本发明涉及一种节点动态覆盖驱动的无线网络路由路径规划方法，属于无线网络节点覆盖、路由路径及网络构建维护技术领域。
背景技术：
随着电子技术、通信技术与组网技术的发展，使得无线节点具有成本功耗低和体积小特点的同时兼具感知和通信的功能，于通过无线的方式形成一个自组织网络系统，协作完成监测区域内的参数感知、数据处理、网络通信等任务，从而使无线传感器网络在环境监测、健康监护、工业监控及安全保障等方面获得了广泛的应用。不同于部分采用有线形式连接的监测网络，存在安装困难、自适应性差等缺点，一旦网络中出现故障，有线网络就会失效，无线网络具有无需固定设备支撑，可以快速部署、同时具有易于组网、不受有线网络约束的优势，非常适合难以使用传统有线通信机制的恶劣环境，来实施实时、高效的环境与设备监测。
无线节点在目标区域执行长时间监测任务时，复杂环境容易使得无线节点发生漂移，影响无线网络覆盖和数据传输的质量。在无线节点能量受限及面对诸多监测任务的情况下，需要对漂移的无线节点进行网络覆盖优化和路由规划规划，从而优化网络覆盖、数据传输及生存时间等服务质量。借鉴于移动机器人的虚拟力算法，将传感器节点等效为机器人，当两个传感器节点间距离大于阈值时节点受到吸引力作用而越来越近，当两个传感器节点间距离小于阈值时节点受到排斥力作用而越来越远，且在部署过程中需要考虑热点和障碍物区域对覆盖性能的影响。同时，无线节点携带电池工作中需通信过程需要消耗能量，对无线节点根据节点通信能力进行分簇，簇内节点通过簇首给中继节点传输数据，在减少数据传输路由减少传输误码率的同时，能够有效地延长无线网络的生存时间。因此，针对目标区域拓扑结构特点和特定的监测任务，研究无线传感器节点的覆盖部署和路由路径是构建无线网络的基础。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种节点动态覆盖驱动的无线网络路由路径规划方法，本发明提高了无线网络覆盖率和网络能耗，提高了监测区域感知参数的数据传输性能。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明通过对一类无线节点移动使得网络存在覆盖盲区和无法连通的问题，提出采用覆盖驱动的无线路由路径规划方法。
本发明的一种节点动态覆盖驱动的无线网络路由路径规划方法，包括以下步骤：
1)采用包含无线执行节点和中继节点的无线网络对目标区域进行监测(监测有很多种，温度、湿度、振动、信号到达强度等等，目的就是实时掌握这些参数以为预警预报乃至于控制基础，为现有技术，此处不再赘述)，通过驱动装置带动所述无线执行节点移动到网络指定位置，在所述无线执行节点安装位置传感器；
2)所述无线执行节点受到步骤1)中的外界作用力干扰后，无线执行节点坐标漂移，即其初始坐标和网络拓扑结构动态变化；以所述位置传感器的输出作为反馈，在所述驱动装置带动下对发生漂移的无线执行节点进行位置更新；
3)采用改进虚拟力法对边界区域、中继节点和障碍物区域分别设定差异虚拟力系数，包括不同的吸引力系数和排斥力系数，形成整个目标区域无线执行节点非均匀覆盖模型(如果所有节点具有相同的作用力系数，则无线节点呈现均匀部署；由于整个无线节点间具有不同系数的吸引力和排斥力系数，使得无线执行节点呈现非均匀部署的)；
4)根据近邻聚集度，将所述无线执行节点分为不同的簇；判断簇内节点相对几何距离和剩余能量是否最优，如果最优，则选为簇首节点，转向步骤5)；如果否，则为普通无线执行节点，然后判断无线网络是否异常，如果簇内无线执行节点和簇首节点相继死亡，簇内存活的无线执行节点和邻居无线执行节点，以网络连通性为目标，形成无线网络部分失效时动态多跳准定向路由表，完成覆盖驱动下无线路由路径规划；
5)簇内无线执行节点向簇首节点传输数据(即温度、湿度、振动、信号到达强度等等)，所述簇首节点沿邻居簇首节点将数据传输给中继节点。继而通过串口连接传输到计算机进行无线网络监测参数显示及结果分析(数据传输：串口；显示和结果分析是利用显示器的功能，比如进行定位精度、温度偏差等等)。
步骤1)中，所述无线执行节点部署在远离边界区域和障碍物区域的目标区域，所述中继节点部署在边界区域。
步骤1)中，所述无线执行节点通过电池供电，所述驱动装置与无线执行节点相连接，所述位置传感器用于测量无线执行节点移动路径，经过信号接收单元、信号滤波单元、信号处理单元及信号存储单元，将所述位置传感器输出结果作为反馈，控制所述驱动装置的转速，来控制所述无线执行节点的移动距离。
步骤1)中，所述驱动装置采用的是微型电动机。
步骤3)中，所述无线执行节点沿中继节点呈现稠密部署，而在边界区域和障碍物相对稀疏部署。
步骤3)中，虚拟力法借鉴原子核之间的作用力，当距离太近表现出排斥力，而距离太远表现出吸引力；所述改进虚拟力法就是考虑节点实际部署过程中对边界区域的排斥力，对中继节点的吸引力和对障碍物的排斥力。
步骤4)中，所述簇首节点用于收集簇内无线执行节点的感知数据，且经由邻居簇首节点传输到中继节点中，所述中继节点通过用户接口单元、数据存储单元，将数据传递给计算机进行处理(主要保护的虚拟力覆盖下的无线执行节点驱动，对于一个网络系统来说都得给计算机进行处理)。
步骤4)中，簇内节点相对几何距离和剩余能量是否最优具体的判断方法如下：簇内节点间距离是通过节点间测距得到，即利用到达时间、到达角度以及信号强度指示；而由于节点通信过程中会发送一个包含节点标号、信号幅值、剩余能量在内的包到邻居节点，通过传递到簇首节点；节点最大剩余能量是通过节点发送报文，然后比较各自的剩余能量得到的。
步骤4)中，所述动态多跳准定向路由表具体的形成方法如下：
由于簇首节点是根据几何距离和剩余能量选举出来的，而所有簇内普通节点向簇首节点传输数据，因此路由传输是动态的；由于需要经过多个簇最终数据才会传输到中继节点，因此是多跳的；由于相对整个网络来说，每个簇所包含的普通节点基本上固定的，因此节点基本传输路径是固定的，所以路由路径是准定向的。
由于在诸多目标区域无线节点容易受到外力作用而使得其标定坐标位置发生变化，对无线网络精确定位乃至于突发事件监测带来错误结果，根据目标区域空间边界、障碍物以及中继节点位置和覆盖要求，对处于不同环境的无线节点赋予不同作用力系数，使得无线节点呈现非均匀部署，在满足无线网络全覆盖的同时节省节点硬件资源；利用不同节点所处的位置来对无线网络进行分簇处理，使得一定领域附近的无线节点聚集成簇，根据该簇内节点剩余能量大小和相对几何距离选择簇首，并考虑网络多轮运行部分异常时路由路径表维护，对监测关键数据能够最短的路由传递到中继节点，减少了无线节点间频繁通信带来的通信能量损耗，提高了无线数据传输准确性。
附图说明
图1是本发明节点动态覆盖驱动下无线网络拓扑结构图；
图2是本发明无线网络节点覆盖驱动和路由规划方法示意图；
图3是本发明无线网络系统组成结构示意图；
图4是本发明无线节点漂移时在虚拟力作用下网络重建图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本实施例用于一个含有边界区域和障碍物区域的目标区域，无线网络中无线执行节点均能够自主移动且具有唯一的标识；无线执行节点由电池进行供电，但是中继节点能量通过有线供电。
一种节点动态覆盖驱动的无线网络路由路径规划方法，无线网络由无线执行节点和中继节点组成，其中无线执行节点携带装有位置传感器的微型电动机进行自主移动。基于目标区域边界、障碍物以及中继节点不同区域进行无线节点疏密差异覆盖，建立非均匀分簇簇内无线执行节点，通过簇内簇首节点传输到中继节点的路由路径；在无线簇内节点长时间工作出现连通盲区时，以网络连通性为目标，在微型电动机驱动下无线执行节点进行移动修复连通盲区，完成采用无线执行节点覆盖驱动下的路由规划，实现监测区域内无线网络覆盖和耗能有效，包括以下步骤：
1)无线网络由无线执行节点和中继节点组成，外力干扰的无线执行节点在微型电动机驱动下能够移动到网络指定位置；
2)无线网络节点漂移使其初始坐标和网络拓扑结构动态变化，以位置传感器输出作为反馈控制虚拟力移动路径进行网络重构；
3)邻近边界区域、中继节点和障碍物区域的无线执行节点，基于节点不同位置以全覆盖为目标，设定差异虚拟力系数使无线执行节点有效覆盖；
4)无线执行节点根据近邻聚集度分为不同的功能簇，簇内基于节点间距和剩余能量选择簇首，无线执行节点沿簇首节点向中继节点传输数据；
5)无线网络长时间工作出现节点死亡和覆盖盲区，簇内无线执行节点和邻居无线执行节点以网络连通性为目标，形成无线网络动态多跳准定向路由表；
步骤1)中，采用包含无线执行节点和中继节点的无线网络对目标区域进行监测，无线执行节点由电池进行供电并携带具有位置控制器的微型电动机，无线执行节点在电机驱动下能够在目标区域内进行自主移动。
步骤2)中，在监测区域完成坐标标定的无线执行节点其受到外力干扰初始坐标值会发生变化，从而改变网络拓扑结构乃至于降低网络覆盖率，以安装在无线执行节点的位置传感器输出作为反馈，在微型电动机驱动下对对发生漂移的无线执行节点进行位置更新，以目标区域全覆盖为目标进行无线网络重构。
步骤3)中，对边界区域、中继节点和障碍物区域分别设定虚拟力系数，包括不同的吸引力系数和排斥力系数，形成整个监测区域非均匀覆盖模型，无线节点沿中继节点呈现稠密部署，而在边界区域和障碍物相对稀疏部署。
步骤4)中，无线执行节点根据近邻聚集度分为不同的功能簇，簇内无线执行节点向该簇簇首节点传输数据，簇内基于节点间距离和剩余能量选择簇首，簇首节点沿邻居簇首节点将数据传输给中继节点，减少传输数据过程中的路由度量。
步骤5)中，无线网络多轮运行网络出现异常时，簇内无线执行节点和簇首节点部分死亡，该簇存活的无线执行节点和邻居无线执行节点，以网路连通性为目的形成网络部分失效时动态多跳准定向路由表，通过最短路由传输到中继节点提高网络异常时数据传输准确率。
如图1所示，无线网络主要由无线执行节点和中继节点组成，无线执行节点部署在远离边界区域和障碍物区域的目标区域，而中继节点则部署在边界区域附近。无线执行节点被分成若干的簇，基于无线节点间相互距离和剩余能量从簇内节点推举选出簇首节点，每个无线执行节点能够独立采集数据并传输给该簇推举选出的簇首节点，该簇簇首节点连同前一个簇的监测参数通过其邻居簇首节点传输给中继节点，继而通过串口连接传输到计算机进行无线网络监测参数显示及结果分析。
如图2所示，本发明无线网络节点覆盖驱动和路由规划方法步骤如下：
1、在目标区域部署无线执行节点对感兴趣的参量进行实时监测，无线执行节点由电池进行有限供电，且其坐标位置受到外力作用而在目标区域进行移动，同时在计算机附近部署中继节点，用于接收从无线执行节点汇聚来的感知参量，中继节点由于需要转发海量的数据，因此中继节点由计算机处电网电源进行无限供电，主要由无线执行节点和中继节点构建用于目标区域监测的无线网络。
2、当无线执行节点受外力作用而使得坐标位置发生漂移，从而改变无线网络拓扑结构，减少网络覆盖率乃至于导致无线网络存在欠覆盖和覆盖盲区。根据无线执行节点所处位置，包括边界附近、障碍物附近以及中继节点附近，采用改进虚拟力法对边界区域、中继节点和障碍物附近无线执行节点分别设定不同的排斥力系数和吸引力系数，以安装在无线执行节点上的位置传感器输出作为反馈，无线执行节点由微型电动机动机驱动到合适的位置，形成整个目标区域无线执行节点非均匀覆盖模型，无线执行节点沿中继节点呈现稠密部署，而在边界区域和障碍物相对稀疏部署。
3、无线网络基于节点通信能力分割成多簇，簇内无线执行节点向该簇簇首节点传输数据，簇内基于节点间距离和剩余能量选择簇首，簇首节点沿邻居簇首节点将数据传输给中继节点，减少传输数据过程中的路由度量，使得减少参与转发数据到中继节点的节点数据，从而降低数据传输过程的误码率。在无线网络持续长时间多轮有效工作后，簇内无线执行节点和簇首节点相继死亡，该簇存活的无线执行节点和邻居无线执行节点以网络连通性需求进行路由驱动，形成无线网络部分失效时路由路径表，保证了无线网络部分失效时仍然能够利用网络残存性继续执行监测任务。
如图3所示，无线网络1系统结构主要由中继节点2和无线执行节点3构成，其中无线执行节点3由电池8进行供电，同时无线执行节点3安装位置传感器6，其负责测量无线执行节点3移动路径，经过信号接收单元7a，信号滤波单元7b，信号处理单元7c和信号存储单元7d，将位置传感器3输出结果作为反馈控制微型电动机5的转速，来控制无线执行节点3的移动距离；同时，无线执行节点3根据簇首选择原则选举出簇首节点4，由簇首节点4负责收集簇内无线执行节点3的感知数据，且经由邻居簇首节点4传输到中继节点2中，中继节点2通过用户结构单元9a和9b，将数据传递给计算机进行处理。
如图4所示，给出了无线节点漂移在虚拟力作用下的网络重建图。无线执行节点受到外力作用使得原网络拓扑结构发生变化，对目标区域不同位置的无线执行节点设置不同的吸引力和排斥力系数，使得在虚拟力作用下无线执行节点由微型电动机驱动而移动，以满足无线网络覆盖需求当无线执行节点移动到相应位置达到作用力平衡，同时无线执行节点能够远离边界区域减少通信资源浪费，而聚集在中继节点附近保证足够的能量供应，无线执行节点虚拟力作用下经过多次迭代最终使得目标区域全覆盖。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。