无线传感器网络移动代理技术设计与实现

杨 旭

（安徽电子信息职业技术学院 信息与智能工程系，安徽 蚌埠 233000）

无线传感器网络移动代理技术设计与实现

杨 旭

（安徽电子信息职业技术学院 信息与智能工程系，安徽 蚌埠 233000）

无线传感器网络技术已经扩展到了生活的方方面面，文章在对无线传感器网络的数据查询机制进行深入研究的基础上，发现现有的查询算法存在两个不足之处：查询网络负载不平衡，以及查询的代理节点无法动态调整。针对这两个问题，以定向扩散算法为基础，文章提出了移动代理技术，完成定向选择式移动代理技术的设计与实现。

无线传感器网络；查询算法；定向扩散；负载；代理

无线传感器网络（W ireless Sensor Network, WSN）最早在军事领域上使用，现在在民用领域也已经有了广泛的使用。

无线传感器网络是以数据为中心的网络，与传统的以地址为中心的计算机网络不同，它以传感器作为提供感知数据流的数据源，以整个无线传感器网络作为一个感知数据的空间也可以看作是一个感知数据库，因此WSN管理系统的应用目标就是数据管理和查询处理[1]。

代理技术的引入，可以有效地提高网络移动查询的效率，为移动终端提供更好的服务[2]。代理可认为是一个由查询系统授权的可以变更的管理助手节点。

无论是查询节点负载的调整，还是移动查询代理的选择，其中心思想都是要通过对查询过程中所应用的节点的选取，平衡整个无线传感器网络中的节点能量消耗。因此，可以同样的利用定向选择代理算法，针对各自的特点进行优化，从而在不影响网络查询效率的情况下，对节点的能耗进行合理的分配。

考虑网络负载平衡和降低节点能耗是WSN查询的特点，针对这一特点，分析现有的查询算法在WSN查询中表现出来的不足，以定向扩散算法作为基础，对无线传感器网络中数据流查询算法进行改进，并提出定向选择代理算法。

1 定向选择代理（Agent）算法

原有的定向扩散算法是一种基于路由的查询算法，主要涉及兴趣和梯度两个概念，一个定向扩散的过程由兴趣扩散，查询初始梯度建立。

对定向扩散算法进行优化，通过在查询兴趣扩散中加入了梯度的判断，可以自动生成一条或者几条从数据节点到汇聚节点的数据传递路径，从而确定了查询节点传递数据的方向，保证数据流查询的完成。拟启用定向选择代理算法，提高查询效率。

2 无线传感器网络移动代理技术

2.1 移动代理技术

移动Agent除了具有Agent的最基本特性外还具有移动性，是一种新型的分布式计算模式。移动Agent技术主要有以下几个特点[3]。

（1）精简通信量；（2）异步自主运行；（3）智能特征；（4）并行处理；（5）协议封装；（6）动态适应。

2.2 无线传感器网络中的移动Agent

无线传感器网络一般使用集中式、分布式和层次式3种管理框架。在集中式网络系统中，传感器获取的数据汇聚到核心节点进行处理。分布式网络则拥有多个子核心节点，每个子核心节点管理一个子网，子核心节点之间采用点对点方式进行通信。层次化框架则结合了上述两种框架的优点，是目前应用最广泛的网络框架。

无线传感器网络，事实上Agent节点并不是固定的某个节点，而是可以根据查询任务的需要，在不同节点之间迁移。迁移时采用能量优先和效率优先策略。如果Agent可以采用定向移动，那么就是对Agent节点迁移路由策略的改进。

3 定向选择式移动代理设计与实现

3.1 算法思想

在本文研究的网络模式下，Agent节点与Sensor节点在没有发生查询的情况下并没有区别，

先选取相应节点，网络稳定状态下所有节点均无变化。但是一旦网络处在不稳定状态；就会触发Agent节点，进而更改当前网络状态，这样能够提高网络的使用效率，同时Agent节点可以有多个。

3.2 网络结构设计

在查询的过程中，被选择出的Agent节点作为汇聚层节点应用，承担读取、汇聚下层RFID节点和传感器节点的信息并且对读取的信息进行分析的功能，而未被选择的节点作为普通传感节点工作，为其他的Agent节点传递自身的查询数据。

3.3 查询模式设计

（1）普通数据查询。设计的系统可以完成普通的无线传感器网络的工作，所有传感器节点都将采集到的有用数据传递给发出查询请求的上层节点。如图1所示，用户User1申请查询来自网络中的数据，通过查询请求的传递，选取出合适的代理节点（Agent1, Agent2），通过代理节点收集网络中节点采集的数据，并返回给查询用户。

（2）标识查询。当网络中需要对节点或者某带有标识标记的物体进行识别性查询时，网络同样可以完成查询任务，在这种查询模式下，带有射频识别功能的节点，除了收集周边节点感知的数据之外，也开始进行读取其标识信息，并与由Agent节点传来的查询条件信息进行比对，如果相匹配，则将其信息传递给管理层。如图2所示，用户User2想查询标识编码为XX的节点的信息，首先发布查询请求，当查询请求传递给与目标节点XX相邻的RFID节点，R1和R2时，两节点通过信息匹配，开始获取目标节点的信息，并通过代理选择机制确定的Agent节点（Agent3），将查询结果返回用户终端。

图1 普通查询模式

图2 标识模式

3.4 系统算法实现

在这种混合查询模式下，可以综合应用本文前面提出的两种算法，将整个查询建立在一种基于梯度的工作框架中。整个系统的算法实现一共包括3个部分。

（1）初始化系统。在网络的节点布置完成后，由管理层发出系统初始化信息，在整个网络中广播，根据定向扩散算法，建立起初始的梯度关系。选择出初始的代理节点，承担汇聚下层节点信息并上传的工作。

（2）数据查询。数据查询包括普通查询和标识数据查询,当管理节点或查询用户发出查询请求时，通过广播将自己的查询信息传播给无线传感器网络中的各个节点。在无线传感器网络的查询信息中，可能既包括针对数据的信息，也包括针对标识的信息。因此，查询的模式也分为普通查询和标识查询两种。

在查询的过程中，首先由管理节点发布查询信息，通过本文提出的LDD和DSMA算法，选择查询的Agent节点，确定查询数据的传递路径，将网络中收集的数据汇聚到Agent节点，传回管理节点。

在标识查询模式下，在发出查询信息时，需要首先利用RFID节点，确定查询信息中的标识所指向的目标。确定了所查询的目标，再综合利用本文提出的LDD和DSM A算法，根据梯度和节点的当前状态，选择作为查询汇聚的Agent节点，将查询的数据或者目标信息汇聚到Agent节点，由其传递到管理节点。

（3）网络结构更新。不论哪种查询模式下，如果节点的状态发生变化，均会返回汇报信息，在下一次传播查询兴趣时，管理节点会根据网络的节点情况对梯度值进行更新，以避免由于少部分节点失效而导致无效路由。此时，同时通过本文提出的定向选择代理算法，在初始化梯度的基础上，结合网络的负载情况对节点的权值重新进行计算，以此选择出结构发生变化后网络内最优的Agent节点，从而实现对网络层次结构的优化调整，将目标节点的相关信息传递给管理节点或相关用户终端，这个过程和初始化的过程相同。

4 结语

本文对无线传感器网络中数据流的查询进行研究，并且在对物联网环境下的数据流应用进行了初步的探讨，虽然取得了一定的成果，但是仍有许多不足之处。

任何一个特定环境中的数据流查询都是特殊的系统工程，其中涉及的问题方方面面，不是个人或者团体进行短时间的肤浅研究就可以解决的，希望本文能对将来此方面的研究者提供一些有用的借鉴和帮助，让更多的研究者投入到这个行列中来。

[1]徐宏力. 无线传感网络有效的数据收集问题研究[D].合肥：中国科学技术大学，2007.

[2]柯炜.无线传感器网络关键技术及其研究难点[J].电信科学，2005（6）：9-12.

[3]伊莉娜.基于Agent的移动查询技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，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

杨旭（1983— ），女，安徽淮北，本科，讲师，教师；研究方向：网络工程。