摘要：基于6G建立空-天-地-海一体化网络的愿景，以及无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）所具有的移动性高、部署快速灵活、大概率建立视距（Line of Sight，Lo S）通信链路的优点，UAV辅助的无线通信先后在消费电子、垂直行业、应急通信保障等领域获得了大量应用。可以预见，垂直行业应用将进一步促进UAV通信的发展，特别是UAV在物联网、工业互联网等无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）中的广泛应用。

关键词：无人机；无线传感器网络；数据采集；轨迹优化；资源分配

引言

近几年，无人机作为现代化高科技的产物，因其自身的高度灵活性和执行力深受群众的喜爱，成为下一代蜂窝用户群体需求的一种潜在性精密技术。为了更好地适应不断变化和革新的无线环境，更好地处理好基于无人机传感器网络能量有限问题及突破能量限制对于无线传感器网络性能约束的瓶颈问题，通过综合考虑无人机吞吐量及能耗等因素，提出基于转态转移的无人机工作模式择优方案，并对其进行论述。

一、基于无人机的无线传感器网络数据采集研究现状分析

（一）通信资源的管理

无人机在使用过程中会有专用的接收宽带，且在传感器的数据信息采集上有明确的时间规定，因此系统的宽带资源与时隙资源是有限额的，并且传感器节点的信息储存也是有标准额定容量的。当采集区域比较大且设置有数以千计的传感器时，节点的数据采集也会出现通信资源竞争的问题，这就要求科研人员需要加强对UAV-WSN通信资源管理的不断优化研究。

一个高效的介质访问控制协议可以对系统中的资源进行有效管理，从而减少SN之间的冲突，进而起到节能降耗的效果，提高无线传感器网络的灵活性及使用寿命，拓宽无线传感网络的应用范围。结合无人机的无线传感器网络的综合特性，对侦测范围内的传感器按照信号强度进行优先级分组，并引入新的算法实现优先级越高的传感器数据优先被收集，采用这种方法进行无人机的无线传感器网络数据的收集，不仅可以进一步减少子组的碰撞次数，而且可有效减少和规避通信链路中数据包的丢失情况。

（二）目前所面临的挑战

通过对基于无人机的无线传感器网络的数据采集研究方向进行讨论，其主要涉及两点内容，分别是无人机的移动方案与通信资源的管理。

现有的资源管理方案对系统中的时隙、宽带和功率等资源进行了详细划分。通过循环系统的优先级对传感器的顺序进行管理，没有依照传感器的信道及数据量等信息进行分配，并不能保证数据传输的完整性。无人机进行采集作业时是围绕目标区域进行循环飞行，此时的传感器数据传输顺序将会被忽略，无人机的采集系统与传感器不断进行连接与断开，这样的方案并不能有效保障离开覆盖范围后传感器数据传输能够正常完成。因此，无人机无线传感器网络的数据采集工作仍需要规划一个较为严谨、有效的通信息源管理方案，以此来构建无人机与传感器之间的数据传输的桥梁通道。

如果只进行单一的资源管理，匀速飞行就会造成飞行系统的资源浪费。已有的联合管理系统资源与无人机移动方法虽然可以有效地起到节能降耗的效果，但是提出的方案对传感器的数量及数据的传输量有限制，当传感器的数量比较多且分布较密集时，数据的采集情况也不理想。

二、无线传感器网络数据采集中面临难题的分析

（一）能耗的均衡

考虑到无线传感器网络自身能耗控制的重要性，管理人员虽然加强了对其的进一步管理，但在实际的同构网络中，如果节点的能耗不够均衡，同样会出现传感器覆盖范围少，甚至断网的情况，进而影响到传感器网络的使用寿命。尤其是分布式簇结构的网络中，簇首对于其他节点的能量消耗要偏多一些，如果采用以往固定的簇首形式，很容易导致其中一部分节点的加速死亡，为此，在进行WSN的设计中，要将负载均衡的问题充分考虑在内。

（二）能耗的节省

在无线传感器网络数据信息的采集中，虽然集成电路和微机电的发展可以有效减少能源耗费，但无线传感器中节点中的电池能力始终是有限的，网络在进行内网数据的处理以及数据传输过程中会产生一定的能源消耗。但由于网络中的能量不属于再生资源，因此，将每次采集到的数据信息通过传输设备传输到采集点的最终能耗多少直接影响到整个无线传感器网络系统的使用寿命。因此，加强在数据采集过程中对能源消耗量的把控，成为无线传感器网络设计中主要考虑的因素。

（三）交互式数据采集问题

基于某种情况下，数据采集可能只针对某一特定区域范围内一些固定类型的传感器采集的数据信息感兴趣，并不是对所有节点采集到的数据信息进行关注。为此，在DGP中，没有必要将传感器中的所有节点同时激活，这样就出现了各种形式的睡醒机制，实现对WSN能耗的节省。一般情况下，这样的睡醒机制主要有路由层和MAC层进行设计控制。

三、资源管理与速度规划相结合下的无线传感器能耗优化策略

通过对基于污染及无线传感器网络的研究可知，无人机是一种可以在移动过程中沿着特定飞行轨道进行传感器数据信息记录采集的新型数据采集器。

无人机配有充足的电量和存储容量，以便传感器在进行数据采集中对数据信息进行更好的采集与存储。在路径两侧，均匀分布着N个传感器，传感器为了降低能耗，大多处于休眠状态。

结语

总之，为了更好地适应未来不断变化的经济及科技发展环境，为了能让无人机尽可能地处理好无线传感器能量受限以及如何突破其能量限制的瓶颈问题，本文进一步进行基于无人机覆盖范围内无线传感器的网络数据进行采集研究，通过对无人机系统工作参数的设计，无人机吞吐量以及能耗，无人机经济效率的优化等进行合理规划，通过对基于无人机的无线传感器网络数据采集的研究现状进行分析，给出强化资源管理与速度规划相结合下的WSN能耗优化策略，旨在为不同类型、功能的传感器的应用及数据信息的采集提供更多的研究方向和资料。

参考文献：

[1]孙颖，陈思光.基于无人机工作模式选择的无线传感器网络数据传输[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2021，41（06）：75-83.

[2]蒋宝庆.无线传感器网络中基于强化学习的非连续无人机数据采集轨迹规划[D].桂林：桂林电子科技大学，2021.

（作者单位：江南机电设计研究所）