فصلنامه تخصصی فناوری اطلاعات و ارتباطات

افزایش اتکا پذیری در شبکه ‌های حسگر بی‌سیم با استفاده از یادگیری ماشین کوچک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی کامپیوتر ،واحد همدان ، دانشگاه آزاد اسلامی، همدان، ایران

2 گروه مهندسی کامپیوتر ،واحد همدان ، دانشگاه آزاد اسلامی ، همدان ، ایران

10.22034/apj.2026.2071722.1055
چکیده
شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) به دلیل قابلیت استقرار سریع، هزینه پایین و کاربردهای گسترده در حوزه‌هایی همچون اینترنت اشیا، پایش محیطی، کشاورزی هوشمند و سامانه‌های حیاتی، به یکی از فناوری‌های کلیدی در دهه‌های اخیر تبدیل شده‌اند. با این حال، محدودیت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری گره‌های حسگر، از جمله توان پردازشی و انرژی پایین، این شبکه‌ها را در برابر خرابی‌ها و اختلالات آسیب‌پذیر ساخته و موضوع اتکاپذیری را به چالشی اساسی بدل کرده است.

در این پژوهش، چارچوبی نوین مبتنی بر یادگیری ماشین کوچک (TinyML) برای افزایش اتکاپذیری و بهینه‌سازی مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم ارائه گردیده است. معماری پیشنهادی شامل چهار ماژول کلیدی تشخیص ناهنجاری، پیش‌بینی خرابی، فشرده‌سازی هوشمند داده و مسیریابی تطبیقی می‌باشد که با استقرار محلی در سطح گره‌ها، امکان پردازش سریع، کاهش بار ارتباطی و مدیریت هوشمند منابع را فراهم می‌سازد. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد که روش پیشنهادی علاوه بر افزایش طول عمر شبکه و کاهش چشمگیر مصرف انرژی، موجب بهبود کیفیت داده، پایداری ارتباطات و واکنش سریع به رخدادهای غیرعادی می‌گردد.

یافته‌های این تحقیق نشان می‌دهد که بهره‌گیری از یادگیری ماشین کوچک می‌تواند افق‌های جدیدی را در طراحی شبکه‌های حسگر بی‌سیم هوشمند بگشاید و بستر مناسبی برای توسعه کاربردهای آینده در مقیاس‌های کلان و محیط‌های پویا فراهم آورد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Enhancing the Reliability of Wireless Sensor Networks Using Lightweight Machine Learning

نویسندگان English

mehdi najafi jalalieh 1
mohammad mahdi shirmohammadi 2
1 Department of Computer Engineering, Hamedan Branch, Islamic Azad University, Hamedan, Iran
2 Department of Computer Engineering, Hamedan Branch, Islamic Azad University, Hamedan, Iran
چکیده English

Wireless Sensor Networks (WSNs) have emerged as one of the key technologies in recent decades due to their rapid deployability, low cost, and wide range of applications in fields such as the Internet of Things (IoT), environmental monitoring, smart agriculture, and critical systems. However, the hardware and software limitations of sensor nodes — including low processing power and limited energy resources — make these networks vulnerable to failures and disruptions, turning reliability into a fundamental challenge.



In this study, a novel framework based on Tiny Machine Learning (TinyML) is proposed to enhance reliability and optimize energy consumption in WSNs. The proposed architecture consists of four key modules — anomaly detection, failure prediction, intelligent data compression, and adaptive routing — which are deployed locally at the node level to enable fast processing, reduce communication overhead, and enable intelligent resource management.



Simulation results demonstrated that the proposed method not only increases the network lifetime and significantly reduces energy consumption but also improves data quality, communication stability, and responsiveness to abnormal events.



The findings of this research indicate that leveraging TinyML can open new horizons in the design of intelligent WSNs and provide a solid foundation for developing future large-scale applications in dynamic environments.

کلیدواژه‌ها English

Wireless sensor network
Tiny ML
1.
SONAM LATA SSU. Secure and Reliable WSN for Internet of Things:Challenges and Enabling Technologies. IEEE. 2021.
2.
ABADADE Y, TEMOUDEN A, BAMOUMEN H, BENAMAR N, CHTOUKI Y, SENHAJI HAFID A. A Comprehensive Survey on TinyML. ieee. 2023.
3.
KEYAN CAO YL,MQS. An Overview on Edge Computing Research. IEEE. 2020.
4.
Montaser N.A. Ramadan MAHASYKMA. Federated learning and TinyML on IoT edge devices: Challenges, advances, and future directions. ScienceDirect. 2025.
5.
Kalpana Sharma MKG. Wireless Sensor Networks: An Overview on its Security and threats. IJCA Special Issue on “Mobile Ad-hoc Networks”. 2010.
6.
Elham Alotaibi RBSMA. Assessment of cybersecurity threats and defense mechanisms in wireless. Journal of Cyber Security and Risk Auditing. 2025.
7.
MF, AG, EM, FP, RP, SR. Federated learning for IoT devices: Enhancing TinyML with on-board. ELSEVIER. 2024.
8.
F. García-Hernández C, H. Ibargüengoytia-González P, García-Hernández J, A. Pérez-Díaz. Wireless Sensor Networks and Applications: a Survey. IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security. 2007.
9.
Salam Hamdan MA,A. Edge-Computing Architectures for Internet of Things. MDPI. 2020.
10.
WEI YU FXHWGH. A Survey on the Edge Computing for the internet of things. IEEE. 2018.
11.
YONGLI ZHAO WWYLCCMMJZ. Edge Computing and Networking: A Survey on infrastructures and applications. IEEE. 2019.
12.
ZHIZHOU X,ZLJZ. Edge Intelligence: Paving the lasr mile of artificial intelligence with edge computing. IEEE. 2019.
13.
yuan ai mpkz. Edge computing technologies for internet of Things: a primer. ELSEVIER. 2018.
14.
Moslehi MM. Exploring coverageandsecuritychallenges in wireless sensor networks: A survey. ELSEVIER. 2025.
15.
Jusuf Elfarahati TPEKAFEŠAA. Review of Wireless Sensor Network security. Defense and Security Studies. 2025.
16.
Ghadeer Al Sukkar SAS. Enhancing Security in Wireless Sensor Networks: A Machine Learing-based Dos Attack Detection. Engineering, Technology & Applied Science Research. 2025.
17.
HUYNH A. D. NGUYEN QPH. Wireless Sensor Network Dependable Monitoring for Urban Air Quality. IEEE. 2022.
18.
ArashHeidari ZMN. Assessmentofreliability andavailability of wireless sensornetworksinindustrialapplications byconsidering permanentfaults. WILEY. 2024.
19.
Athanasios Trigkas DP,P. Edge Intelligence in Urban Landscapes: Reviewing TinyML Applications for Connected and Sustainable Smart Cities. MDPI. 2025.
20.
Spyridon Giazitzisa AAINBAMPDMRSBFREO. TinyML models for SoH estimation of lithium-ion batteries based on Electrochemical Impedance Spectroscopy. ScienceDirect. 2025.
21.
Iyad Katib EASASMR. Safeguarding IoT consumer devices: Deep learning with TinyML driven real-time anomaly detection for predictive maintenance. ScienceDirect. 2025.
22.
Dennis Agyemanh Nana Gookyi EAEAjOA. TinyML for smart agriculture: Comparative analysis of TinyML platforms and practical deployment for maize leaf disease identification. ScienceDirect. 2024.
23.
Sergio Trillesa bSSHDI. AnomalydetectionbasedonArtificialIntelligence of Things: A Systematic Literature Mapping. ScienceDirect. 2024.
24.
Franklin Oliveiraa DGCFAIS. Internet of Intelligent Things: A convergence of embeddedsystems,edgecomputingandmachinelearning. ScienceDirect. 2024.
25.
Nikolaos Schizas AKCKSS. TinyML for Ultra-Low Power AI and Large Scale IoT Deployments: A Systematic Review. MDPI. 2022.