面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法技术

本发明专利技术公开了面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法，随机生成传感器初始位置；移动传感器的位置至其相对应支配区域的最小外接圆心直至收敛；根据传感器的负载限制以及传感器的当前负载，设定传感器的负载要求，为每个传感器分配负载；优化每个传感器的权重，找到满足步骤三中设定的负载要求的划分；判断将所有传感器当前位置移动至其对应最小外接圆心需要移动的平均距离，如果平均距离大于其收敛条件，则将传感器位置移动至对应最小外接圆心，并转至步骤三；否则输出传感器位置、半径以及区域的划分。本发明专利技术能够对非均匀监测区域进行无线传感网络部署；在进行传感器部署过程中，能够保证每个传感器都不超载。

【技术实现步骤摘要】
面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法
本专利技术涉及传感器的自动部署方法，尤其涉及一种面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络具有众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象，并且每个传感器能够监测的区域或者处理的信息量都有一个上限，称为最大负载。无线传感器网络作为一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，并被广泛地应用于环境监测和保护、医疗护理、军事领域以及工业监测等。在无线传感器网络中，为了能够实现对监测目标的有效监测，一般要求监测目标的每个位置至少在一个传感器的监测范围内。无线传感器中的覆盖问题包括三类：面积覆盖、点覆盖以及障碍覆盖，其中面积覆盖应用最为广泛。面积覆盖又可分为两类：一次覆盖，即监测区域的每个位置能够至少被一个传感器监测到；多次覆盖，即监测区域的每个位置能够至少被两个或以上传感器监测到。在本专利技术中，我们主要研究一次覆盖，以下均称为覆盖。对于整个监测区域，我们称之为非均匀感知区域(PrioritizedSensingField)，每个位置上产生监测信息或者发生事件的概率是不完全相同的。在本专利技术中，我们将产生监测信息或者发生事件的概率用密度函数ρ表示。目前已经有很多针对面积覆盖问题，人们已经提出了很多方法。比如：对于给定的监测区域，为了使覆盖面积达到最大，并且使用尽可能少的传感器，JingLi和Hai-pingHuang基于带边界的Voronoi图，提出了OCDSN(Optimalcoverageindirectionalsensornetworks)(J.Li,R.-c.Wang,H.-p.Huang,andL.-j.Sun,“Voronoibasedareacoverageoptimizationfordirectionalsensornetworks,”InternationalSymposiuminElectronicCommerceandSecurity,vol.1,2009,pp.488–493，“基于Voronoi图的有向传感器网络覆盖优化”，电子商务与安全国际学术研讨会，2009，488-493)。在这种方法中，每个传感器都有一个可以调整的角度，即方向，可以通过调整传感器的方向来增大覆盖的面积。为了能够增加无线传感器网络的可靠性，S.Poduri和G.S.Sukhatme提出了一种带限制的覆盖问题，即每个传感器至少有k(事先设定)个相邻的节点(S.PoduriandG.S.Sukhatme,“Constrainedcoverageformobilesensornetworks”，IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,2004,vol.1,pp.165–171，“移动传感器网络的限制覆盖”，机器人与自动化国际会议，2004，165-171)。这种方法能够保证95％的传感器都有至少k个邻居，一定程度上增大了无线传感器网络的可靠性和稳定性。但是上述两种方法都存在两个缺点：1)假设在监测区域中，每个位置上事件发生的概率是完全相同的，但是这在实际应用中不合理。2)假设每个传感器的负载是无穷大，没有考虑到传感器超载以及可能给网络造成的损害。针对上面第一种缺点，给定监测区域，事件发生的概率以及传感器的数目和监测半径，Mahboubi基于multiplicativelyweightedVoronoidiagram，通过将传感器的位置逐渐向密度大的区域移动，以此来达到增大监测事件的概率(H.Mahboubi，J.Habibi，A.AghdamandK.Sayrafian-Pour，“Distributeddeploymentstrategiesforimprovedcoverageinanetworkofmobilesensorswithprioritizedsensingfield”，IEEETransactionsonIndustrialInformatics2013，vol.9，451-461，基于覆盖优先级的无线移动传感器部署算法，工业信息，IEEE，451-461)。这种方法认为监测区域中每个位置事件发生的概率是不同的，得到的最终部署结果中事件发生概率高的地方，传感器的分布相对密集，反之则传感器分布稀疏。然而这种方法事先设定了每个传感器的半径，在其半径范围之内的区域都要进行监测，没有考虑传感器是否超载。JorgeCortés基于additivelyweightedVoronoipartitions提出了一种Jacobi迭代算法(J.Cortes,“Coverageoptimizationandspatialloadbalancingbyroboticsensornetworks”，IEEETransactionsonAutomaticControl，vol.55，no.3，pp.749–754，2010，机器传感器网络的覆盖优化以及负载平衡，自动控制，2010，749-754)。这种方法需要输入每个传感器的负载，在算法迭代过程中能够保证所有传感器的负载都等于输入的负载值，并且所有传感器都不超载。但是这种方法存在另外一个缺点：3)需要每个传感器的负载作为输入，而且要求所有传感器负载之和等于密度函数在监测区域上的积分，所以在对传感器进行部署之前，要对传感器进行人工的负载分配，非常不灵活。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术公开了面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法，本专利技术能够根据监测区域事件发生概率来进行无线传感器网络部署的方法。本专利技术具有感知非均匀监测区域事件密度，并保证每个传感器都不超出最大负载，快速响应以及传感器的自动部署等特点。本技术方案所述传感器均指无线传感器。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法，包括以下步骤：步骤一：根据给定监测区域，传感器数目及传感器最大负载，随机生成传感器初始位置；步骤二：移动传感器的位置至其相对应支配区域的最小外接圆心直至收敛；步骤三：根据传感器的负载限制以及传感器的当前负载，设定传感器的负载要求，为每个传感器分配负载；步骤四：优化每个传感器的权重，找到满足步骤三中设定的负载要求的划分；步骤五：判断将所有传感器当前位置移动至其对应最小外接圆心需要移动的平均距离，如果平均距离大于其收敛条件，则将传感器位置移动至对应最小外接圆心，并转至步骤三；否则输出传感器位置、半径以及区域的划分。所述步骤一中的传感器初始位置集合为其中n为大于1的整数，监测区域为Ω，区域Ω上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：根据给定监测区域，传感器数目及传感器最大负载，随机生成传感器初始位置；步骤二：移动传感器的位置至其相对应支配区域的最小外接圆心直至收敛；步骤三：根据传感器的负载限制以及传感器的当前负载，设定传感器的负载要求，为每个传感器分配负载；步骤四：优化每个传感器的权重，找到满足步骤三中设定的负载要求的划分；步骤五：判断将所有传感器当前位置移动至其对应最小外接圆心需要移动的平均距离，如果平均距离大于其收敛条件，则将传感器位置移动至对应最小外接圆心，并转至步骤三；否则输出传感器位置、半径以及区域的划分。

【技术特征摘要】
1.面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：根据给定监测区域，传感器数目及传感器最大负载，随机生成传感器初始位置；步骤二：移动传感器的位置至其相对应支配区域的最小外接圆心直至收敛；步骤三：根据传感器的负载限制以及传感器的当前负载，设定传感器的负载要求，为每个传感器分配负载；步骤四：优化每个传感器的权重，找到满足步骤三中设定的负载要求的划分；步骤五：判断将所有传感器当前位置移动至其对应最小外接圆心需要移动的平均距离，如果平均距离大于其收敛条件，则将传感器位置移动至对应最小外接圆心，并转至步骤三；否则输出传感器位置、半径以及区域的划分；所述步骤二中的具体步骤为：21)将每个传感器pi的权重ωi设置为0，并构造出传感器位置的能量图；22)计算出每个传感器pi的支配区域Ωi；23)计算出每个传感器pi所支配区域Ωi的最小外接圆Oi的圆心为ci，半径为ri；24)计算出将每个传感器移动至对应最小外接圆心移动的距离如果将每个传感器位置pi移动至对应最小外接圆心ci；否则输出传感器位置以及能量图划分σ是阈值；所述步骤三的具体步骤为：31)对于每个传感器pi，计算密度函数ρ(x)在其对应支配区域Ωi上的积分，作为其负载Ci，即：ρ(x)表示在监测区域上发生事件的概率，x监测区域上的任意一个点；32)将所有传感器的负载按照降序进行排列，然后每次选取队首和队尾的两个传感器进行处理，两个传感器的负载分别设为Cmax和Cmin，临时变量为Ct，如果Cmax≥C0，设定C'max＝C0，Ct+＝Cmax-C0；如果Cmin+Ct≥C0，设定C'min＝C0，Ct＝Cmin+Ct-C0，否则设定C'min+＝Ct，Ct＝0，输出所有传感器的负载限制C'max和C'min表示为每次选出的两个传感器设定的负载优化目标；所述步骤四的具体步骤为：41)目标函数为对于一个给定的划分，目标函数是权重集合的函数，W表示传感器权重集合，即x表示积分变量；42)利用牛顿法极小化目标函数；n为大于1的整数。2.如权利要求1所述的面向非均匀感知区域的无线传感器网络自动部署方法，其特征是，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琳，梁广会，杨承磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37