Page 299 - 《软件学报》2021年第8期

石拓 等:多等级通信半径的无源传感器网络中的覆盖问题 2581

无线传感器网络(wireless senor network)是物联网(IoT)中的重要组成部分,一个无线传感器网络由若干无
线传感器节点和 Sink 节点构成.无线传感器节点通过自身配置的电池获能,并通过传感器来获取周围环境中的
[1]
物理信息,再通过通信模块与其他传感器节点或 Sink 节点进行通信 .这样,一个无线传感器网络可以被部署到
一个区域当中,从而达到收集、分析该区域中的物理信息的目的.由于无线传感器节点的体积很小,这样,无线传
感器网络可以被部署到人类很难到达的环境,比如森林、河流、山丘等.这样,通过无线传感器网络,我们几乎可
以对任意环境进行监控.然而,以下两个缺点阻碍了无线传感器网络的大规模部署.
(1) 无线传感器网络的寿命受限.由于无线传感器节点的能量有限,这导致了无线传感器网络的寿命是受
限的.对于一个部署在复杂环境中的大型无线传感器网络而言,短暂的网络寿命不但影响了网络的性
能,也造成了不必要的经济损失.
(2) 无线传感器节点是环境不友好的.由于无线传感器节点一般采用锂电池作为能量源,当无线传感器节
点能量耗尽后,遗留在环境中的废弃电池会对环境造成极大的污染.
为了解决无线传感器网络的这两个问题,Shi 等人 [2−5] 提出了一种新型的传感器网络结构——无源传感器
网络.在无源传感器网络中,每个网络节点配备有可从周围环境中获取能量的能量获取模块,并通过超级电容来
存储能量.
• 一方面,由于周围环境中的能量是无限的,比如太阳能、风能、射频能量等,这样,从能量上讲,无源传感
器网络的寿命是无限长的,从而解决了无线传感器网络的寿命受限的问题.比如在斜拉桥的拉索状态
检测应用中,传统的方法是在拉索上部署不同类型的无线传感器节点,但是由于无线传感器节点的寿
命有限,需要不断地更换传感器节点中的电池,这就造成了不必要的危险和人工消耗.通过部署无源传
感器网络节点,则可以改善这一问题.
• 另一方面,由于超级电容从理论上讲是可以无限次充放电的,这样,无源节点的能量存储模块的寿命也
是无限长的,从而解决了无线传感器节点环境不友好的缺点.比如在森林火灾监控当中,需要在野外森
林中部署大量的无线传感器节点,但是无线传感器节点所配备的锂电池在能量耗尽后,会对自然环境
造成严重的污染.如果使用无源传感器网络进行监控,则可以实现环境友好型监控.
综上所述,无源传感器网络可以替代无线传感器网络对环境进行理论上无限长时间的监控.图 1 中展示了
两种无源节点,其中,图 1(a)中的无源节点主要从射频能量源中获取能量,图 1(b)中的节点可以从太阳能中获取
能量.

(a) (b)
Fig.1 Two kinds of battery-free nodes
图 1 两种无源节点

覆盖问题是传统无线传感器网络中的一个重要问题.覆盖问题的解决,直接关系到了无线传感器网络的数
据获取质量.文献[6−15]中均对无线传感器网络中的覆盖问题进行了研究.然而,由于无源传感器网络自身的特
点,导致了覆盖问题在无源传感器网络是一个全新的问题.Shi 等人 [2,4,5] 着重讨论了覆盖问题在无源传感器网络
中的特点.相比于无线传感器网络中的覆盖问题,无源传感器网络的覆盖问题具有以下特点.