無線傳感器網絡應用實例及原理（受青蛙鳴叫啟發的低功耗無線傳感器通信網絡）

2023-09-14 00:08:20

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日本筑波大學、大阪大學合作，對雄性日本樹蛙的和鳴行為機制進行數學建模，並將此用於構建無線傳感器網絡。

圖1 雄性日本樹蛙

雄性青蛙在繁殖期需要通過鳴叫吸引雌蛙。當大量雄蛙在同一地點時，不同種類的雄蛙可以自發形成集體和鳴，並在短時間內通過交錯鳴叫避免叫聲重疊，通過在不鳴叫的間隔期休息，減少長時間和鳴的體力消耗。青蛙的這種和鳴方式與物聯網通信類似，大量不同種類的無線傳感器需要交替傳輸數據，避免數據包衝突，同時還需要在較長時間內降低功耗。為此，研究人員提出了一個數學模型，描述青蛙和鳴在多個時間尺度上的交替特徵。模型顯示，青蛙的和鳴在短時間尺度內是相位振蕩器模型的穩定平衡狀態，是確定過程，而長時間尺度下，和鳴的間隔變化很大（青蛙個體為節省體力增加不鳴叫間隔），是隨機過程，因此整個和鳴模型是確定性模型和隨機模型的混合體。將該模型用於無線傳感器網絡，和鳴為傳感器傳輸數據狀態，不鳴叫為傳感器睡眠的低功耗狀態。仿真表明，該模型在100ms範圍內，數據包衝突概率小於0.01%，長時間尺度內通過節點間的相互抑制，降低了整體功耗。

圖2 青蛙和鳴與無線傳感器通信網絡

這項研究提出了一種新的無線傳感器網絡通信形式，可降低整體網絡功耗，有望用於物聯網，對其他無線通信網絡也有借鑑價值。

（藍海星）

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