میباشد.[3]در این مقاله روشی ارائه شده که این کار را با بهره گیري از تراکم بالاي شبکه گیرنده بیسیم و شباهت مشاهدات در هنگام جمعآوري دادههاي نزدیک به هم انجام میدهد. این کار باعث افزایش طول عمر شبکه گیرنده شده و موجب جمعآوري اطلاعات آنی1 براي مدت زمان طولانی از مناطق نظارت شده میشود.
-2 پیشینه تحقیق
روشهاي مختلفی براي کاهش مصرف انرژي توسط محققان مختلف ارائه شده است. این روشها از الگوریتمهاي مختلفی براي بهبود میزان انرژي مصرفی در شبکه استفاده میکنند و سعی در کاهش بار ارسال داده در شبکه، مخصوصاً نزدیک ایستگاه مرکزي دارند.Xiao در سال 2010 یک الگوریتم درونشبکهاي2 ﺟﺪﯾﺪ براي مشخص کردن تغییرات ایجادشده در اندازهي یک پدیدهي دوبعدي با استفاده از شبکهي سنسورها ارائه داد. در این الگوریتم براي محاسبات سطح از یکپارچگی محلی3 براي سنسورها ي سلسله مراتبی بدون متصل کردن همهي سنسورها ي مرزي به یکدیگر و بدست آوردن یک حلقه ي مرزي استفاده شده است.
نتایج نشان داد که هزینه ي ارتباطی نسبت به روش سنتی مرکزي4 به میزان قابلتوجه ی کمتر میباشد، درحالی که دقت آنها مشابه بوده و مستقل از ویژگیهاي توپولوژي شکل است.[4]King در سال 2010 یک روش براي نمایش پدیده هاي دینامیک بیان کرد. در این روش از این مسئله که پدیدههاي دینامیک معمولاً به یک روند تغییرات قابل پیش بینی در طول زمان تمایل دارند استفاده شده است. بدینصورت که یک مدل کوچک5 بر روي هر سنسور اجرا می شود و رﻓﺘﺎرﻫﺎي قابل پیشبینی سنسور را ضبط می کند و فقط وقتی یک اتفاق غیره منتظره رخ دهد به تبادل اطلاعات با گرههاي دیگر میپردازد. استفاده از شبیهسازهاي مختلف نشان داد که درصد قابل توجهی از پیغام ها در این روش در طول جمعآوري دادهها کاهش مییابد.[5]
Villas و همکارانش در سال 2013 یک روش بر مبناي همبستگی مکانی - زمانی براي جمعآوري دادهها 6 ارائه دادند که از کوتاهترین مسیر براي ﻓﺮﺳﺘﺎدن دادههاي آنی7 جمعآوريشده به طرف چاهک با استفاده از همبستگی مکانی – زمانی استفاده می کند. در این روش گرهها درجایی که یک رخداد یکسان را شناسائی میکنند به صورت پویا به مناطق همبسته تقسیمبندي می شوند. براي هر منطقه همبسته گرهی بهعنوان نماینده براي نظارت بر پدیده انتخاب میشود و رخداد شناسائی شده بوسیله گره نماینده به طرف چاهک ارسال میشود. اندازه پنجره همبستگی و حد آستانه خطا به صورت پویا و با توجه به خصوصیات پدیده تعیین میشود. نتایج نشان می دهد که این روش یک رخداد را با دقت % 99/75 شناسائی میکند درحالی که انرژي باقیمانده در گرهها 14 برابر بهتر از روشهاي قبلی جمعآوري داده میباشد.[1]
-3 الگوریتم پیشنهادي
در این مقاله الگوریتمی براي جمع آوري داده از محدوده مشاهداتی ارائه شده است که بر اساس همبستگی مکانی زمانی کار می کند. با استفاده از این الگوریتم گرههاي حسگر بر اساس موقعیت جغرافیایی به خوشههایی تقسیم می شوند سپس در هر خوشه، سر خوشهها بر اساس فاکتور نسبت میزان انرژي باقیمانده به فاصله از ایستگاه مرکزي، انتخاب میشوند. در مرحله بعدي، خوشههایی که پدیده در آنها توسط گرهها شناسایی شده، به روز رسانی میشوند. در پایان هر مرحله، سرخوشه مرحله بعد انتخاب میشود. سپس در مرحله بعد، سرخوشه قبلی شروع به ارسال پیامی مبنی بر معرفی سرخوشه مرحله جاري میکند.
گرهی که سرخوشه مورد نظر بوده پیام را دریافت میکند و به عنوان سرخوشه گره هاي آن خوشه در این مرحله خواهد بود. گره هاي موجود درخوشه که مقدار متفاوت از مرحله قبلی شناسایی کرده اند شروع به ارسال پیام به سرخوشه مورد نظر میکنند. سرخوشه با جمع آوري اطلاعات از تمام گرههاي موجود در آن خوشه و پردازش اولیه آن، اطلاعات را به ایستگاه مرکزي می فرستد. در نهایت، ایستگاه مرکزي با جمعآوري اطلاعات، پ دیده را با مصرف انرژي کمتر شناسایی میکند - شکل. - 1یکی از ویژگیهاي این روش از خوشه بندي ایجاد توازون در انرژي مصرفی در شبکه و در نتیجه افزایش طول عمر شبکه میباشد.
