專利名稱：基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別是一種基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法及裝置。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的熱點(diǎn)技術(shù)，近年來受到產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通?？砂∕個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)及N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，M、N分別為正整數(shù)，M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)間、N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)間以及M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)與N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)間通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接。
傳感器網(wǎng)絡(luò)布局是傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性問題，它將直接影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和生命周期。但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常工作在未知的、復(fù)雜的甚至是敵對(duì)的環(huán)境，其布局幾乎不可能手工完成，因此，合適的傳感器網(wǎng)絡(luò)布局方法對(duì)保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作相當(dāng)重要。
當(dāng)前，用于優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)布局的典型策略主要有基于虛擬力的方法和基于力場(chǎng)的方法等，這些方法可參考如下文獻(xiàn)K.I.Chakrabarty，S.S.；Hairong Qi；Eungchun Cho，Grid coverage forsurveillance and target location in distributed sensor networks，IEEE Transactions onComputers，vol.51，Pages1448-1453，Dec.2002.
M.J.M.A.Howard，and G.S.Sukhatme，Mobile Sensor Network Deploymentusing Potential FieldsA Distributed，Scalable Solution to the Area CoverageProblem，Proceedings of the 6th International Symposium on DistributedAutonomous Robotics Systems(DARS02)，Pagespages 299-308，F(xiàn)ukuoka，Japan，2002.
K.C.，Yi Zou，Sensor deployment and target localization in distributed sensornetworks，ACM Transactions on Embedded Computing Systems(TECS)，vol.3，Issue 1，Pages61-91 February 2004.)。
上述這些方法的主要思路為傳感器是系統(tǒng)中唯一的“施力者”和“受力者”，每個(gè)傳感器均可對(duì)周邊傳感器施加虛擬引力或斥力，力的大小和方向與兩個(gè)傳感器的間距直接相關(guān)；某個(gè)傳感器可以計(jì)算自身受到的所有虛擬引力和斥力，這些力的矢量和即為該傳感器所受到的虛擬合力。根據(jù)該合力的大小，傳感器將向受力方向進(jìn)行移動(dòng)相應(yīng)的距離，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的停止條件為止。當(dāng)所有傳感器均停止移動(dòng)時(shí)，可認(rèn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)的布局已經(jīng)完成。
這些方法取得了一定的效果，但就目前的研究進(jìn)展而言，還沒有一種布局方法綜合考慮了待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域的位置對(duì)傳感器布局的影響。這一明顯的不足極大的局限了這些方法的應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法及裝置，以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的有效布局。
本發(fā)明的基于虛擬力的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法的主要思想如下傳感器網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境中的各類對(duì)象(包括待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域和節(jié)點(diǎn)自身)均可對(duì)周邊傳感器施加大小不等的引力或斥力，力的大小和方向與該對(duì)象的重要程度以及傳感器到該對(duì)象的距離等因素相關(guān)，且傳感器是唯一的“受力者”。根據(jù)本發(fā)明中提出的虛擬力計(jì)算公式F1，可計(jì)算出每個(gè)對(duì)象施加于某個(gè)傳感器的作用力大小，這些力的矢量和即為該傳感器所受到的虛擬合力。根據(jù)該合力的大小，各傳感器可按移動(dòng)距離計(jì)算公式F3算出自身的移動(dòng)方向和距離，并做相應(yīng)移動(dòng)，直至達(dá)到受力平衡或可移動(dòng)距離的上限。當(dāng)所有傳感器均停止移動(dòng)時(shí)，可認(rèn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)布局已完成。
本發(fā)明的基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法，其步驟如下1)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)利用定位傳感單元測(cè)定自身坐標(biāo)，并利用測(cè)向傳感單元測(cè)定自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與自身的連線和正北方向的夾角，并利用測(cè)距傳感單元測(cè)定自身到自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的間距，并根據(jù)平面幾何原理算出自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；2)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)第1)步獲取的自身坐標(biāo)及待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，按照預(yù)先設(shè)定的虛擬力計(jì)算公式F1，計(jì)算自身受到的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域和其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的虛擬力，并進(jìn)一步根據(jù)虛擬力合力計(jì)算公式F2計(jì)算自身受到的合力；其中虛擬力計(jì)算公式F1由如下F1-1、F1-2、F1-3、F1-4四個(gè)子公式構(gòu)成Fij→=0ifCth<dij(WAss×(dij-Dth)β1,αij)ifDth≤dij≤Cth(WRss×(dij-β2-Dth-β2),αij+π)ifdij<Dth---(F1-1)]]>
公式F1-1用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)j對(duì)節(jié)點(diǎn)i的虛擬作用力 式中，dij表示節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i間的直線距離；門限D(zhuǎn)th表示預(yù)先設(shè)定的節(jié)點(diǎn)的平均間距；Cth是節(jié)點(diǎn)間的通信距離，由節(jié)點(diǎn)使用的無線通信單元的物理特性決定；αij為節(jié)點(diǎn)i指向節(jié)點(diǎn)j的有向線段與正北方向的夾角，用于表示虛擬力方向；WAss和WRss表示節(jié)點(diǎn)之間的虛擬吸引力系數(shù)和虛擬排斥力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量；β1，β2是與所使用傳感器類型相對(duì)應(yīng)的常量，對(duì)于電磁型傳感器，β1，β2均為2；Fsitj→=0ifdij≥r+re(WAst×TRankj×dij-β,αij)if r-re<dij<r+re0ifdij≤r-re---F1-2]]>公式F1-2用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和待探測(cè)目標(biāo)j間的虛擬作用力 當(dāng)目標(biāo)j進(jìn)入傳感器i的探測(cè)范圍后，即對(duì)傳感器i產(chǎn)生吸引力，促使傳感器靠近目標(biāo)；隨著傳感器不斷逼近目標(biāo)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行更為有效的跟蹤和識(shí)別。式中，WAst是節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)之間的虛擬吸引力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量；β是一個(gè)表示距離與力關(guān)系的正常數(shù)，TRankj是根據(jù)應(yīng)用情況設(shè)定的正常數(shù)，表示目標(biāo)重要等級(jí)，越重要的目標(biāo)的TRankj值應(yīng)該越大，它將對(duì)傳感器有越大的吸引力，從而吸引更多的傳感器靠近重要目標(biāo)，改善傳感器對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的跟蹤效果；其它參量的含義同上；Fsihj→=(WAsh′×HRankj,αij)if r+re≤dij-HRangej<Dmax(WAsh×HRankj×(dij-HRangej)β,αij)if r-re<dij-HRangej<r-re0if dij-HRangej≤r-re---F1-3]]>熱點(diǎn)區(qū)域是預(yù)先設(shè)定的重要待觀測(cè)區(qū)域，在該區(qū)域及其鄰近區(qū)域，傳感器應(yīng)相對(duì)密集，熱點(diǎn)區(qū)域?qū)鞲衅髦饕w現(xiàn)吸引力；公式F1-3用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域j間的虛擬作用力 式中，HRangej是熱點(diǎn)區(qū)域j的范圍半徑；HRankj是正常數(shù)，表示熱點(diǎn)區(qū)域j的重要等級(jí)；Dmax是根據(jù)具體應(yīng)用情況預(yù)先設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的最大距離；WAsh表示當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域在傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)與熱點(diǎn)區(qū)域之間的虛擬力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量；WAsh′表示當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域不在傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)與熱點(diǎn)區(qū)域之間的虛擬力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量；其它參量的含義同上；Fsioj→=0if dij-ORangej≥Dth/2(WRso×ORankj×1(dij-ORangej)β,αij+π)if dij-ORangej<Dth/2---F1-4]]>
公式F1-4用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和障礙地形j間的虛擬作用力 排布傳感器時(shí)應(yīng)避開障礙地形，但又不可相距太遠(yuǎn)以至于造成環(huán)繞障礙地形的探測(cè)盲區(qū)。因此，本發(fā)明設(shè)定當(dāng)傳感器和障礙物的距離小于Dth/2時(shí)，障礙物對(duì)傳感器的作用力始終為斥力；當(dāng)傳感器和障礙地形的距離大于Dth/2時(shí)，斥力消失，從而保證傳感器既有效回避障礙物，又不至于造成探測(cè)盲區(qū)。F1-4式中，ORangej是障礙地形j的范圍半徑；ORankj為障礙地形j的規(guī)避等級(jí)；WRso為一常量，表示傳感器節(jié)點(diǎn)與障礙地形之間的虛擬排斥力系數(shù)；其它參量含義同上；虛擬力合力計(jì)算公式F2為Fi→=ω1×ΣFij→+ω2×ΣFsitj→+ω3×ΣFsihj→+ω4×ΣFsioj→---F2]]>式中，ω1、ω2、ω3、ω4是與應(yīng)用相關(guān)的預(yù)先設(shè)定的系數(shù)。
在應(yīng)用過程中，系數(shù)ω1、ω2、ω3、ω4可以按需調(diào)節(jié)，例如在傳感器初始分布散亂的情況下，為盡快達(dá)到滿意的覆蓋效果，可增大傳感器間作用力的影響系數(shù)ω1；若該傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是有效監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)，可增大目標(biāo)的影響系數(shù)ω2；為了使熱點(diǎn)區(qū)域獲得足夠密集覆蓋，可增大熱點(diǎn)區(qū)域的影響系數(shù)ω3；若地形環(huán)境復(fù)雜，存在大量障礙物時(shí)，可增大障礙物的影響系數(shù)ω4，使得傳感器能夠有效規(guī)避障礙物。
3)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)判斷自身所受合力是否小于預(yù)先設(shè)定的合力門限，若是，則該移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)；若否，則該移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)移動(dòng)距離計(jì)算公式F3計(jì)算該步驟中自身的移動(dòng)方向和距離Dcurrent，移動(dòng)至新位置后，將該步驟中自身移動(dòng)距離Dcurrent與傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory相加，若此時(shí)該傳感器節(jié)點(diǎn)的累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory小于預(yù)設(shè)的移動(dòng)距離上限D(zhuǎn)limit，則重復(fù)執(zhí)行第1)-3)步；若累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory大于或等于移動(dòng)距離上限D(zhuǎn)limit，則該傳感器停止移動(dòng)，且不再重復(fù)執(zhí)行第1)-3)步，待所有傳感器節(jié)點(diǎn)均停止移動(dòng)后，則布局完成，其中所說的移動(dòng)距離計(jì)算公式F3，由F3-1、F3-2兩個(gè)子公式構(gòu)成xnew=xoldif|Fxy→|≤Fthxold+FxFxy×MaxStep×e-1Fxvif|Fxy→|>Fth---F3-1]]>ynew=yoldif|Fxy→|≤Fthyold+FyFxy×MaxStep×e-1Fxyif|Fxy→|>Fth---F3-2]]>式中，F(xiàn)xy是傳感器節(jié)點(diǎn)所受合力，F(xiàn)x，F(xiàn)y分別是x，y方向所受分力，xnew，ynew分別表示傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后的新位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；MaxStep是傳感器節(jié)點(diǎn)的單步移動(dòng)距離上限，是一個(gè)預(yù)設(shè)的常量；Fth是預(yù)設(shè)的合力門限，當(dāng)某個(gè)傳感器所受合力小于預(yù)設(shè)門限Fth時(shí)，則可認(rèn)為它已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該節(jié)點(diǎn)不需再移動(dòng)。當(dāng)所有傳感器節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這樣可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)迅速穩(wěn)定，同時(shí)可減少傳感器的能量消耗。
上述方法第2)步中，門限D(zhuǎn)th的取值范圍可根據(jù)需求確定，用于控制節(jié)點(diǎn)密度，當(dāng)Dth取值較大時(shí)，傳感器較為稀疏，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的探測(cè)范圍大，但效果相對(duì)較差；當(dāng)Dth取值較小時(shí)，傳感器較為密集，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的探測(cè)范圍小，但效果相對(duì)較好。通常Dth取值范圍為r～2r，其中r為傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)范圍的半徑。
采用上述移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法的裝置，包括M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)及N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，M、N分別為正整數(shù)，M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)之間、N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間以及M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)與N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接，每個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括中央處理器、存儲(chǔ)器、測(cè)距傳感單元、測(cè)向傳感單元、定位傳感單元、無線通信單元、移動(dòng)單元、電源和目標(biāo)探測(cè)單元，測(cè)距傳感單元、測(cè)向傳感單元、移動(dòng)單元、定位傳感單元、無線通信單元、目標(biāo)探測(cè)單元和存儲(chǔ)器分別與中央處理器相連，中央處理器、存儲(chǔ)器、測(cè)距傳感單元、測(cè)向傳感單元、定位傳感單元、無線通信單元、移動(dòng)單元、目標(biāo)探測(cè)單元均與電源相連。
該裝置中的移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)范圍近似為一個(gè)正圓形，半徑為節(jié)點(diǎn)探測(cè)范圍的半徑r。
本發(fā)明的有益效果在于與現(xiàn)有的基于虛擬力的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)布局方法相比較，本發(fā)明綜合考慮了待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域的位置對(duì)傳感器布局的影響，從而使得可移動(dòng)傳感器能夠根據(jù)周邊環(huán)境地形和目標(biāo)位置自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)布局，改善觀測(cè)效果。具體表現(xiàn)在1)本發(fā)明提出的布局方法充分考慮了回避障礙地形和靠近熱點(diǎn)區(qū)域等因素，因此可以在較復(fù)雜的地形環(huán)境下工作，并取得良好的布局效果；2)本發(fā)明提出的布局方法充分考慮到了待探測(cè)目標(biāo)和待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域等重要對(duì)象，使這些重要對(duì)象能對(duì)其周邊的傳感器施加較強(qiáng)的吸引力，因而這些重點(diǎn)對(duì)象附近的傳感器相對(duì)較密集，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些重點(diǎn)對(duì)象的觀測(cè)效果也相對(duì)較好；
3)本發(fā)明提出的布局方法可以通過調(diào)整一些關(guān)鍵參數(shù)(如Dth、目標(biāo)重要性TRankj、障礙物規(guī)避等級(jí)ORankj等)而靈活配置傳感器布局，因此可充分利用傳感器資源，更好的滿足用戶需求；4)本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)裝置簡(jiǎn)單。
該方法不僅可用于小型微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布局，而且可應(yīng)用于雷達(dá)臺(tái)站布局、移動(dòng)基站的布站等方面，具有明顯的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局示意圖；圖2為每個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法流程圖；圖4為本發(fā)明中根據(jù)測(cè)向和測(cè)距結(jié)果計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)的方法示意圖；圖5為虛擬力示意圖；圖6為對(duì)監(jiān)控區(qū)域?qū)嵤┎季智耙苿?dòng)無線傳感器的分布圖；圖7為對(duì)監(jiān)控區(qū)域?qū)嵤┎季趾笠苿?dòng)無線傳感器的分布圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局示意圖，圖中包括M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)2和N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)3。M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)之間、N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間以及M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)與N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接。
每個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)3(如圖2所示)包括中央處理器7、存儲(chǔ)器8、測(cè)距傳感單元4、測(cè)向傳感單元5、定位傳感單元6、無線通信單元9、移動(dòng)單元10、電源11和目標(biāo)探測(cè)單元12，測(cè)距傳感單元4、測(cè)向傳感單元5、移動(dòng)單元10、定位傳感單元6、無線通信單元9、目標(biāo)探測(cè)單元12和存儲(chǔ)器8分別與中央處理器7相連，中央處理器7、存儲(chǔ)器8、測(cè)距傳感單元4、測(cè)向傳感單元5、定位傳感單元6、無線通信單元9、移動(dòng)單元10和目標(biāo)探測(cè)單元12均與電源11相連。
這里，測(cè)距傳感單元4可以采用聲納傳感器、紅外傳感器或激光傳感器；測(cè)向傳感單元5可以為聲納傳感器或多普勒雷達(dá)；定位傳感單元6可以為GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。無線通信單元9可采用市售的Chipcon公司的CC2420芯片，移動(dòng)單元10可采用市售的美國(guó)Activmedia公司生產(chǎn)的Pioneer 3-DX移動(dòng)機(jī)器人。
本發(fā)明的基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法的流程參見圖3。
在圖6所示的一塊矩形監(jiān)測(cè)區(qū)域中，分布了3個(gè)待探測(cè)目標(biāo)、1塊障礙地形、1塊待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域，81個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，以下將以圖6為例，闡述應(yīng)用本發(fā)明中提出的布局方法，對(duì)81個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布局的具體步驟1)N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)各自利用定位傳感單元測(cè)定自身坐標(biāo)，并利用測(cè)向傳感單元測(cè)定自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與自身的連線和正北方向的夾角，并利用測(cè)距傳感單元測(cè)定自身到自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的間距，并根據(jù)平面幾何原理算出自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；例如，圖4中移動(dòng)無線傳感器S利用定位傳感單元測(cè)定自身坐標(biāo)為(x，y)，且傳感器S利用測(cè)距傳感單元測(cè)得附近有一待探測(cè)目標(biāo)T與自身間距為D，并利用測(cè)向傳感單元測(cè)得T與S的連線和正北方向A的夾角為α，則依如下平面幾何原理算出T的坐標(biāo)(x1，y1)為x1＝x+Dcosαy1＝y(tǒng)+Dsinα2)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)受到的虛擬力如圖5所示，包括以下四種虛擬力(1)移動(dòng)無線傳感器與移動(dòng)無線傳感器之間的虛擬力，可以為引力也可以為斥力；(2)移動(dòng)無線傳感器與待探測(cè)目標(biāo)間的虛擬力，為吸引力；(3)移動(dòng)無線傳感器與待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域間的虛擬力，為吸引力；(4)移動(dòng)無線傳感器與障礙地形間的虛擬力，為斥力。
各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)第1)步獲取的自身坐標(biāo)及待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，按照預(yù)先設(shè)定的虛擬力計(jì)算公式F1，計(jì)算自身受到的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域和其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的虛擬力，并進(jìn)一步根據(jù)虛擬力合力計(jì)算公式F2計(jì)算自身受到的合力；其中虛擬力計(jì)算公式F1由如下F1-1、F1-2、F1-3、F1-4四個(gè)子公式構(gòu)成Fij→=0ifCth<dij(WAss×(dij-Dth)β1,αij)ifDth≤dij≤Cth(WRss×(dij-β2-Dth-β2),αij+π)ifdij<Dth---(F1-1)]]>
公式F1-1用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)j對(duì)節(jié)點(diǎn)i的虛擬作用力 式中，dij表示節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i間的直線距離，可直接測(cè)量得到；門限D(zhuǎn)th表示預(yù)先設(shè)定的節(jié)點(diǎn)的平均間距，可在r～2r之間按應(yīng)用需求取值，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中Dth＝r；Cth是節(jié)點(diǎn)間的通信距離，由節(jié)點(diǎn)使用的無線通信單元的物理特性決定，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，Cth＝3；αij為節(jié)點(diǎn)i指向節(jié)點(diǎn)j的有向線段與正北方向的夾角，用于表示虛擬力方向；WAss和WRss表示節(jié)點(diǎn)之間的虛擬吸引力系數(shù)和虛擬排斥力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中WAss＝100、WRss＝100；β1，β2是與所使用傳感器類型相對(duì)應(yīng)的常量，對(duì)于電磁型傳感器，β1，β2均為2；Fsitj→=0ifdij≥r+re(WAst×TRankj×dij-β,αij)if r-re<dij<r+re0ifdij≤r-re---F1-2]]>公式F1-2用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和待探測(cè)目標(biāo)j間的虛擬作用力 式中，WAst是節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)之間的虛擬吸引力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中WAst＝100；β是一個(gè)表示距離與力關(guān)系的正常數(shù)，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中β＝100；TRankj是根據(jù)應(yīng)用情況設(shè)定的正常數(shù)，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，待觀測(cè)目標(biāo)1的TRankj＝10、待觀測(cè)目標(biāo)2的TRankj＝1000、待觀測(cè)目標(biāo)3的TRankj＝100；其它參量的含義同上；Fsihj→=(WAsh′×HRankj,αij)if r+re≤dij-HRangej<Dmax(WAsh×HRankj×(dij-HRangej)β,αij)if r-re<dij-HRangej<r-re0if dij-HRangej≤r-re---F1-3]]>公式F1-3用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域j間的虛擬作用力 式中，HRangej是熱點(diǎn)區(qū)域j的范圍半徑；HRankj是正常數(shù)，表示熱點(diǎn)區(qū)域j的重要等級(jí)，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，HRankj＝1000；Dmax是根據(jù)具體應(yīng)用情況預(yù)先設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的最大距離；WAsh表示當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域在傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)與熱點(diǎn)區(qū)域之間的虛擬力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，WAsh＝500；WAsh′表示當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域不在傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)與熱點(diǎn)區(qū)域之間的虛擬力系數(shù)，是一個(gè)和應(yīng)用相關(guān)的常量，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，WAsh′＝50；Fsioj→=0if dij-ORangej≥Dth/2(WRso×ORankj×1(dij-ORangej)β,αij+π)if dij-ORangej<Dth/2---F1-4]]>公式F1-4用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和障礙地形j間的虛擬作用力 式中，ORangej是障礙地形j的范圍半徑；ORankj為障礙地形j的規(guī)避等級(jí)，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，ORankj＝1000；WRso為一常量，表示傳感器節(jié)點(diǎn)與障礙地形之間的虛擬排斥力系數(shù)，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，WRso＝1000；虛擬力合力計(jì)算公式F2為Fi→=ω1×ΣFij→+ω2×ΣFsitj→+ω3×ΣFsihj→+ω4×ΣFsioj→---F2]]>式中，ω1、ω2、ω3、ω4是與應(yīng)用相關(guān)的預(yù)先設(shè)定的系數(shù)，在應(yīng)用過程中，系數(shù)ω1、ω2、ω3、ω4可以按需調(diào)節(jié)，例如在傳感器初始分布散亂的情況下，為盡快達(dá)到滿意的覆蓋效果，可增大傳感器間作用力的影響系數(shù)ω1；若該傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是有效監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)目標(biāo)，可增大目標(biāo)的影響系數(shù)ω2；為了使熱點(diǎn)區(qū)域獲得足夠密集覆蓋，可增大熱點(diǎn)區(qū)域的影響系數(shù)ω3；若地形環(huán)境復(fù)雜，存在大量障礙物時(shí)，可增大障礙物的影響系數(shù)ω4，使得傳感器能夠有效規(guī)避障礙物。在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，ω1＝0.2、ω2＝0.3、ω1＝0.4、ω1＝0.1。
3)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)判斷自身所受合力是否小于預(yù)先設(shè)定的合力門限，若是，則該移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)；若否，則該移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)移動(dòng)距離計(jì)算公式F3計(jì)算該步驟中自身的移動(dòng)方向和距離Dcurrent，移動(dòng)至新位置后，將該步驟中自身移動(dòng)距離Dcurrent與傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory相加，若此時(shí)該傳感器節(jié)點(diǎn)的累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory小于預(yù)設(shè)的移動(dòng)距離上限D(zhuǎn)limit，則重復(fù)執(zhí)行第1)-3)步；若累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory大于或等于移動(dòng)距離上限D(zhuǎn)limit，則該傳感器停止移動(dòng)，且不再重復(fù)執(zhí)行第1)-3)步，待所有傳感器節(jié)點(diǎn)均停止移動(dòng)后，則布局完成，其中所說的移動(dòng)距離計(jì)算公式F3，由F3-1、F3-2兩個(gè)子公式構(gòu)成xnew=xoldif|Fxy→|≤Fthxold+FxFxy×MaxStep×e-1Fxvif|Fxy→|>Fth---F3-1]]>ynew=yoldif|Fxy→|≤Fthyold+FyFxy×MaxStep×e-1Fxyif|Fxy→|>Fth---F3-2]]>式中，F(xiàn)xy是傳感器節(jié)點(diǎn)所受合力，F(xiàn)x，F(xiàn)y分別是x，y方向所受分力，xnew，ynew分別表示傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后的新位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；MaxStep是傳感器節(jié)點(diǎn)的單步移動(dòng)距離上限，是一個(gè)預(yù)設(shè)的常量，在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，MaxStep＝1；Fth是預(yù)設(shè)的合力門限，當(dāng)某個(gè)傳感器所受合力小于預(yù)設(shè)門限Fth時(shí)，則可認(rèn)為它已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該節(jié)點(diǎn)不需再移動(dòng)，例如在圖6的仿真實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)th＝50，這樣可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)迅速穩(wěn)定，同時(shí)可減少傳感器的能量消耗。
當(dāng)所有傳感器節(jié)點(diǎn)靜止時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(見圖7)。從圖7中可知，本發(fā)明提出的基于虛擬力的傳感器布局方法除了很好的覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域外，還向重要目標(biāo)和熱點(diǎn)區(qū)域調(diào)度了更多移動(dòng)無線傳感器，對(duì)這些區(qū)域提供了更好的觀測(cè)效果。
權(quán)利要求
1.基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法，其特征在于步驟如下1)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)利用定位傳感單元測(cè)定自身坐標(biāo)，并利用測(cè)向傳感單元測(cè)定自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與自身的連線和正北方向的夾角，并利用測(cè)距傳感單元測(cè)定自身到自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的間距，并根據(jù)平面幾何原理算出自身感知范圍內(nèi)的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；2)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)第1)步獲取的自身坐標(biāo)及待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域以及通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，按照預(yù)先設(shè)定的虛擬力計(jì)算公式F1，計(jì)算自身受到的待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域和其他移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的虛擬力，并進(jìn)一步根據(jù)虛擬力合力計(jì)算公式F2計(jì)算自身受到的合力；其中虛擬力計(jì)算公式F1由如下F1-1、F1-2、F1-3、F1-4四個(gè)子公式構(gòu)成Fij→=0ifCth<dij(WAss×(dij-Dth)β1,αij)ifDth≤dij≤Cth(WRss×(dij-β2-Dth-β2),αij+π)ifdij<Dth---(F1-1)]]>公式F1-1用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)j對(duì)節(jié)點(diǎn)i的虛擬作用力 式中，dij表示節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i間的直線距離；門限D(zhuǎn)th表示預(yù)先設(shè)定的節(jié)點(diǎn)的平均間距，Cth是節(jié)點(diǎn)間的通信距離；αij為節(jié)點(diǎn)i指向節(jié)點(diǎn)j的有向線段與正北方向的夾角，用于表示虛擬力方向；WAss和WRss表示節(jié)點(diǎn)之間的虛擬吸引力系數(shù)和虛擬排斥力系數(shù)；β1，β2是與所使用傳感器類型相對(duì)應(yīng)的常量，對(duì)于電磁型傳感器，β1，β2均為2；Fsitj→=0ifdth≥r+re(WAst×TRankj×dij-β,αij)ifr-re<dij<r+re0ifdij≤r-re---(F1-2)]]>公式F1-2用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和待探測(cè)目標(biāo)j間的虛擬作用力 式中，WAst是節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)之間的虛擬吸引力系數(shù)；β是一個(gè)表示距離與力關(guān)系的正常數(shù)，TRankj是根據(jù)應(yīng)用情況設(shè)定的正常數(shù)，表示目標(biāo)重要等級(jí)；其它參量的含義同上；Fsjhj→=(WAsh′×HRankj,αij)if r+re≤dij-HRangej<Dmax(WAsh×HRankj×(dij-HRangej)β,αij)ifr-re<dij-HRangej<r+re0ifdij-HRangej≤r-re---F1-3]]>公式F1-3用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域j間的虛擬作用力 式中，HRangej是熱點(diǎn)區(qū)域j的范圍半徑；HRankj是正常數(shù)，表示熱點(diǎn)區(qū)域j的重要等級(jí)；Dmax是預(yù)先設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的最大距離；WAsh表示當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域在傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)與熱點(diǎn)區(qū)域之間的虛擬力系數(shù)；WAsh′表示當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域不在傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)與熱點(diǎn)區(qū)域之間的虛擬力系數(shù)；其它參量的含義同上；Fsioj→=0ifdij-ORangej≥Dth/2(WRso×ORankj×1(dij-ORangej)β,αij+π)ifdif-ORangej<Dth/2---F1-4]]>公式F1-4用于計(jì)算移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)i和障礙地形j間的虛擬作用力 式中，ORangej是障礙地形j的范圍半徑；ORankj為障礙地形j的規(guī)避等級(jí)；WRso為一常量，表示傳感器節(jié)點(diǎn)與障礙地形之間的虛擬排斥力系數(shù)；其它參量含義同上；虛擬力合力計(jì)算公式F2為Fi→=ω1×ΣFij→+ω2×ΣFsitj→+ω3×ΣFsihj→+ω4×ΣFstoj→---F2]]>式中，ω1、ω2、ω3、ω4是與應(yīng)用相關(guān)的預(yù)先設(shè)定的系數(shù)。3)各移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)判斷自身所受合力是否小于預(yù)先設(shè)定的合力門限，若是，則該移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)；若否，則該移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)移動(dòng)距離計(jì)算公式F3，計(jì)算該步驟中自身的移動(dòng)方向和距離Dcurrent，移動(dòng)至新位置后，將該步驟中自身移動(dòng)距離Dcurrent與傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory相加，若此時(shí)該傳感器節(jié)點(diǎn)的累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory小于預(yù)設(shè)的移動(dòng)距離上限D(zhuǎn)limit，則重復(fù)執(zhí)行第1)-3)步；若累計(jì)移動(dòng)距離Dhistory大于或等于移動(dòng)距離上限D(zhuǎn)limit，則該傳感器停止移動(dòng)，且不再重復(fù)執(zhí)行第1)-3)步，待所有傳感器節(jié)點(diǎn)均停止移動(dòng)后，則布局完成，其中所說的移動(dòng)距離計(jì)算公式F3，由F3-1、F3-2兩個(gè)子公式構(gòu)成xnew=xoldif|Fxy→|≤Fthxold+FxFxy×MaxStep×e-1Fxyif|Fxy→|>Fth---F3-1]]>ynew=yoldif|Fxy→|≤Fthyold+FyFxy×MaxStep×e-1Fxyif|Fxy→|>Fth---F3-2]]>式中，F(xiàn)xy是傳感器節(jié)點(diǎn)所受合力，F(xiàn)x，F(xiàn)y分別是x，y方向所受分力，xnew，ynew分別表示傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后的新位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；MaxStep是傳感器節(jié)點(diǎn)的單步移動(dòng)距離上限，是一個(gè)預(yù)設(shè)的常量；Fth是預(yù)設(shè)的合力門限。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法，其特征在于第2)步中門限D(zhuǎn)th的取值區(qū)間為r～2r，其中r為傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)范圍的半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局裝置，它包括M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)(2)及N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)(3)，M、N分別為正整數(shù)，M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)之間、N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間以及M個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)與N個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接，其特征在于每個(gè)移動(dòng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)(3)包括中央處理器(7)、存儲(chǔ)器(8)、測(cè)距傳感單元(4)、測(cè)向傳感單元(5)、定位傳感單元(6)、無線通信單元(9)、移動(dòng)單元(10)、電源(11)和目標(biāo)探測(cè)單元(12)，測(cè)距傳感單元(4)、測(cè)向傳感單元(5)、移動(dòng)單元(10)、定位傳感單元(6)、無線通信單元(9)、目標(biāo)探測(cè)單元(12)和存儲(chǔ)器(8)分別與中央處理器(7)相連，中央處理器(7)、存儲(chǔ)器(8)、測(cè)距傳感單元(4)、測(cè)向傳感單元(5)、定位傳感單元(6)、無線通信單元(9)、移動(dòng)單元(10)、目標(biāo)探測(cè)單元(12)均與電源(11)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局裝置，其特征在于測(cè)距傳感單元為聲納傳感器、紅外傳感器或激光傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局裝置，其特征在于測(cè)向傳感單元為聲納傳感器或多普勒雷達(dá)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局裝置，其特征在于定位傳感單元為GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于虛擬力的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局方法及裝置。該方法通過計(jì)算移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)受到的虛擬力大小和方向，判斷傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)移動(dòng)的方向和距離，并使傳感器節(jié)點(diǎn)做相應(yīng)移動(dòng)，直至達(dá)到受力平衡或布局中止條件時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局。與現(xiàn)有的基于虛擬力的布局方法相比較，本發(fā)明綜合考慮了待探測(cè)目標(biāo)、障礙地形、待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域的位置對(duì)節(jié)點(diǎn)布局的影響，使節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)周邊環(huán)境地形和目標(biāo)位置自動(dòng)移動(dòng)，可在較復(fù)雜的地形環(huán)境下工作，并合理的對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布局，使其在復(fù)雜的地形環(huán)境中仍能很好地觀測(cè)待探測(cè)目標(biāo)和待探測(cè)熱點(diǎn)區(qū)域等重要對(duì)象，更好的滿足用戶需求。
文檔編號(hào)H04L12/24GK101051973SQ20071006857
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者吳朝暉, 李石堅(jiān), 夏明望 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)