无线传感器网络应用实例及原理（受青蛙鸣叫启发的低功耗无线传感器通信网络）

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日本筑波大学、大阪大学合作，对雄性日本树蛙的和鸣行为机制进行数学建模，并将此用于构建无线传感器网络。

图1 雄性日本树蛙

雄性青蛙在繁殖期需要通过鸣叫吸引雌蛙。当大量雄蛙在同一地点时，不同种类的雄蛙可以自发形成集体和鸣，并在短时间内通过交错鸣叫避免叫声重叠，通过在不鸣叫的间隔期休息，减少长时间和鸣的体力消耗。青蛙的这种和鸣方式与物联网通信类似，大量不同种类的无线传感器需要交替传输数据，避免数据包冲突，同时还需要在较长时间内降低功耗。为此，研究人员提出了一个数学模型，描述青蛙和鸣在多个时间尺度上的交替特征。模型显示，青蛙的和鸣在短时间尺度内是相位振荡器模型的稳定平衡状态，是确定过程，而长时间尺度下，和鸣的间隔变化很大（青蛙个体为节省体力增加不鸣叫间隔），是随机过程，因此整个和鸣模型是确定性模型和随机模型的混合体。将该模型用于无线传感器网络，和鸣为传感器传输数据状态，不鸣叫为传感器睡眠的低功耗状态。仿真表明，该模型在100ms范围内，数据包冲突概率小于0.01%，长时间尺度内通过节点间的相互抑制，降低了整体功耗。

图2 青蛙和鸣与无线传感器通信网络

这项研究提出了一种新的无线传感器网络通信形式，可降低整体网络功耗，有望用于物联网，对其他无线通信网络也有借鉴价值。

（蓝海星）

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