專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信息技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的 部分覆蓋布局方法。
技術(shù)背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋是提供監(jiān)測和目標(biāo)跟蹤服務(wù)質(zhì)量的一種度量。隨著無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，更多的研究工作深入到其網(wǎng)絡(luò)配置的基本理論方面，其 中覆蓋問題就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和規(guī)劃需要面臨的一個基本問題之一。當(dāng)無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋某個區(qū)域，如果區(qū)域中的任何一點至少被k個傳感器所感知，這樣 的覆蓋就稱k-覆蓋(k-Coverage);如果網(wǎng)絡(luò)中任兩個傳感器有k條不同的通路， 這樣的網(wǎng)絡(luò)就稱k-連通(k-Connect ion)。要實現(xiàn)較高的監(jiān)測質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)在卜連通 的前提下至少1-覆蓋監(jiān)測區(qū)域。然而在實際中，由于1-覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要 大量的傳感器同時工作，所以整個網(wǎng)絡(luò)的生命時間比較短暫。事實上，類似的能源 浪費完全可以避免。大量的應(yīng)用場合并不需要l-覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，局部的覆 蓋盲區(qū)是允許存在的。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，K. Wu等在國際會議ACM/ Kluwer Mobile Networks and Applications (MONET) Special Issue on "Energy Constraints and Lifetime Performance in Wireless Sensor Networks" ( ACM/ Kluwer移動網(wǎng)絡(luò) 及應(yīng)用會議中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量和生命時間的專題)上發(fā)表的文章 Lightweight deployment-aware scheduling for wireless sensor networks (無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級自動布局方法)，該文中提出了一種LDAS方法(輕量級自動布 局方法)。具體方法為通過判斷某個傳感器感應(yīng)區(qū)域內(nèi)工作傳感器的數(shù)目來決定該傳感器是否工作，其不足在于首先該方法中傳感器的感應(yīng)區(qū)域為理想圓形，這與實際情況不符；其次，該方法雖然延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時間，但是不能提高 網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感 器的部分覆蓋布局方法，使其同時提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時間和監(jiān)測質(zhì)量，使 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的感應(yīng)區(qū)域符合實際的PIR (紅外傳感器)感應(yīng)模型，并 且在實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域部分覆蓋的同時也保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，大幅提高網(wǎng)絡(luò)的生命時間， 而網(wǎng)絡(luò)中侵入物從開始移動到被任意傳感器監(jiān)測出的時間可以有效的控制在一定范 圍內(nèi)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟步驟一，設(shè)定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的感應(yīng)區(qū)域符合PIR感應(yīng)模型；步驟二，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域中引入框架傳感器集合，整個網(wǎng)絡(luò)為2-連通；步驟三，經(jīng)過步驟一和步驟二設(shè)置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進入選擇階段和穩(wěn)定階段， 選擇階段和穩(wěn)定階段具有周期性，選擇階段和穩(wěn)定階段的時間之和為一個周期T;在選擇階段，將監(jiān)測區(qū)域分割為N條相互獨立且相互平行的帶狀區(qū)域，N為自 然數(shù)，N的大小由檢測區(qū)域的寬度和各個帶狀區(qū)域的寬度所決定，然后傳感器由初 始睡眠狀態(tài)進入選擇狀態(tài)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇出N個帶狀傳感器集合，分別覆蓋 N條帶狀區(qū)域，在一個周期內(nèi)當(dāng)選擇結(jié)束時就進入穩(wěn)定階段；在穩(wěn)定階段，各個帶狀傳感器集合在(0，^(1-力)時間段內(nèi)隨機選擇起始工作時 間，然后相互獨立地工作^段時間后重新回到睡眠狀態(tài)，7為占空比率，0<;^1。所述周期，其長度必須設(shè)定為極大于選擇階段的時間，又極小于單個傳感器的 平均生命時間。所述設(shè)定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的感應(yīng)區(qū)域符合PIR感應(yīng)模型，具體為 首先以傳感器為中心把感應(yīng)區(qū)域在十二個方向上做等分，該十二個方向的每個方向的感應(yīng)距離由實際測量所得，除上述十二個方向之外的方向的感應(yīng)距離由插值方法得到，符合PIR感應(yīng)模型；其次把PIR感應(yīng)模型的十二個方向上的感應(yīng)最遠端的端點相連，形成一個十二邊形，這個十二邊形近似為該傳感器的感應(yīng)區(qū)域。所述N條相互獨立且相互平行的帶狀區(qū)域，各個帶狀區(qū)域呈長條狀，且相互平行，最上邊的帶狀區(qū)域的寬度在一個周期內(nèi)為固定值，它隨機分布在(o，"之間，最 上邊以及最下邊之間的每條帶狀區(qū)域的寬度均為固定值"，最下邊的帶狀區(qū)域的寬度在一個周期內(nèi)為固定值，該值通過增加或減少帶狀區(qū)域的數(shù)目控制在(o，"之間。所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇出W個帶狀傳感器集合，具體為 第一步，在某條帶狀區(qū)域的最左端選擇一個傳感器"第二步，在傳感器'-的右端選擇第二傳感器八第二傳感器7和傳感器/的歐氏 距離最大，傳感器/和第二傳感器y相互連通，第二傳感器/在傳感器Z的連通圓心 角內(nèi)周長覆蓋傳感器"選擇好第二傳感器y之后，在第二傳感器/的右端選擇另一 個歐式距離最大且在第二傳感器7的連通圓心角內(nèi)周長覆蓋第二傳感器7'的相互連 通的第三傳感器，以此類推，直至選出一個傳感器集合，它能完全覆蓋相應(yīng)的帶狀 區(qū)域；第三步，按照第一步和第二步的方法，在其他帶狀區(qū)域選擇傳感器集合，共獲 得W個帶狀傳感器集合，W個帶狀傳感器集合能分別覆蓋W條帶狀區(qū)域。所述的傳感器''的連通圓心角，是指傳感器Z感應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū)域的兩個交點 和傳感器z的中心位置所成的角度Z","，其中o,是傳感器Z所處的位置，",是傳 感器Z的感應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū)域上邊線的交點，6,是傳感器Z的應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū)域的下 邊線的交點，^1，2，…，、所述的第二傳感器7在傳感器z'的連通圓心角內(nèi)周長覆蓋傳感器Z ，是指首先傳感器Z的感應(yīng)區(qū)域A和傳感器y的感應(yīng)區(qū)域化相交，且將交點以傳感器Z 為中心，順時針標(biāo)記為P,， hl，2，…,A:;其次找到一個角，該角包含傳感器z'的連通圓心角，并且由一個或許多個A和 A的交點和傳感器,'的中心位置^所成的角度々^~+1)咖《組成，其中W = l，2,'a ， 在這些角ZP3P(內(nèi)，A覆蓋A的周長。所述的引入框架傳感器集合，是指在框架區(qū)域內(nèi)拋灑傳感器來組成框架傳感器 集合，框架傳感器集合內(nèi)的傳感器相互連通并且包圍了整個監(jiān)測區(qū)域，框架傳感器集合具有多重特征1、框架傳感器集合能確保整個網(wǎng)絡(luò)的2-連通，兩個不同帶狀 傳感器集合中的傳感器能通過框架傳感器集合的傳感器來通信；2、框架傳感器集合 還能提高監(jiān)測成功率，任何直線移動的侵入物最終都能被它監(jiān)測出；3、如果監(jiān)測區(qū)域的面積極大，由框架傳感器集合把監(jiān)測區(qū)域分割成數(shù)個較小的子區(qū)域，這樣只需 保證每個子區(qū)域中的傳感器保持時間同步。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明能極大的延長無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的生命時間而同時提高網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測質(zhì)量，因為每個帶狀傳感器集合在一個固定的周期內(nèi)只工作;Kr段時間，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時間實際上將提高為^r,(7^為當(dāng)^=1時，傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時間)。然而此時侵入物的從開始移動到被傳感器 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測出的延時卻還控制在周期時間內(nèi)。如果傳感器的硬件允許設(shè)定一個極小的T值和一個極小的占空比率/,此時網(wǎng)絡(luò)的生命時間可以提高到一個極大值而同時監(jiān)測延時卻幾乎為零。


圖1為本發(fā)明的傳感器PIR感應(yīng)模型示意圖；圖2為本發(fā)明的帶狀區(qū)域和帶狀傳感器集合示意圖；圖3為本發(fā)明的連通圓心角示意圖；圖4本發(fā)明周長覆蓋的示意圖；圖5為本發(fā)明框架傳感器集合的示意圖；具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為 前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍 不限于下述的實施例。本實施例用于一個由10000個傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測一個長和寬分別為ioo米的方形區(qū)域。本實施例包括如下步驟1、 首先使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的感應(yīng)區(qū)域符合實際的PIR感應(yīng)模型，如圖 1所示，以傳感器為中心把感應(yīng)區(qū)域在十二個方向上做等分，分別為1、 2、 3……12，該十二個方向的感應(yīng)距離在傳感器出廠前由實際測量所得，再把十二個方向上的感 應(yīng)最遠端的端點相連，形成一個十二邊形，這個十二邊形近似為該傳感器的感應(yīng)區(qū)域，o,為傳感器Z的中心位置；2、 在方形區(qū)域的四周寬度為1米的框架區(qū)域內(nèi)拋灑400個的傳感器，組成框架傳感器集合，如圖5所示，灰色的圓點代表集合內(nèi)的傳感器，它們相互連通并且包 圍了整個監(jiān)測區(qū)域，使整個網(wǎng)絡(luò)為2-連通。3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進入選擇階段和穩(wěn)定階段，選擇階段和穩(wěn)定階段具有周期性， 選擇階段和穩(wěn)定階段的時間之和為一個周期600秒。在一個周期的前5秒為選擇階段，首先將監(jiān)測區(qū)域分為17條相互獨立且相互平 行的帶狀區(qū)域，如圖2所示，陰影區(qū)域代表17個帶狀區(qū)域，17條帶狀區(qū)域分別標(biāo) 記為S喊，^^17，最上邊的帶狀區(qū)域&《的寬度在一個周期內(nèi)為固定值，它隨機分布在(0，16—之間；除了&化和&《7，其他帶狀區(qū)域的寬度為16米；Se/^的寬度 為方形區(qū)域的總寬度減去&《，2SK16的寬度，如果所得的&《7的寬度大于16米， 那么把&〃17分為一條寬度為16米帶狀區(qū)域和一條寬度小于16米的帶狀區(qū)域。其次，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇出17個帶狀傳感器集合，具體為第一步，在某條帶狀區(qū)域的最左端選擇一個傳感器"第二步，在傳感器/的右端選擇第二傳感器八第二傳感器y和傳感器z'的歐氏 距離最大，傳感器/和第二傳感器y相互連通，第二傳感器y'在傳感器z'的連通圓心 角內(nèi)周長覆蓋傳感器z，選擇好第二傳感器y'之后，在第二傳感器7的右端選擇另一 個歐式距離最大且在第二傳感器y的連通圓心角內(nèi)周長覆蓋第二傳感器y的相互連 通的第三傳感器，以此類推，直至選出一個傳感器集合，它能完全覆蓋相應(yīng)的帶狀區(qū)域；第三步，按照第一步和第二步的方法，在其他帶狀區(qū)域選擇傳感器集合，共獲得17個帶狀傳感器集合，如圖2所示，17個帶狀傳感器集合SCW, 中所有傳感器的感應(yīng)區(qū)域之和能夠分別覆蓋n條帶狀區(qū)域&k， i""7，圓盤代表傳感器的感應(yīng)區(qū)域。每個周期的選擇階段結(jié)束就進入穩(wěn)定階段。在每個周期的從第6秒到600秒為穩(wěn)定階段，所有的帶狀傳感器集合SGW,會相互獨立地定時工作10秒段時間，然后又重新回到睡眠狀態(tài)。各個帶狀傳感器集合起始工作的時間點將獨立平均分布在(&,s卯"時間段內(nèi)。穩(wěn)定階段結(jié)束就代表一個周期的結(jié)束。 一個周期結(jié)束后，下一個新的周期自動開始，并且重復(fù)步驟3。如圖3所示，所述的傳感器'.的連通圓心角，是指傳感器/感應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū) 域的兩個交點和傳感器/的中心位置所成的角度Z《o,A，其中o,是傳感器z所處的 位置，a,是傳感器z'的感應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū)域上邊線的交點，6,是傳感器Z的應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū)域的下邊線的交點，h1，2，…^。如圖4所示，所述的第二傳感器/在傳感器/的連通圓心角內(nèi)周長覆蓋傳感器Z ，是指首先傳感器/的感應(yīng)區(qū)域A和傳感器7的感應(yīng)區(qū)域相交，且將交點以傳感器Z' 為中心，順時針標(biāo)記為化、P2、 A、其次找到一個角，該角包含傳感器,'的連通圓心角，并且由感應(yīng)區(qū)域A和A的交點和傳感器,的中心位置q所成的^4^。^2、 2》20,外、^^。iA角度組成，在這些角內(nèi)，A覆蓋A的周長。本實施例延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時間而同時提高網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測質(zhì)量，因為每個帶狀傳感器集合在一個固定的周期600秒時間段內(nèi)只工作10秒，所以傳感器網(wǎng) 絡(luò)的生命時間實際上將提高為60T， (7;,為每個帶狀傳感器集合工作600秒時傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時間)，然而此時侵入物的從開始移動到被傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測出的延時卻還控制在一個周期600秒內(nèi)，如果傳感器的硬件允許設(shè)定一個極小的T值和一個 極小的占空比率Z，即，T和7都接近于零，此時網(wǎng)絡(luò)的生命時間可以提高到一個極 大值而同時監(jiān)測延時卻幾乎為零。
權(quán)利要求
1、一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法，其特征在于，步驟一，設(shè)定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的感應(yīng)區(qū)域符合PIR感應(yīng)模型；步驟二，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域中引入框架傳感器集合，整個網(wǎng)絡(luò)為2-連通；步驟三，經(jīng)過步驟一和步驟二設(shè)置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進入選擇階段和穩(wěn)定階段，選擇階段和穩(wěn)定階段具有周期性，選擇階段和穩(wěn)定階段的時間之和為一個周期T；在選擇階段，將監(jiān)測區(qū)域分割為N條相互獨立且相互平行的帶狀區(qū)域，N為自然數(shù)，N的大小由檢測區(qū)域的寬度和各個帶狀區(qū)域的寬度所決定，傳感器由初始睡眠狀態(tài)進入選擇狀態(tài)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇出N個帶狀傳感器集合，分別覆蓋N條帶狀區(qū)域，在一個周期內(nèi)當(dāng)選擇結(jié)束時就進入穩(wěn)定階段；在穩(wěn)定階段，各個帶狀傳感器集合在(0，T·(1-γ))時間段內(nèi)隨機選擇起始工作時間，然后相互獨立地工作γT段時間后重新回到睡眠狀態(tài)，γ為占空比率，0＜γ≤1。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法， 其特征是，所述設(shè)定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的感應(yīng)區(qū)域符合PIR感應(yīng)模型， 具體為-首先以傳感器為中心把感應(yīng)區(qū)域在十二個方向上做等分，該十二個方向的 每個方向的感應(yīng)距離由實際測量所得，除上述十二個方向之外的方向的感應(yīng)距 離由插值方法得到，符合PIR感應(yīng)模型；其次把PIR感應(yīng)模型的十二個方向上的感應(yīng)最遠端的端點相連，形成一個 十二邊形，這個十二邊形近似為該傳感器的感應(yīng)區(qū)域。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法， 其特征是，所述N條相互獨立且相互平行的帶狀區(qū)域，各個帶狀區(qū)域呈長條狀， 且相互平行，最上邊的帶狀區(qū)域的寬度在一個周期內(nèi)為固定值，它隨機分布在(O，-)之間，最上邊以及最下邊之間的每條帶狀區(qū)域的寬度均為固定值P，最下 邊的帶狀區(qū)域的寬度在一個周期內(nèi)為固定值，該值通過增加或減少帶狀區(qū)域的 數(shù)目控制在(O，-)之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法， 其特征是，所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇出W個帶狀傳感器集合，具體為第一步，在某條帶狀區(qū)域的最左端選擇一個傳感器"第二步，在傳感器Z的右端選擇第二傳感器八第二傳感器7和傳感器《'的歐 氏距離最大，傳感器Z和第二傳感器y相互連通，第二傳感器7在傳感器Z的連通 圓心角內(nèi)周長覆蓋傳感器Z，選擇好第二傳感器7之后，在第二傳感器7的右端 選擇另一個歐式距離最大且在第二傳感器7'的連通圓心角內(nèi)周長覆蓋第二傳感 器y的相互連通的第三傳感器，以此類推，直至選出一個傳感器集合，它能完全 覆蓋相應(yīng)的帶狀區(qū)域；第三步，按照第一步和第二步的方法，在其他帶狀區(qū)域選擇傳感器集合， 共獲得W個帶狀傳感器集合，W個帶狀傳感器集合能分別覆蓋W條帶狀區(qū)域。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法， 其特征是，所述的傳感器Z的連通圓心角，是指傳感器/感應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū)域的兩個交點和傳感器/的中心位置。'所成的角度Za,。,々，其中a是傳感器/所處的位置，",是傳感器Z的感應(yīng)區(qū)域與帶狀區(qū)域上邊線的交點，6,是傳感器f的應(yīng)區(qū) 域與帶狀區(qū)域的下邊線的交點，/ = 1，2, — ，*。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法， 其特征是，所述的第二傳感器7在傳感器Z的連通圓心角內(nèi)周長覆蓋傳感器"是 指首先傳感器f的感應(yīng)區(qū)域A和第二傳感器7的感應(yīng)區(qū)域化相交，且將交點以 傳感器/為中心，順時針標(biāo)記為P,， "1,2，…，A:;其次找到一個角，該角包含傳感器''的連通圓心角，并且由一個或許多個A 和A的交點和傳感器Z的中心位置所成的角度Z^e'組成，其中附"，2'…，、在這些角々m。'A,—內(nèi)，化覆蓋A的周長。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法， 其特征是，所述的引入框架傳感器集合，是指在框架區(qū)域內(nèi)拋灑傳感器來組成 框架傳感器集合，框架傳感器集合內(nèi)的傳感器相互連通并且包圍了整個監(jiān)測區(qū) 域。
全文摘要
一種信息技術(shù)領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的部分覆蓋布局方法，包括如下具體步驟步驟一，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的感應(yīng)區(qū)域的PIR感應(yīng)模型；步驟二，引入框架傳感器集合，使整個網(wǎng)絡(luò)為2-連通；步驟三，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進入選擇階段和穩(wěn)定階段，選擇階段和穩(wěn)定階段時間之和為一個周期T；在選擇階段將監(jiān)測區(qū)域分割為N條相互獨立且相互平行的帶狀區(qū)域，選擇出N個帶狀傳感器集合，分別覆蓋N條帶狀區(qū)域，在一個周期內(nèi)當(dāng)選擇結(jié)束時就進入穩(wěn)定階段；在穩(wěn)定階段各個帶狀傳感器集合在(0，T·(1-γ))時間段內(nèi)隨機選擇起始工作時間，工作γT段時間后重新回到睡眠狀態(tài)，γ為占空比率，0＜γ≤1。本發(fā)明延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時間并提高網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測質(zhì)量。
文檔編號H04L12/28GK101222398SQ200810032469
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月10日
發(fā)明者弢 何, 徐昌慶 申請人:上海交通大學(xué)