一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置方法和裝置的製作方法
2023-08-04 21:39:51 1
專利名稱：一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器網絡，具體涉及一種無線傳感器網絡中傳感器節點的 配置方法和裝置。
背景技術：
無線傳感器網絡是一種特殊的無線自組網，在這種網絡中，所有的(或 者大多數)無線設備都具有很小的傳感器，這些傳感器自身只有有限的處理 和通訊能力，通過傳感器節點進行監測，將採集數據送往基站處理的技術可 觀測包括交通，天氣，地震活動，戰場上的軍隊移動，建築和橋梁承受的壓 力等許多事情。
無線傳感器網絡中的覆蓋問題主要分為最小化傳感器放置位置可控目標 區域所需傳感器數目和最小化傳感器放置位置非可控目標區域所需傳感器數 目，本發明針對的是最小化傳感器放置位置可控目標區域所需傳感器數目的 無線傳感器網絡中的覆蓋問題。
目前在最小化傳感器放置位置可控目標區域所需傳感器數目的無線傳感 器網絡中傳感器節點的配置主要有最大化平均覆蓋和改善最弱覆蓋區域等方 法，它們都沒有考慮傳感器探測角度和探測距離受限性，並且未考慮冗餘覆 蓋，容易造成某一區域被多個傳感器節點覆蓋的問題，從而導致加重網路通 信負擔，浪費節點能量和縮短網路壽命等情況，同時它們都是基於二維平面 網絡設計的，並沒有考慮傳感器的放置高度，不能有效的優化網絡傳感器數 目
發明內容
本發明實施例提供了一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置方法和裝 置，解決了傳感器節點冗餘覆蓋問題，有效的減少了網絡中傳感器節點的數 目並節省了節點能量。
本發明實施例提供了一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置方法，包
括，
將無線傳感器網絡劃分柵格；
確定所述柵格包含的柵格點上的目標被柵格點上的傳感器發現概率或傳
感器未發現概率；
根據所述傳感器發現概率及預定的傳感器發現概率門限，或根據所述傳 感器未發現概率及預定的傳感器未發現概率門限，確定傳感器在柵格上的最 優位置。
本發明實施例提供了一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置裝置，包
括，
柵格劃分模塊，用於將無線傳感器網絡劃分柵格；
概率確定模塊，用於確定柵格劃分模塊劃分的柵格包含的柵格點上的目 標被柵格點上的傳感器發現概率或傳感器未發現概率；
位置確定模塊，用於根據概率確定模塊得到的傳感器發現概率及預定的 傳感器發現概率門限，或根據得到的傳感器未發現概率及預定的傳感器未發 現概率門限，確定傳感器在柵格上的最優位置。
本發明實施例考慮了傳感器探測角度和探測距離受限性，從而解決了傳 感器節點冗餘覆蓋問題，有效的減少了網絡中傳感器節點的數目並節省了節 點能量。
圖l為本發明實施例提供的一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置的 裝置結構示意圖2為本發明實施例所述的位置確定模塊3的結構示意圖；圖3為本發明實施例所述的具體實施方式
一的方法流程圖； 圖4為本發明實施例所述的具體實施方式
一中步驟A6的具體方法流程
圖5為本發明實施例所述的具體實施方式
一中歩驟A7的具體方法流程
圖6為本發明實施例所述的具體實施方式
二的方法流程圖； 圖7為本發明實施例所述的具體實施方式
二中步驟B6的具體方法流程圖。
具體實施例方式
本發明實施例提供了一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置方案，首 先，將無線傳感器網絡劃分柵格，然後，確定所述柵格包含的柵格點上的目 標被柵格點上的傳感器發現概率或傳感器未發現概率，最後，根據所述傳感 器發現概率及預定的傳感器發現概率門限，或根據所述傳感器未發現概率及 預定的傳感器未發現概率門限，確定傳感器在柵格上的最優位置。
下面是本方案的具體實施例
具體實施例一、本發明實施例提供的一種無線傳感器網絡中傳感器節點 的配置方案，如圖3所示，具體步驟為-
步驟A1、將無線傳感器網絡劃分為n行n列的柵格，其中n為正整數，得 到A^wxw個柵格點；
步驟A2、確定柵格點上j的目標被柵格點i上的傳感器發現概率Py或傳
感器未發現概率，7 ，所述傳感器發現概率P ,具體為
柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍外或受障礙物阻擋 時，& = 0;
柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍內且不受障礙物阻擋formula see original document page 9
其中《'為探測敏感度衰減因子；
formula see original document page 9
為完全影響半徑，在柵格點i上的傳感器一定能發現r,內的目標；r2為無影 響半徑，在柵格點i上的傳感器不能發現&外的目標，其中q 、 r,和"'均可 由實際傳感器得到。現有技術是上式中特殊情況當^ 二0且&=0)，視角範圍 為2;r的情形，即並沒有考慮傳感器探測角度和探測距離受限性； 所述傳感器未發現概率具體為W; =1-/^ 。
步驟A3、根據所述傳感器未發現概率氣7得到柵格點_|上的目標被柵格點 i上的傳感器未發現的概率矩陣M^ ，所述未發現的概率矩陣My具體為
1,附W2，…，附
步驟A4、判斷N是否小於預定值，所述預定值由最小化傳感器放置位置 可控目標區域的大小確定， 一般選取N400，若是，則執行步驟A5，若否， 則執行步驟A6。
步驟A5、通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條件
為
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傳繊燈在柵格點i上
傳^i不方ite在柵格點i上，~ = ln ，^Cin(1)為預定
傳感器未發現概率門限，它是根據探測需求設置的。
步驟A6、依次增加一個傳感器到柵格點i上，通過依次確定得到有效覆蓋性能改變最大的柵格點i上的傳感器，直到與預定的傳感器未發現概率門限 風^(i)比較後滿足覆蓋要求或己配置的傳感器數目達到能配置的傳感器的數 目為止，從而確定傳感器在柵格上的最優位置，所述覆蓋要求和能配置的傳 感器的數目均是根據探測需求確定的；如圖4所示，具體過程為
步驟A61、令矩陣My t初始值為全l的n行n列矩陣；
步驟A62、在柵格點i上增加一個傳感器，判斷M,/與附,;相乘後是否大
於預定的傳感器未發現概率門限^4in(i)，若是，則執行步驟A63，若否，則 執行歩驟A64;
步驟A63，確定有效覆蓋性能改變最大的柵格點i上的傳感器，並將傳感 器放置在柵格點i上，並重複步驟A62;
步驟A64、確定當前柵格點上的傳感器滿足覆蓋要求或已配置的傳感器 數目達到能配置的傳感器的數目，完成了無線傳感器網絡中傳感器節點的配 置。
步驟A7、所述的傳感器在柵格上的最優位置上的高度由最佳探測高度和 障礙物高度確定，如圖5所示，具體確定高度的過程為
步驟A71、判斷障礙物高度是否大於等於最佳探測高度，若是，則執行 步驟A72，若否，則執行步驟A73，其中最佳探測高度和障礙物高度均可由 實際無線傳感器網絡確定；
步驟A72、令傳感器的高度等於最佳探測高度；
步驟A73、令傳感器的高度等於障礙物高度。
具體實施例二、本發明實施例提供的一種無線傳感器網絡中傳感器節點 的配置方案，如圖6所示，具體步驟為-
步驟B1、將無線傳感器網絡劃分為n行n列的柵格，其中n為正整數，得 到A^wxw個柵格點；
步驟B2、確定柵格點上j的目標被柵格點i上的傳感器發現概率/^或傳感器未發現概率，v ，所述傳感器發現概率具體為
柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍外或受障礙物阻擋 時，= 0 ;
柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍內且不受障礙物阻擋
時，P
1
exp[-"'(d,j-iO] r,d^&，其中"為探測敏感度衰減因子；r為 0
完全影響半徑，在柵格點i上的傳感器一定能發現r,內的目標；r2為無影響 半徑，在柵格點i上的傳感器不能發現r,外的目標，其中r,、 q和"'均可由 實際傳感器得到。現有技術是上式中特殊情況當r,O且r,-oo，視角範圍為 2;r的情形，即並沒有考慮傳感器探測角度和探測距離受限性。
步驟B3、根據所述傳感器發現概率P ,7得到柵格點j上的目標被柵格點i 上的傳感器發現的概率矩陣A,'，所述發現的概率矩陣i^ '具體為
formula see original document page 11
步驟B4、判斷N是否小於預定值，所述預定值由最小化傳感器放置位置 可控目標區域的大小確定， 一般選取N400，若是，則執行步驟B5，若否， 則執行步驟B6。
步驟B5、通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條件
為:
formula see original document page 11
，其中formula see original document page 12傳繊燈在柵格點i上
''—t0傳i^不方iS在柵格點i上，&=111^/， M,(/)為預定的傳
感器發現概率門限，它是根據探測需求設置的。
步驟B6、依次增加一個傳感器到柵格點i上，通過依次確定得到有效覆 蓋性能改變最大的柵格點i上的傳感器，直到與預定的預定的傳感器發現概率 門限比較後滿足覆蓋要求或己配置的傳感器數目達到能配置的傳感器的數目 為止，從而確定傳感器在柵格上的最優位置，所述覆蓋要求和能配置的傳感 器的數目均是根據探測需求確定的；如圖7所示，具體過程為
步驟B61 、令矩陣*初始值為全1的n行n列矩陣；
步驟B62、在柵格點i上增加一個傳感器，判斷《，與^相乘後是否小於
預定的傳感器發現概率門限屍max(O，若是，則執行步驟B63，若否，則執行 步驟B64;
歩驟B63，確定當前柵格點上的傳感器滿足覆蓋要求或已配置的傳感器 數目達到能配置的傳感器的數目，完成了無線傳感器網絡中傳感器節點的配 置；
步驟B64、確定有效覆蓋性能改變最大的柵格點i上的傳感器，並將傳感 器放置在柵格點i上，並重複步驟B62。
步驟A7、所述的傳感器在柵格上的最優位置上的高度由最佳探測高度和 障礙物高度確定，如圖7所示，具體確定高度的過程為
步驟A71、判斷障礙物高度是否大於等於最佳探測高度，若是，則執行 步驟A72，若否，則執行步驟A73，其中最佳探測高度和障礙物高度均可由 實際無線傳感器網絡確定；
步驟A72、令傳感器的高度等於最佳探測高度；
步驟A73、令傳感器的高度等於障礙物高度。
本發明實施例還提供了一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置裝置，如圖1所示，包括，
柵格劃分模塊l，用於將無線傳感器網絡劃分柵格；
概率確定模塊2，用於確定柵格劃分模塊l劃分的柵格包含的柵格點上的
目標被柵格點上的傳感器發現概率或傳感器未發現概率；
位置確定模塊3，用於根據概率確定模塊2得到的傳感器發現概率及預定 的傳感器發現概率門限，或根據得到的傳感器未發現概率及預定的傳感器未 發現概率門限，確定傳感器在柵格上的最優位置。
在上述裝置中，所述的柵格點j上的目標被柵格點i上的傳感器發現的概
率^具體可以為，其中i和j均是小於等於柵格點數的正整數
柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍外或受障礙物阻擋
時，^=0;
柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍內且不受障礙物阻擋
時，P
1
eXp[- '(dy-ri)] r,d,^r2，其中a'為探測敏感度衰減因子； 0 "2
為完全影響半徑，在柵格點i上的傳感器一定能發現^內的目標；r,為無影 響半徑，在柵格點i上的傳感器不能發現^外的目標； 所述傳感器未發現概率W7 =l-^v 。
在上述裝置中，所述位置確定模塊3，如圖2所示，可以包括， 判斷模塊31，用於判斷N是否小於預定值，所述預定值由最小化傳感器
放置位置可控目標區域的大小確定， 一般選取N400，若是，則送入全局最
優確定模塊；若否，則送入配置最優確定模塊；
全局最優確定模塊32，用於通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優
置具體用於根據根據所述傳感器發現概率&和預定的傳感器發現概率門 限屍，(O通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條件為.-formula see original document page 14，其中
Z頭+ 、W +義論W +…+ ^AW ^ h屍max(W I — Jl 傳繊方燈在柵格點i上
''—1。傳繊不方燈在柵格點i上，& =ln & ; 或者具體用於根據所述傳感器未發現概率氣和預定的傳感器未發現概率
門限M^(/)通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條件 為
4 +I2/21+X3/31十…+X厶klnM』) : ，其中
卩 傳繊方燈在柵格點i上
[0 傳繊不方爐在柵格點i上，"
配置最優確定模塊33，用於依次增加一個傳感器到柵格點i上，通過依次 確定得到有效覆蓋性能改變最大的柵格點i上的傳感器，直到與預定的傳感器
發現概率門限P,0')或預定的傳感器未發現概率門限^Hrfn(0比較後滿足覆 蓋要求或己配置的傳感器數目達到能配置的傳感器的數目為止，從而確定傳 感器在柵格上的最優位置。
在上述裝置中，還可以包括，
高度確定模塊，用於根據最佳探測高度和障礙物高度確定所述的傳感器 在最優位置上的高度。
本發明實施例所述的方案和裝置中，在確定柵格點上的目標被柵格點上 的傳感器發現概率或傳感器未發現概率都考慮了傳感器探測角度和探測距離 的受限性，從而解決了傳感器節點的冗餘覆蓋問題，有效的減少了網絡中傳感器節點的數目，並節省了節點能量。同時現有技術都是基於二維平面網絡 設計的，並沒有考慮傳感器的放置高度，本發明實施例根據最佳探測高度和 障礙物高度確定了傳感器的高度，從而有效的優化了無線傳感器網絡中傳感 器節點的配置。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不 局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可 輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明 的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1、一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置方法，其特徵在於，包括，將無線傳感器網絡劃分柵格；確定所述柵格包含的柵格點上的目標被柵格點上的傳感器發現概率或傳感器未發現概率；根據所述傳感器發現概率及預定的傳感器發現概率門限，或根據所述傳感器未發現概率及預定的傳感器未發現概率門限，確定傳感器在柵格上的最優位置。
2、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述的柵格點j上的目標被 柵格點i上的傳感器發現的概率P^具體為，其中i和j均是小於等於柵格點總 數N的正整數柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍外或受障礙物阻擋時，^=0;柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍內且不受障礙物阻擋formula see original document page 2，其中為探測敏感度衰減因子； 0 d1J>r2為完全影響半徑，在柵格點i上的傳感器一定能發現r,內的目標；r2為無影 響半徑，在柵格點i上的傳感器不能發現^外的目標；所述傳感器未發現概率具體為wv =1-;^ 。
3、根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述的確定傳感器在柵格 上的最優位置的具體過程為判斷N是否小於預定值，所述預定值由最小化傳感器放置位置可控目標區域的大小確定，若是，則根據所述傳感器發現概率&和預定的傳感器發現概率門限 通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條件為formula see original document page 3其中Z必w +^2jv +." + ^柳^ WI — 丁l 傳繊方燈在柵格點i上—1。
傳^ 方爐在柵格點i上，& = ; 或者根據所述傳感器未發現概率"/和預定的傳感器未發現概率門限^4in(0通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條件為formula see original document page 3其中;w +++…+ ^V柳^ lnMmin(A0「1 傳感器放置在柵格點i上'—lo 傳感器不放置在柵格點i上，~ = ln ；若否，則依次增加一個傳感器到柵格點i上，通過依次確定得到有效覆蓋 性能改變最大的柵格點i上的傳感器，直到與預定的傳感器發現概率門限Smx(O或預定的傳感器未發現概率門限^^in(0比較後滿足覆蓋要求或已配置的傳感器數目達到能配置的傳感器的數目為止，從而確定傳感器在柵格上 的最優位置。
4、 根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述的傳感器在柵格上的最優位置上的高度由最佳探測高度和障礙物高度確定。
5、 一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置裝置，其特徵在於，包括，柵格劃分模塊，用於將無線傳感器網絡劃分柵格；概率確定模塊，用於確定柵格劃分模塊劃分的柵格包含的柵格點上的目標被柵格點上的傳感器發現概率或傳感器未發現概率；位置確定模塊，用於根據概率確定模塊得到的傳感器發現概率及預定的 傳感器發現概率門限，或根據得到的傳感器未發現概率及預定的傳感器未發 現概率門限，確定傳感器在柵格上的最優位置。
6、根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述的柵格點j上的目標被 柵格點i上的傳感器發現的概率^具體為，其中i和j均是小於等於柵格點總數 N的正整數柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍外或受障礙物阻擋時，C = o ;柵格點j上的目標在柵格點i上的傳感器的視角範圍內且不受障礙物阻擋時，p1formula see original document page 4其中為探測敏感度衰減因子； q為完全影響半徑，在柵格點i上的傳感器一定能發現r,內的目標；r2為無 影響半徑，在柵格點i上的傳感器不能發現^外的目標； 所述傳感器未發現概率具體為/^ =1-A,。
7、根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述位置確定模塊包括， 判斷模塊，用於判斷N是否小於預定值，所述預定值由最小化傳感器放 置位置可控目標區域的大小確定，若是，則送入全局最優確定模塊；若 否，則送入配置最優確定模塊；全局最優確定模塊，用於通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優置 具體用於根據所述傳感器發現概率&及預定的傳感器發現概率門限Pmax(O通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條件為formula see original document page 5，其中J 一 {I 傳繊放置在柵格點i上''—lo傳繊不方iffi在柵格點i上，& = lnA ; 或者具體用於根據所述傳感器未發現概率"y及預定的傳感器未發現概率門限^4rin0')通過約束條件確定傳感器在柵格上的最優位置，其中約束條 件為'X/u +X2/21+Z3/31 2認』 < X/12 +4 +X3/32 》lnK2)… ，其中formula see original document page 51 傳繊方燈在柵格點i上 0 傳繊不方燈在柵格點i上，4=1謂"配置最優確定模塊，用於依次增加一個傳感器到柵格點i上，通過依次確 定得到有效覆蓋性能改變最大的柵格點i上的傳感器，直到與預定的傳感器發現概率門限Pmax 或預定的傳感器未發現概率門限Mmin(0比較後滿足覆蓋要求或已配置的傳感器數目達到能配置的傳感器的數目為止，從而確定傳感器在柵格上的最優位置。
8、根據權利要求5至7中任一項所述的裝置，其特徵在於，還包括， 高度確定模塊，用於根據最佳探測高度和障礙物高度確定所述的傳感器在最優位置上的高度。
全文摘要
一種無線傳感器網絡中傳感器節點的配置方法和裝置，它的具體方案為首先，將無線傳感器網絡劃分柵格，然後，確定所述柵格包含的柵格點上的目標被柵格點上的傳感器發現概率或傳感器未發現概率，最後，根據所述傳感器發現概率及預定的傳感器發現概率門限，或根據所述傳感器未發現概率及預定的傳感器未發現概率門限，確定傳感器在柵格上的最優位置。它考慮了傳感器探測角度和探測距離受限性，從而解決了冗餘覆蓋問題，有效的減少了網絡中傳感器節點的數目並節省了節點能量。
文檔編號H04W16/00GK101541015SQ20091008303
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月27日 優先權日2009年4月27日
發明者屈玉貴, 藺智挺, 趙保華, 磊 陳 申請人:安徽漢高電子科技有限公司;中國科學技術大學