移动sink的平滑路径规划方法以及装置与流程

本发明涉及无线传感器网络领域，特别涉及一种移动sink的平滑路径规划方法以及装置。

背景技术：

在无线传感器网络中，通常采用汇聚节点(sink)收集网络中感知节点的数据，汇聚节点有二种，一种是静止的；另一种汇聚节点具有移动性，称之为移动sink。网络节点以特定地方式部署在监测区域，在传统的无线传感器网络中，把静止的汇聚节点部署在监测区域的中心，然后利用它收集监测区域的数据，如图1所示。

基于静止汇聚节点的无线传感器网络中，把静止汇聚节点部署在网络区域的中心时，网络性能是最佳的，网络时延是最低的，但是静止汇聚节点的外围所有的网络节点传输数据给汇聚节点时，都需要静止汇聚节点附近的网络节点转发数据，网络节点的能耗主要来源于通信消耗，通信消耗主要来源于数据转发所消耗的能量，因此会导致汇聚节点附近的网络节点过早的死亡，这种现象被称为“能量空洞”，一旦静止汇聚节点周围出现“能量空洞”，“能量空洞”外围所有数据将不能够传输到汇聚节点，限制了网络寿命。目前主要有二种方法来解决这个问题：1)采用分簇路由技术，一类典型的分蔟路由协议是LEACH及其改进协议，这类分簇路由较传统的平面及结构路由可以有效均衡网络能耗，延长网络寿命，但是簇头往往需要消耗更多能量来处理簇内节点的数据，并且动态选择簇头将增加额外的开销，也存在不足之处。2)采用移动sink，sink可自由在监测区域内移动，通过直接移动到传感器节点附近收集数据，可以减少长距离的数据传输给中继节点带来的负担，能大大延长网络寿命。虽然这种方式会有一定的数据延时，但在延时容忍网络中还是有很好的前景。此外，在大规模网络中，要保证网络的连通性具有一定难度，特别是节点稀疏的网络，引入移动sink可以有效解决网络连通问题，由于sink可以移动收集数据，故不需要保证网络全局连通。

基于移动sink的无线传感器网络可以按移动轨迹的类型分成三类：1)移动sink的移动轨迹是随机的；2)移动sink的移动轨迹是固定的；3)移动sink的移动轨迹是动态变化的，即移动轨迹是随着待访问节点或者网络状态的变化而变化的。三类移动轨迹如图2、3、4所示。

申请号为CN201410584230.7的发明专利文献公开了一种基于马尔科夫模型选择Sink路径的数据收集方法此发明专利提出了一种基于马尔科夫模型选择sink路径的数据收集方法，首先把监测区域进行划分成多个子区域，然后利用马尔科夫模型预测节点位置，其次根据预测得到的节点数目期望值对网络区域赋予优先级。再对各区域进行数据融合，最后得到最优的移动sink节点运动轨迹。

申请号为CN201310646561.4的发明专利文献公开了一种基于贪心路径的移动sink节点数据收集方法，此发明专利提出了一种贪心的移动sink节点数据收集方法，首先把无线传感器网络划分成若干个大小均衡的簇，移动sink沿着以确定的路径重复访问每个簇的簇头节点，然后簇头直接传送数据给移动sink或者通过附近簇头以多跳的方式发送给移动sink。

综上所述，以上二种技术都是移动sink驻留式数据收集技术，即移动sink的移动轨迹沿折线运动到达被访问节点处需停留一段时间进行数据采集，该类技术存在以下不足之处：第一，移动sink需要在驻留点停留以收集数据，增加了网络时延；第二，移动sink的移动轨迹都是折线，移动路径较长，需要消耗更多的移动能量；第三，移动sink的移动轨迹是固定的。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种移动sink的平滑路径规划方法以及装置，其能够以较短路径在均速移动中从传感器节点收集数据，从而克服现有移动sink收集网络中移动sink的移动路径较长、数据收集较慢且耗能的缺点。

为实现上述目的，根据本发明一方面，提供了一种移动sink的平滑路径规划方法，包括以下步骤：

S100：在监测区域部署一定数目的传感器节点，并确定移动sink需要访问的多个传感器节点；

S101：获取移动sink的当前位置坐标和待所述移动sink依次访问的多个传感器节点的位置坐标；

S102：实时获取当前所述移动sink、所述第一传感器节点和所述第二传感器节点之间的第一角平分线；

S103：获取所述第一角平分线的参考点，根据参考点获取位于所述第一传感器节点的感知范围内的所述移动sink的第一平滑圆弧路径；

S104：以此类推，依次实时获取当前所述移动sink、所述第N-1传感器节点和所述第N传感器节点之间的第N-1角平分线，其中，N>2；

S105：获取所述第N-1角平分线的参考点，根据参考点获取位于所述第N-1传感器节点的感知范围内的所述移动sink的第N-1平滑圆弧路径。

优选地，上述技术方案中，步骤S101具体包括：

设A₁为移动sink当前所在位置，设所述移动sink依次访问的传感器节点所在位置分别为A₂，A₃，···，A_n，以直线A₂A₃的方向为x轴的正方向建立直角坐标系，则各节点的位置坐标分别为A₁(x₁,y₁)，A₂(x₂,y₂)，A₃(x₃,y₃)，···，A_n(x_n,y_n)。

优选地，上述技术方案中，步骤S102具体包括：

若直线A₂A₁的方向的斜率存在确定值；

在∠A₁A₂A₃的角平分线A₂A₀上取一个参考点A₀，设A₀的坐标为A₀(x₀,y₀)，直线A₂A₁的斜率K，角平分线A₂A₀的斜率为K'，则K与K'满足以下关系：

$K=\frac{2K^{\′}}{1-{\left(K^{\′}\right)}^2}---\left(1\right)$

由公式(1)可以求解出或者由此可以得到角平分线A₂A₀方程为：

$y=K^{\′}x=\frac{-1+\sqrt{1+K^2}}{K}x.---\left(2\right)$

优选地，上述技术方案中，步骤S103还包括：

将所述第一角平分线与所述移动sink的第一平滑圆弧路径的交叉点C点落于被访问传感器节点A₂的感知范围以内，使直线A₂C的长度小于传感器节点A₂的感知半径r，则直线A₂C的长度需满足公式(3)：

$\stackrel{\‾}{A_2{A}_0}-\stackrel{\‾}{A_{0}C}=\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}-\frac{{\mathrm{Kx}}_0-y_0}{\sqrt{1+K^2}}=ar,a\∈\[0,1\]---\left(3\right)$

其中，参数a的变化范围从0到1，调整a能够使直线A₂C的长度小于感知半径r，并使得移动sink在传感器节点A₂的感知范围内的移动过程中完成数据采集；

同时，参考点A₀的坐标满足以下式子：

$y_0=\frac{-1+\sqrt{1+K^2}}{K}{x}_0---\left(4\right)$

根据公式(3)和公式(4)可以求解出参考点A₀的坐标值，以参考点A₀为圆心，以直线A₀C为半径构建移动sink落入在坐标系内的平滑圆弧路径。

优选地，上述技术方案中，步骤S102还包括：

当直线A₂A₁垂直A₂A₃时，直线A₂A₁的斜率K为无穷大，A₁的坐标为(0,y₁)，参考点A₀的x和y的坐标值相等，即x₀＝y₀；

步骤S103还包括：将所述第一角平分线与所述移动sink的第一平滑圆弧路径的交叉点C点落于被访问传感器节点A₂的感知范围以内，使直线A₂C的长度小于传感器节点A₂的感知半径r，则直线A₂C的长度需满足公式(5)：

$\stackrel{\‾}{A_2{A}_0}-\stackrel{\‾}{A_{0}C}=(\sqrt{2}-1)x_0=ar,a\∈\[0,1\]---\left(5\right)$

其中，参数a的变化范围从0到1，调整a能够使直线A₂C的长度小于感知半径r，并使得移动sink在传感器节点A₂的感知范围内的移动过程中完成数据采集；

根据点参考点A₀的x和y的坐标值相等和公式(5)可求出参考点A₀的坐标值；以参考点A₀为圆心，A₀C为半径构建移动sink落入在坐标系内的平滑圆弧路径。

为了实现上述目的，根据本发明另一方面，本发明提供了一种移动sink的平滑路径规划装置，具体包括：

节点部署模块，用于在监测区域部署一定数目的传感器节点，并确定移动sink需要访问的多个传感器节点；

坐标获取模块，用于获取移动sink的当前位置坐标和待所述移动sink依次访问的多个传感器节点的位置坐标；

平分线获取模块，用于实时获取当前所述移动sink、所述第一传感器节点和所述第二传感器节点之间的第一角平分线；

路径获取模块，用于获取所述第一角平分线的参考点，根据参考点获取位于所述第一传感器节点的感知范围内的所述移动sink的第一平滑圆弧路径；

其中，以此类推，依次实时获取当前所述移动sink、所述第N-1传感器节点和所述第N传感器节点之间的第N-1角平分线，其中，N>2；所述路径获取模块获取所述第N-1角平分线的参考点，根据参考点获取位于所述第N-1传感器节点的感知范围内的所述移动sink的第N-1平滑圆弧路径。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明根据移动sink和依次待访问的两个传感器节点位置坐标获取由该三个位置坐标构成的角平分线，并获取角平分线的参考点，根据参考点获取能满足移动sink完成数据收集任务的平滑圆弧移动路径，并以此类推获取移动sink访问多个传感器节点并进行数据收集的平滑圆弧路径，与现有驻留式移动sink数据收集技术相比，因移动sink访问传感器节点的路径为平滑圆弧路径，使得移动sink的移动路径长度更短，并能够让移动sink沿平滑圆弧路径均速连续移动以使平均移动速度更快，数据收集更高效，更节能。

2.本发明通过设置参数a，可以调整在移动过程中采集数据的时间从而适应网络待收集数据量的变化，对网络状态的变化具有较好的适应性。

3.本发明根据无线传感器网络数据收集中存在的实际问题建立了数学模型，通过完整的数学分析找到了解决问题的实际有效方法，具有较强的科学性。

4.本发明所提供的方法适用于无线传感器网络中利用移动sink收集网络数据的各种情况包括移动sink的移动轨迹是随机的、固定的和动态变化的情况，并且能与采用移动sink收集数据的各种路由技术匹配，具有很好的适用性和扩展性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是静态汇聚节点的系统图。

图2是现有移动sink的随机移动轨迹示意图。

图3是现有移动sink的固定移动轨迹示意图。

图4是现有移动sink的动态移动轨迹示意图。

图5是根据本发明移动sink的平滑路径规划方法的流程图。

图6是根据本发明构建连续式移动sink的移动轨迹第一示意图。

图7是根据本发明无线传感器网络划分示意图。

图8是根据本发明无线传感器网络选取待访问传感器节点示意图。

图9是根据本发明构建连续式移动sink的移动轨迹第二示意图。

图10是根据本发明移动sink的平滑路径规划方法的装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图5所示，移动sink的平滑路径规划方法包括以下步骤：

S100：在监测区域部署一定数目的传感器节点，并确定移动sink需要访问的多个传感器节点；

S101：获取移动sink的当前位置坐标和待移动sink依次访问的多个传感器节点的位置坐标；

S102：实时获取当前移动sink、第一传感器节点和第二传感器节点之间的第一角平分线；

S103：获取第一角平分线的参考点，根据参考点获取位于第一传感器节点的感知范围内的移动sink的第一平滑圆弧路径；

S104：以此类推，依次实时获取当前移动sink、第N-1传感器节点和第N传感器节点之间的第N-1角平分线，其中，N>2；

S105：获取第N-1角平分线的参考点，根据参考点获取位于第N-1传感器节点的感知范围内的移动sink的第N-1平滑圆弧路径，最后，将第一平滑圆弧路径，···，第N-1平滑圆弧路径构成连续式的移动sink的圆弧移动轨迹，移动sink的移动路径是动态变化的。

进一步，示出该实施例中移动sink的平滑路径规划案例，具体如下：

如图6所示，首先，以直线A₂A₃的方向为x轴的正方向建立直角坐标系。设移动sink当前所在位置坐标为A₁(x₁,y₁)，下一个访问传感器节点的位置坐标为A₂(x₂,y₂)，再接下去访问传感器节点的位置坐标为A₃(x₃,y₃)，···，最后访问传感器节点的位置坐标为A_n(x_n,y_n)。

第一种情况：若直线A₂A₁的斜率存在确定值；

在∠A₁A₂A₃的角平分线上取一个参考点A₀，设参考点A₀的坐标为A₀(x₀,y₀)，求出直线A₂A₁的斜率K，同理可以设直线A₂A₀的斜率为K'，由于直线A₂A₀是∠A₁A₂A₃的角平分线，K与K'满足以下关系：

$K=\frac{2K^{\′}}{1-{\left(K^{\′}\right)}^2}---\left(1\right)$

由以上公式(1)可以求解出或者(舍去)，由此可以得到角平分线A₂A₀的方程为

$y=K^{\′}x=\frac{-1+\sqrt{1+K^2}}{K}x---\left(2\right)$

为了保证传感器节点能够将数据成功传递给移动sink，移动sink的第一平滑圆弧路径与所述第一角平分线的交叉点C点必须落于被访问传感器节点A₂的感知范围以内，其中，传感器节点A₂的感知半径为r，即直线A₂C的长度小于感知半径r，则直线A₂C的长度需满足公式(3)：

$\stackrel{\‾}{A_2{A}_0}-\stackrel{\‾}{A_{0}C}=\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}-\frac{{\mathrm{Kx}}_0-y_0}{\sqrt{1+K^2}}=ar,a\∈\[0,1\]---\left(3\right)$

其中，参数a的变化范围从0到1，调整a可以使直线A₂C的长度小于感知半径r，同时使移动sink在节点A₂感知范围内的移动过程中完成数据采集的任务。

同时，点A₀的坐标满足以下式子：

$y_0=\frac{-1+\sqrt{1+K^2}}{K}{x}_0.---\left(4\right)$

根据公式(3)和公式(4)可以求解出参考点A₀的坐标值。获取参考点A₀的坐标值后，则为从传感器节点A₂收集数据所规划的平滑圆弧路径即为以参考点A₀为圆心，A₀C为半径且落入在坐标系内的平滑圆弧路径，即为图6所示的B-C-D。

第二种情况：直线A₂A₁垂直A₂A₃时，直线A₂A₁的斜率K是无穷大，即A₁的坐标为(0,y₁)，参考点A₀的x和y的坐标值相等，即x₀＝y₀；

同理，为了保证被访问的节点能够将数据成功传递给移动sink，移动sink的第一平滑圆弧路径与所述第一角平分线的交叉点C点落于被访问传感器节点A₂的感知范围以内，其中，传感器节点A₂的感知半径为r，即直线A₂C的长度小于感知半径r，则直线A₂C的长度需满足公式(5)：

$\stackrel{\‾}{A_2{A}_0}-\stackrel{\‾}{A_{0}C}=(\sqrt{2}-1)x_0=ar,a\∈\[0,1\]---\left(5\right)$

其中，参数a的变化范围从0到1，调整a可以使直线A₂C的长度小于感知半径r，同时使移动sink在传感器节点A₂感知范围内的移动过程中完成数据采集的任务。

根据点A₀的纵坐标与横坐标相等和公式(5)可求出参考点A₀的坐标值。同理，以参考点A₀为圆心，A₀C为半径作相应的圆弧即可获得移动sink能够成功接收传感器节点A₂的数据的平滑圆弧路径，这里不再赘述。

值得说明的是，在步骤S100和S101中，访问传感器节点选取方法可以为：把无线传感器网络划分成若干个大小相等的子网(或簇)，如图7所示，根据每个子网中所有节点的坐标计算出每个子网的重心坐标。设每个簇的重心坐标为(X_g,Y_g)，因此，可以根据公式(6)计算出每个簇的重心坐标：

$X_g=\frac{1}{N^{\′}}\underset{i=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}{x}_i,Y_g=\frac{1}{N^{\′}}\underset{i=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}{y}_i---\left(6\right)$

选择离重心坐标最近的网络节点作为子网的簇头，如图8所示，但不限于此，本发明适用于各种采用移动sink收集网络数据的环境，具有较好的扩展性，使得应用范围更加广泛。

现有的研究中，移动sink的移动方式都是驻留式的，驻留式的移动方向为：A₁-B-A₂-D-A₃(见图9)；而本发明中的移动sink的移动方式是连续的，连续式的移动方向为：A₁-B-C-D-A₃(见图9)；设驻留式的移动路径的长度为L，连续式移动轨迹的长度为L'，两者的长度之差为

ΔL＝L-L' (7)

即对公式(8)求导，得到：

${\left(\mathrm{\Δ}L\right)}^{\′}=2R(\frac{1}{{\left(cos\mathrm{\θ}\right)}^2}-1)---\left(9\right)$

显然，函数ΔL的倒数是恒大于零的函数，即函数L是一个递增函数，当θ＝0，ΔL＝0，所以当θ大于0时，函数ΔL是大于的0的函数，所以移动sink的驻留式移动轨迹长度比移动sink的连续式移动路径更长。

依次类推，构建完第一段平滑圆弧路径后，再次获取实时当前移动sink的位置坐标以及依次待访问的第二传感器节点和第三传感器节点的位置坐标，构建方法与上述一致，可以在D-A₃-A₄折线路径构建成圆弧，构建后的结果如图9所示，这里不再赘述构建过程。

综上所述，本发明在基于移动sink的无线传感器网络中，根据移动sink和依次待访问的两个传感器节点位置坐标获取由该三个位置坐标构成的角平分线，并选取角平分线的参考点，根据参考点获取移动sink满足能够获取传感器节点的数据的平滑圆弧路径，并以此类推获取移动sink访问多个待访问的传感器节点平滑路径，与现有移动sink数据收集技术相比，因移动sink访问多个待访问的传感器节点的路径为平滑圆弧路径，使得移动sink的移动路径长度更短，并能够让移动sink沿平滑圆弧路径连续均速移动进行数据收集，因此，比较驻留式的移动sink数据收集技术本方法能使移动sink的平均移动速度更快，数据收集更高效，可以降低网络的时延，均衡网络能耗，达到延长网络的生存周期，增加了网络的吞吐量。

同时，本发明根据网络实际情况建立了数学模型，完成了严密的数学推导，具有较强的科学性，并且，本发明所提供的方法适用于无线传感器网络中利用移动sink收集网络数据的各种情况，包括移动sink的移动轨迹是随机的、固定的和动态变化的，并且能与采用移动sink收集数据的各种路由方法匹配，具有很好的适用性和扩展性。

根据本实施例的另一方面，如图10所示，还提供了一种移动sink的平滑路径规划装置，具体包括：

节点部署模块10，用于在监测区域部署一定数目的传感器节点，并确定移动sink需要访问的多个传感器节点；

坐标获取模块20，用于获取移动sink的当前位置坐标和待移动sink依次访问的多个传感器节点的位置坐标；

平分线获取模块30，用于实时获取当前移动sink、第一传感器节点和第二传感器节点之间的第一角平分线；

路径获取模块40，获取第一角平分线的参考点，根据参考点获取位于第一传感器节点的感知范围内的移动sink的第一平滑圆弧路径；

其中，以此类推，平分线获取模块30依次实时获取当前移动sink、第N-1传感器节点和第N传感器节点之间的第N-1角平分线，其中，N>2；路径获取模块40获取第N-1角平分线的参考点，根据参考点获取位于第N-1传感器节点的感知范围内的移动sink的第N-1平滑圆弧路径，最后，将第一平滑圆弧路径，···，第N-1平滑圆弧路径构成连续式的移动sink的圆弧移动轨迹，移动sink的移动路径是动态变化的。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图10为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。