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      無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于虛擬節(jié)點(diǎn)的有毒氣體監(jiān)測方法與流程

      文檔序號:11237076閱讀:1264來源:國知局
      無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于虛擬節(jié)點(diǎn)的有毒氣體監(jiān)測方法與流程

      本發(fā)明屬于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域,確切來說是涉及一種利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對有毒氣體的監(jiān)測方法,通過監(jiān)控處于無規(guī)則動態(tài)變化中的氣體邊界來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)氣體目標(biāo)的監(jiān)測。

      技術(shù)背景

      近年來,隨著傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks,wsns)在工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,對連續(xù)目標(biāo)的監(jiān)測是當(dāng)中最常見的應(yīng)用領(lǐng)域之一。連續(xù)目標(biāo)通常分布在較廣的區(qū)域,其形狀會發(fā)生動態(tài)的無規(guī)則變化,例如,可能會擴(kuò)散或收縮,體積增大或減小,如有毒氣體、海面漂浮油體等。不同于質(zhì)點(diǎn)狀的單體目標(biāo)所具有的固定大小,規(guī)模較小的特點(diǎn),對于連續(xù)目標(biāo)的監(jiān)測相比于單體目標(biāo)而言較為復(fù)雜,它涉及到不同節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作,由此會產(chǎn)生大規(guī)模的網(wǎng)內(nèi)通信,從而給能量有限的傳感器節(jié)點(diǎn)帶來極大的負(fù)擔(dān)。因此,如何利用能量等資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對連續(xù)目標(biāo)的高效監(jiān)測是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題。

      當(dāng)前階段基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有毒氣體監(jiān)測方法中普遍存在的共同挑戰(zhàn)是:

      (1)、大多數(shù)監(jiān)測方法為了識別氣體邊界,需利用大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行龐大的信息交互,從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗過大;

      (2)、為了將采集的氣體信息及時(shí)上傳,同時(shí)能耗更少,一般來說,均是通過選取部分代表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、存儲及上傳的方式,而每次代表節(jié)點(diǎn)的選舉過程也是能量消耗過快的元兇之一;

      (3)、對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)未作出合理化設(shè)置,可能導(dǎo)致監(jiān)測過程局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)密度較低,從而導(dǎo)致該區(qū)域監(jiān)測精度較低,或者該部分區(qū)域監(jiān)測密度較高,從局部篩選節(jié)點(diǎn)過程,信息交互量較大,局部能耗很高。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明的目的是為了解決當(dāng)前存在于有毒氣體監(jiān)測方案中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗過大與監(jiān)測的精度較低兩點(diǎn)問題,提出了一種通過構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)以提高精度,利用均勻網(wǎng)格匯聚監(jiān)測信息以降低開銷的有毒氣體監(jiān)測方法,該方法既能保證監(jiān)測的高精確性,同時(shí)也能優(yōu)化監(jiān)測過程的能量開銷。

      為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種從構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)角度考慮的有毒氣體監(jiān)測方案,該方案包括四個(gè)階段:

      (1)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段:從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量開支的角度對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)定了sleep/awake調(diào)度策略;

      (2)、有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段:首先,利用感知信息更新確定出邊界未感知節(jié)點(diǎn),然后,選擇出距離對應(yīng)邊界感知節(jié)點(diǎn)距離較近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn);

      (3)、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段:該階段在考慮氣體邊界圖形失真與非失真情形下在不同邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn);

      (4)、數(shù)據(jù)上傳階段:利用均勻網(wǎng)格思想,網(wǎng)格選取相應(yīng)頭節(jié)點(diǎn),匯聚網(wǎng)格內(nèi)所有虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息,并利用不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)上傳信息。

      為了實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測,常規(guī)的方法是利用客觀存在的實(shí)際節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)信息去描述氣體的邊界信息,而本發(fā)明創(chuàng)新性的從構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)的角度出發(fā),考慮利用實(shí)際存在的邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的信息提取,從而構(gòu)建出距離目標(biāo)邊界更近的虛擬節(jié)點(diǎn),以該類虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置信息表示的氣體邊界具有更高的精確度。

      同時(shí),本發(fā)明首次從構(gòu)建均勻網(wǎng)格的角度,對采集的目標(biāo)邊界信息進(jìn)行匯聚、存儲與上傳,僅僅通過選取的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳,以此來減少遠(yuǎn)距離通信的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),最終降低了監(jiān)測開銷。

      節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段的具體步驟為:

      2a.初始時(shí)刻節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài),感知監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域是否存在目標(biāo)出現(xiàn),以及可能出現(xiàn)的對應(yīng)區(qū)域。同時(shí),任意節(jié)點(diǎn)u與其所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)nu之間互相發(fā)送探測數(shù)據(jù)包,提前建立好鄰居信息表;

      2b.在步驟2a的基礎(chǔ)之上,節(jié)點(diǎn)周期性的于偵聽與睡眠狀態(tài)間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換,當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)時(shí),若能夠感知到目標(biāo),則節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會立即轉(zhuǎn)變?yōu)閍wake狀態(tài);反之,若節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)卻無法感知到目標(biāo),則節(jié)點(diǎn)會立即進(jìn)入sleep狀態(tài),從而進(jìn)入下一周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)備階段;

      2c.當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)能感知到目標(biāo),則處于活動狀態(tài),立即與其周圍所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互,告知一跳鄰居其自身能感知目標(biāo),同時(shí)依據(jù)當(dāng)前周期內(nèi)建立的鄰居信息表,喚醒部分未感知到目標(biāo)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法感知到目標(biāo)并且節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中不存在感知節(jié)點(diǎn)時(shí),節(jié)點(diǎn)才會重新進(jìn)入sleep狀態(tài)。

      上述節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度具有以下特征:

      特征1.節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)均設(shè)置為偵聽,該方式的好處在于能夠于初始階段對全網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)出現(xiàn)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析,同時(shí)該模式下,節(jié)點(diǎn)無需與周圍鄰居通信,較為節(jié)能;

      特征2.一旦某一節(jié)點(diǎn)被目標(biāo)覆蓋,則該節(jié)點(diǎn)會立即通知其下一跳中未被目標(biāo)覆蓋的鄰居節(jié)點(diǎn),提前喚醒該鄰居節(jié)點(diǎn),以此來提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性,相應(yīng)的也能降低監(jiān)測時(shí)延;

      特征3.當(dāng)目標(biāo)離開某一節(jié)點(diǎn),或者某一節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測到目標(biāo),但該節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)中不存在未被感知的節(jié)點(diǎn),則該節(jié)點(diǎn)均被設(shè)置為睡眠狀態(tài),以此來最大化的節(jié)省監(jiān)測能耗。

      節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置完畢后,所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)。隨著氣體的出現(xiàn),節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)也將隨之發(fā)生變化,此處首先介紹如何實(shí)現(xiàn)動態(tài)氣體目標(biāo)的邊界識別,有毒氣體的邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段具體步驟為:

      3a.首先確定出所有的候選邊界節(jié)點(diǎn),候選邊界節(jié)點(diǎn)的選擇分為感知階段與更新階段,其中感知階段表示感知?dú)怏w是否出現(xiàn)及可能出現(xiàn)的狀態(tài),更新階段即節(jié)點(diǎn)鄰居信息表更新,根據(jù)感知與更新信息過程篩選出的候選邊界節(jié)點(diǎn),將為邊界節(jié)點(diǎn)的正確選擇提供依據(jù);

      其中,節(jié)點(diǎn)鄰居信息表更新即節(jié)點(diǎn)提前建立好自身的鄰居信息表,表中記錄有節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的信息,信息內(nèi)容主要是節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)的id以及節(jié)點(diǎn)的地理位置,該信息表會依據(jù)監(jiān)測周期進(jìn)行更新;

      3b.在步驟3a的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的確定,首先,邊界感知節(jié)點(diǎn)依據(jù)其自身的地理位置坐標(biāo)及鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)信息,對不同id號的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歐式距離的遍歷排序計(jì)算。假設(shè)一邊界感知節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)為(xu,yu),其對應(yīng)的鄰居cbn集合中一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為vi(xi,yi),則節(jié)點(diǎn)u、v間對應(yīng)的歐式距離為:u所對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)vu為滿足以下節(jié)點(diǎn)集合中歐式距離等式方程所確定的節(jié)點(diǎn),具體節(jié)點(diǎn)集合方程為

      上述有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段的特征為:

      特征1.利用節(jié)點(diǎn)存有的一跳鄰居信息列表中的信息提前確定出候選邊界節(jié)點(diǎn);

      特征2.該鄰居信息列表會進(jìn)行周期性更新,以確保消息的準(zhǔn)確性以及實(shí)時(shí)性;

      特征3.本發(fā)明在候選邊界節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的精選,精選的方式是利用某一邊界感知節(jié)點(diǎn)所有對應(yīng)的邊界未感知節(jié)點(diǎn),對邊界未感知節(jié)點(diǎn)到該邊界感知節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行遍歷,選擇出距離最近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為該邊界感知節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn);

      特征4.對氣體邊界附近的節(jié)點(diǎn)做了更近一步的細(xì)分,主要?jiǎng)澐譃榱诉吔绺兄?jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn);

      特征5.一旦某一區(qū)域的邊界感知節(jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn)確定后,本發(fā)明僅利用該類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,以節(jié)省能耗,同時(shí),僅通過邊界未感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的篩選。

      邊界節(jié)點(diǎn)確定完畢后,將進(jìn)行虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建,虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程有兩種情形:

      情形1.不考慮邊界失真時(shí),僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn),以提高監(jiān)測的精確度。假設(shè)節(jié)點(diǎn)a的地理位置坐標(biāo)為(xa,ya),對應(yīng)節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)為(xi,yi),則對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為同理,在不考慮邊界形狀失真時(shí),對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為:

      情形2.考慮目標(biāo)邊界形狀失真:考慮邊界失真時(shí),不僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn),同時(shí)為了解決網(wǎng)絡(luò)中局部區(qū)域密度較低可能導(dǎo)致目標(biāo)局部圖形失真性較大,從而在兩鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn)之間又構(gòu)建了虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn),然后在虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建出虛擬邊界節(jié)點(diǎn)。

      若實(shí)際節(jié)點(diǎn)a(xa,ya)、c(xc,yc),則進(jìn)一步引入的虛擬感知節(jié)點(diǎn)p坐標(biāo)為:若i(xi,yi),j(xj,yj),則p→i新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為則p→j新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為

      其中,假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)u1與u2為一跳鄰居節(jié)點(diǎn),真實(shí)目標(biāo)邊界線位于節(jié)點(diǎn)u1、u2之間,假設(shè)兩節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地理位置坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2),兩節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的連線與真實(shí)連續(xù)目標(biāo)邊界線的交點(diǎn)坐標(biāo)為(xτ,yτ)。

      若分別以兩節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)得到的誤差歐式距離分別為則各自監(jiān)測的平均誤差分別為由于兩節(jié)點(diǎn)u1與u2等概率被選為邊界節(jié)點(diǎn),則在僅存在兩種事件的條件下有ρ1=ρ2=0.5,因此,結(jié)合節(jié)點(diǎn)各自的監(jiān)測誤差,依據(jù)等概率思想得到的平均誤差距離而此時(shí)通過構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為其距離真實(shí)邊界線交點(diǎn)(xτ,yτ)的歐式距離

      容易得出ξd_vr≤γd_error,當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)u1與u2靠近為同一地理坐標(biāo)位置這一極限情況存在時(shí)等號方可成立,因此,當(dāng)取邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)邊界非感知節(jié)點(diǎn)間的虛擬節(jié)點(diǎn)位置時(shí),可以達(dá)到更好的監(jiān)測精度。

      虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程有以下特征:

      特征1.虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程,僅僅需要邊界感知節(jié)點(diǎn)利用其保存有的所有一跳鄰居邊界未感知節(jié)點(diǎn)信息即可,無需再進(jìn)行通信,從而能夠進(jìn)一步節(jié)省監(jiān)測開銷;

      特征2.虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的地理位置等信息,直接保存于用于計(jì)算的邊界感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)中,無需再進(jìn)行信息的匯聚。

      虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息確定完畢后,將對所有監(jiān)測信息進(jìn)行聚合并上傳,數(shù)據(jù)上傳階段的具體步驟為:

      5a.網(wǎng)格劃分:

      首先,于監(jiān)測區(qū)域中選取一參考地理位置坐標(biāo)(x0,y0),將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干小型、虛擬且均勻的正方形網(wǎng)格,任一網(wǎng)格單元的邊長尺寸大小為α,每個(gè)網(wǎng)格單元擁有自身的網(wǎng)格坐標(biāo)cgrid,每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)自身地理位置坐標(biāo)(x,y),可由式得出其所在網(wǎng)格的坐標(biāo)cgrid(a,b);

      其次,每個(gè)網(wǎng)格單元均擁有自身的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)的選取依據(jù)如下機(jī)制:給網(wǎng)格單元cgrid(a,b)中坐標(biāo)為(x,y)的節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)倒計(jì)時(shí)器,倒計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)置為

      其中r_center代表節(jié)點(diǎn)i距離網(wǎng)格單元中心位置的距離,eresidual_i代表節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。此處主要考慮的選取因素是:①盡可能選取最靠近網(wǎng)格中心位置的節(jié)點(diǎn);②網(wǎng)格cgrid(a,b)中的頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能擁有最大的剩余能量,網(wǎng)格cgrid(a,b)中心點(diǎn)坐標(biāo)

      則節(jié)點(diǎn)(x,y)距離所在網(wǎng)格cgrid(a,b)中心的距離:

      在對應(yīng)cgrid(a,b)中,節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束的順序會在對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)洪泛,發(fā)送頭消息通知報(bào)告包,如果節(jié)點(diǎn)u于倒計(jì)時(shí)結(jié)束前已接收到來自其它節(jié)點(diǎn)傳來的此類通知包,則節(jié)點(diǎn)u會取消自身頭消息的通知洪泛,并且保存所接收的頭節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo);

      5b.數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā):在數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)階段,首先,邊界感知節(jié)點(diǎn)確定了自身所在的單元格信息;然后,將邊界感知節(jié)點(diǎn)儲存的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)位置信息匯聚給各自所在的單元格頭節(jié)點(diǎn),頭節(jié)點(diǎn)對相關(guān)信息進(jìn)行整合,并發(fā)送一個(gè)反饋信息包給對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的邊界感知節(jié)點(diǎn),代表其已接收到消息包并確認(rèn)信息未丟失;最后,對收集的數(shù)據(jù)包進(jìn)行上傳,上傳路由的原則是:只在不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信,無其余類型的節(jié)點(diǎn)參與,網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)u_ghd選擇下一跳當(dāng)中距離sink節(jié)點(diǎn)所在單元格位置最近的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)v_ghd進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),此處v_ghd可理解為wsns中的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

      與現(xiàn)有連續(xù)目標(biāo)監(jiān)測方法相比,本發(fā)明所具有的積極效果是:

      (1)以虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置信息為核心思想:虛擬節(jié)點(diǎn)在vnoe中的特點(diǎn)為:①無需參與通信,能量開銷為0;②雖然非實(shí)際存在,但仍然具有實(shí)際的地理位置坐標(biāo)(距目標(biāo)邊界更近)、節(jié)點(diǎn)id號等信息,信息保存于用于構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)的鄰居感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)中,以此來節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗,延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期;

      (2)監(jiān)測區(qū)域局部密度較低時(shí),目標(biāo)邊界的準(zhǔn)確還原策略:vnoe算法構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn),除了節(jié)省能耗與提高監(jiān)測精度外,還有一個(gè)目的是防止用于監(jiān)測目標(biāo)的wsns中存在局部稀疏的情況下,此部分區(qū)域目標(biāo)邊界圖形形狀無法被準(zhǔn)確還原。根據(jù)實(shí)際的邊界感知節(jié)點(diǎn)的地理位置信息,適當(dāng)增大其感知半徑,尋找周邊鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn),當(dāng)超過vnoe設(shè)定的閾值,則在兩個(gè)相鄰的、實(shí)際存在的邊界感知節(jié)點(diǎn)之間引入虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn),這樣設(shè)計(jì)的目的是有效還原出連續(xù)目標(biāo)的邊界線形狀(無規(guī)則多邊形特性);

      (3)從信息匯聚、傳遞的角度設(shè)計(jì)路由策略:采用構(gòu)建網(wǎng)格思想,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量高和距網(wǎng)格中心的距離近兩點(diǎn)原則,于每個(gè)均勻網(wǎng)格中選出一個(gè)頭節(jié)點(diǎn),將網(wǎng)格中所有虛擬節(jié)點(diǎn)的信息直接匯總到對應(yīng)的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn),然后利用貪婪算法,僅需網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間相互通信,最終將聚合消息包發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn),大大降低了通信開銷。

      附圖說明

      如圖1為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度示意圖;

      如圖2為候選邊界節(jié)點(diǎn)選擇示意圖;

      如圖3為邊界節(jié)點(diǎn)選擇示意圖;

      如圖4為考慮邊界失真分析示意圖;

      如圖5為基于網(wǎng)格劃分的數(shù)據(jù)匯聚與上傳示意圖。

      具體實(shí)施方式

      下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

      一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于虛擬節(jié)點(diǎn)的有毒氣體監(jiān)測方法,包括以下四個(gè)階段:

      (1)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段:從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量開支的角度對節(jié)點(diǎn)設(shè)定了sleep/awake調(diào)度策略;

      (2)、有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段:首先,利用感知信息更新確定出邊界未感知節(jié)點(diǎn),然后,選擇出距離對應(yīng)邊界感知節(jié)點(diǎn)距離較近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn);

      (3)、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段:該階段在考慮氣體邊界圖形失真與非失真情形下在不同邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn);

      (4)、數(shù)據(jù)上傳階段:利用均勻網(wǎng)格思想,網(wǎng)格選取相應(yīng)頭節(jié)點(diǎn),匯聚網(wǎng)格內(nèi)所有虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息,并利用不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)上傳信息。

      上述步驟(1)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段的具體步驟為:

      (2a)、初始時(shí)刻節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài),感知監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域是否存在目標(biāo)出現(xiàn),以及可能出現(xiàn)的對應(yīng)區(qū)域。同時(shí),任意節(jié)點(diǎn)u與其所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)nu之間互相發(fā)送探測數(shù)據(jù)包,提前建立好鄰居信息表;

      (2b)、在步驟(2a)的基礎(chǔ)之上,節(jié)點(diǎn)周期性的于偵聽與睡眠狀態(tài)間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換,當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)時(shí),若能夠感知到目標(biāo),則節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會立即轉(zhuǎn)變?yōu)閍wake狀態(tài);反之,若節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)卻無法感知到目標(biāo),則節(jié)點(diǎn)會立即進(jìn)入sleep狀態(tài),從而進(jìn)入下一周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)備階段;

      (2c)、當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)能感知到目標(biāo),則處于活動狀態(tài),立即與其周圍所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互,告知一跳鄰居其自身能感知目標(biāo),同時(shí)依據(jù)當(dāng)前周期內(nèi)建立的鄰居信息表,喚醒部分未感知到目標(biāo)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法感知到目標(biāo)并且節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中不存在感知節(jié)點(diǎn)時(shí),節(jié)點(diǎn)才會重新進(jìn)入sleep狀態(tài)。

      上述步驟(1)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段具有以下特征:

      特征1、節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)均設(shè)置為偵聽,該方式的好處在于能夠于初始階段對全網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)出現(xiàn)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析,同時(shí)該模式下,節(jié)點(diǎn)無需與周圍鄰居通信,較為節(jié)能;

      特征2、一旦某一節(jié)點(diǎn)被目標(biāo)覆蓋,則該節(jié)點(diǎn)會立即通知其下一跳中未被目標(biāo)覆蓋的鄰居節(jié)點(diǎn),提前喚醒該鄰居節(jié)點(diǎn),以此來提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性,相應(yīng)的也能降低監(jiān)測時(shí)延;

      特征3、當(dāng)目標(biāo)離開某一節(jié)點(diǎn),或者某一節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測到目標(biāo),但該節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)中不存在未被感知的節(jié)點(diǎn),則該節(jié)點(diǎn)均被設(shè)置為睡眠狀態(tài),以此來最大化的節(jié)省監(jiān)測能耗。

      上述步驟(2)中有毒氣體的邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段具體步驟為:

      (3a)、首先確定出所有的候選邊界節(jié)點(diǎn),候選邊界節(jié)點(diǎn)的選擇分為感知階段與更新階段,其中感知階段表示感知?dú)怏w是否出現(xiàn)及可能出現(xiàn)的狀態(tài),更新階段即節(jié)點(diǎn)鄰居信息表更新,根據(jù)感知與更新信息過程篩選出的候選邊界節(jié)點(diǎn),將為邊界節(jié)點(diǎn)的正確選擇提供依據(jù);

      (3b)、在步驟(3a)的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的確定,首先,邊界感知節(jié)點(diǎn)依據(jù)其自身的地理位置坐標(biāo)及鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)信息,對不同id號的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歐式距離的遍歷排序計(jì)算。假設(shè)一邊界感知節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)為(xu,yu),其對應(yīng)的鄰居cbn集合中一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為vi(xi,yi),則節(jié)點(diǎn)u、v間對應(yīng)的歐式距離為:u所對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)vu為滿足以下節(jié)點(diǎn)集合中歐式距離等式方程所確定的節(jié)點(diǎn),具體節(jié)點(diǎn)集合方程為

      上述的有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段的特征為:

      特征1、利用節(jié)點(diǎn)存有的一跳鄰居信息列表中的信息提前確定出候選邊界節(jié)點(diǎn);

      特征2、該鄰居信息列表會進(jìn)行周期性更新,以確保消息的準(zhǔn)確性以及實(shí)時(shí)性;

      特征3、本發(fā)明在候選邊界節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的精選,精選的方式是利用某一邊界感知節(jié)點(diǎn)所有對應(yīng)的邊界未感知節(jié)點(diǎn),對邊界未感知節(jié)點(diǎn)到該邊界感知節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行遍歷,選擇出距離最近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為該邊界感知節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn);

      特征4、對氣體邊界附近的節(jié)點(diǎn)做了更近一步的細(xì)分,主要?jiǎng)澐譃榱诉吔绺兄?jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn);

      特征5、一旦某一區(qū)域的邊界感知節(jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn)確定后,本發(fā)明僅利用該類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,以節(jié)省能耗,同時(shí),僅通過邊界未感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的篩選。

      上述步驟(3)中虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段的特征為:

      特征1、不考慮邊界失真時(shí),僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn),以提高監(jiān)測的精確度;

      特征2、考慮邊界失真時(shí),不僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn),同時(shí)為了解決網(wǎng)絡(luò)中局部區(qū)域密度較低可能導(dǎo)致目標(biāo)局部圖形失真性較大,從而在兩鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn)之間又構(gòu)建了虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn),然后在虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建出虛擬邊界節(jié)點(diǎn);

      特征3、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程,僅僅需要邊界感知節(jié)點(diǎn)利用其保存有的所有一跳鄰居邊界未感知節(jié)點(diǎn)信息即可,無需再進(jìn)行通信,從而能夠進(jìn)一步節(jié)省監(jiān)測開銷;

      特征4、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的地理位置等信息,直接保存于用于計(jì)算的邊界感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)中,無需再進(jìn)行信息的匯聚。

      上述步驟(3)中虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段分為兩種情形:

      情形1.不考慮目標(biāo)邊界形狀失真:假設(shè)節(jié)點(diǎn)a的地理位置坐標(biāo)為(xa,ya),對應(yīng)節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)為(xi,yi),則對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為同理,在不考慮邊界形狀失真時(shí),對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為:

      情形2.考慮目標(biāo)邊界形狀失真:若實(shí)際節(jié)點(diǎn)a(xa,ya)、c(xc,yc),則進(jìn)一步引入的虛擬感知節(jié)點(diǎn)p坐標(biāo)為:若i(xi,yi),j(xj,yj),則p→i新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為則p→j新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為

      其中,假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)u1與u2為一跳鄰居節(jié)點(diǎn),真實(shí)目標(biāo)邊界線位于節(jié)點(diǎn)u1、u2之間,假設(shè)兩節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地理位置坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2),兩節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的連線與真實(shí)連續(xù)目標(biāo)邊界線的交點(diǎn)坐標(biāo)為(xτ,yτ)。

      若分別以兩節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)得到的誤差歐式距離分別為則各自監(jiān)測的平均誤差分別為由于兩節(jié)點(diǎn)u1與u2等概率被選為邊界節(jié)點(diǎn),則在僅存在兩種事件的條件下有ρ1=ρ2=0.5,因此,結(jié)合節(jié)點(diǎn)各自的監(jiān)測誤差,依據(jù)等概率思想得到的平均誤差距離而此時(shí)通過構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為其距離真實(shí)邊界線交點(diǎn)(xτ,yτ)的歐式距離

      容易得出ξd_vr≤γd_error,當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)u1與u2靠近為同一地理坐標(biāo)位置這一極限情況存在時(shí)等號方可成立,因此,當(dāng)取邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)邊界非感知節(jié)點(diǎn)間的虛擬節(jié)點(diǎn)位置時(shí),可以達(dá)到更好的監(jiān)測精度。

      上述步驟(4)中數(shù)據(jù)上傳階段的具體步驟為:

      (5a)、網(wǎng)格劃分:首先,于監(jiān)測區(qū)域中選取一參考地理位置坐標(biāo)(x0,y0),將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干小型、虛擬且均勻的正方形網(wǎng)格,任一網(wǎng)格單元的邊長尺寸大小為α,每個(gè)網(wǎng)格單元擁有自身的網(wǎng)格坐標(biāo)cgrid,每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)自身地理位置坐標(biāo)(x,y),可由式得出其所在網(wǎng)格的坐標(biāo)cgrid(a,b);

      其次,每個(gè)網(wǎng)格單元均擁有自身的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)的選取依據(jù)如下機(jī)制:給網(wǎng)格單元cgrid(a,b)中坐標(biāo)為(x,y)的節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)倒計(jì)時(shí)器,倒計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)置為

      其中r_center代表節(jié)點(diǎn)i距離網(wǎng)格單元中心位置的距離,eresidual_i代表節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。此處主要考慮的選取因素是:①盡可能選取最靠近網(wǎng)格中心位置的節(jié)點(diǎn);②網(wǎng)格cgrid(a,b)中的頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能擁有最大的剩余能量,網(wǎng)格cgrid(a,b)中心點(diǎn)坐標(biāo)

      則節(jié)點(diǎn)(x,y)距離所在網(wǎng)格cgrid(a,b)中心的距離:

      在對應(yīng)cgrid(a,b)中,節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束的順序會在對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)洪泛,發(fā)送頭消息通知報(bào)告包,如果節(jié)點(diǎn)u于倒計(jì)時(shí)結(jié)束前已接收到來自其它節(jié)點(diǎn)傳來的此類通知包,則節(jié)點(diǎn)u會取消自身頭消息的通知洪泛,并且保存所接收的頭節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)。

      (5b)、數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā):在數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)階段,首先,邊界感知節(jié)點(diǎn)確定了自身所在的單元格信息;然后,將邊界感知節(jié)點(diǎn)儲存的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)位置信息匯聚給各自所在的單元格頭節(jié)點(diǎn),頭節(jié)點(diǎn)對相關(guān)信息進(jìn)行整合,并發(fā)送一個(gè)反饋信息包給對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的邊界感知節(jié)點(diǎn),代表其已接收到消息包并確認(rèn)信息未丟失;最后,對收集的數(shù)據(jù)包進(jìn)行上傳,上傳路由的原則是:只在不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信,無其余類型的節(jié)點(diǎn)參與,網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)u_ghd選擇下一跳當(dāng)中距離sink節(jié)點(diǎn)所在單元格位置最近的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)v_ghd進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),此處v_ghd可理解為wsns中的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

      如圖1所示,初始時(shí)刻節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài),感知監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域是否存在目標(biāo)出現(xiàn),以及可能出現(xiàn)的對應(yīng)區(qū)域。節(jié)點(diǎn)周期性的于偵聽與睡眠狀態(tài)間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換,當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)時(shí),若能夠感知到目標(biāo),則節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會立即轉(zhuǎn)變?yōu)閍wake狀態(tài);反之,若節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)卻無法感知到目標(biāo),則節(jié)點(diǎn)會立即進(jìn)入sleep狀態(tài),從而進(jìn)入下一周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)備階段。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)能感知到目標(biāo),則處于活動狀態(tài)。倘若節(jié)點(diǎn)處于sleep或awake狀態(tài)過程中出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量耗盡及故障等情況,則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入死亡狀態(tài),無法再進(jìn)行新一輪周期性的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

      如圖2所示,假設(shè)目標(biāo)為一單方向擴(kuò)散的連續(xù)目標(biāo),目標(biāo)局部的單向邊界線(圖中虛線)由t0時(shí)刻擴(kuò)散至t1時(shí)刻的過程中,節(jié)點(diǎn)m發(fā)送evt-msg(id,s)消息包給節(jié)點(diǎn)e,節(jié)點(diǎn)e會依據(jù)建立的鄰居消息表進(jìn)行數(shù)據(jù)更新并加入感知,同時(shí)認(rèn)定自身為邊界未感知節(jié)點(diǎn),從而被判定為候選邊界節(jié)點(diǎn);從時(shí)刻t1至?xí)r刻t2的過程中,目標(biāo)將逐漸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)e,則此時(shí)節(jié)點(diǎn)e會發(fā)送相應(yīng)evt-msg(id,s)給鄰居節(jié)點(diǎn)m與x,同時(shí)認(rèn)定自身為邊界未感知節(jié)點(diǎn),在此時(shí)間段被識別為候選邊界節(jié)點(diǎn);同理在目標(biāo)邊界線由t2進(jìn)入t3過程中,節(jié)點(diǎn)s收到p、q發(fā)來的evt-msg(id,s),同時(shí)更新自己作為邊界未感知節(jié)點(diǎn),同樣被判定為候選邊界節(jié)點(diǎn)。

      如圖3所示,波浪線代表當(dāng)前采樣周期目標(biāo)的局部邊界線,其中,a、b等實(shí)心節(jié)點(diǎn)代表邊界感知節(jié)點(diǎn),i、o等非實(shí)心節(jié)點(diǎn)代表cbn,三角形節(jié)點(diǎn)i、j、l、m、o代表使用歐式距離規(guī)則遍歷排序選出的邊界節(jié)點(diǎn)。例如a、b、e、f、h等節(jié)點(diǎn)對應(yīng)只有一個(gè)候選邊界鄰居節(jié)點(diǎn),在節(jié)點(diǎn)i通過候選邊界節(jié)點(diǎn)判定規(guī)則被識別為候選邊界節(jié)點(diǎn)后,其會發(fā)送一個(gè)確認(rèn)反饋包消息給鄰居節(jié)點(diǎn)a,節(jié)點(diǎn)a依據(jù)所接收的消息包計(jì)算與節(jié)點(diǎn)i的歐式距離,計(jì)算完成后發(fā)送一個(gè)bn節(jié)點(diǎn)確認(rèn)包bn_ctpi_msg給歐式距離最近的節(jié)點(diǎn),對節(jié)點(diǎn)a而言即為節(jié)點(diǎn)i,同時(shí),依據(jù)地理位置坐標(biāo)開始虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息構(gòu)建的準(zhǔn)備過程。對于節(jié)點(diǎn)g,其會同時(shí)接收到來自節(jié)點(diǎn)m與n的候選邊界節(jié)點(diǎn)識別確認(rèn)包,則利用上述規(guī)則進(jìn)行遍歷排序,排序結(jié)果會相應(yīng)的傳送給m與n,而由于歐式距離規(guī)則選出的m節(jié)點(diǎn)具有更優(yōu)的距離,因此,在節(jié)點(diǎn)g傳來的消息包中會包含邊界節(jié)點(diǎn)信息確認(rèn)指標(biāo)符號bn_sbl。

      如圖4所示,a→c→e間采樣的邊界信息與真實(shí)邊界線之間存在明顯圖形失真現(xiàn)象(未引入節(jié)點(diǎn)p前)。而e→g→h間節(jié)點(diǎn)較為密集,所以并不存在明顯失真現(xiàn)象。a→c段,在兩稀疏鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn)a與c之間引入新的虛擬感知節(jié)點(diǎn),若實(shí)際節(jié)點(diǎn)a(xa,ya)、c(xc,yc),則進(jìn)一步引入的虛擬感知節(jié)點(diǎn)p坐標(biāo)為:若i(xi,yi),j(xj,yj),則p→i新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為則p→j新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為

      如圖5所示,圖中黑色實(shí)心圓點(diǎn)代表連續(xù)目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn),空心圓點(diǎn)代表通過本章算法選出的虛擬邊界節(jié)點(diǎn),星型節(jié)點(diǎn)代表各自網(wǎng)格內(nèi)的頭節(jié)點(diǎn),三角形節(jié)點(diǎn)代表sink節(jié)點(diǎn),x0代表初始劃分虛擬網(wǎng)格時(shí)選取的參考節(jié)點(diǎn),實(shí)線箭頭代表將各自網(wǎng)格中虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的信息匯聚到網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn),虛線箭頭代表各網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由過程,(2,2)等代表網(wǎng)格的坐標(biāo)。

      當(dāng)前第1頁1 2 
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