一种智能抄表系统设备现场布置方法
【专利摘要】本发明公开一种智能抄表系统设备现场布置方法，它是一种基于无线传感网络的智能电表节点布置方法。本发明研究了智能抄表系统中无线网络节点的部署问题，针对离散、不均匀分布的目标点覆盖问题，提出了静态节点部署的相关算法；为了提高中继链路的可靠性，延长网络生存期，提出了不依赖位置信息的节点盲移动算法；为了增强网络的连通性，构建容许一个节点失效的两连通网络拓扑，提出了基于接收信号强度的单节点移动算法。
【专利说明】一种智能抄表系统设备现场布置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感网领域，具体说是基于无线智能抄表系统的智能电表终端节 点的布置方法。
【背景技术】
[0002] 作为无线智能抄表的基础问题之一，节点部署问题（Deployment Problem)是无线 智能抄表系统运行、应用实现的基础，网络环境中不仅存在着智能电表终端节点，还可能存 在我们要获取信息的目标区域（PA，Preference Area)和无法检测或妨碍检测的障碍区域 (0A，Obstacle Area)，一个良好的网络部署应该保证所有节点的感应区域覆盖整个监控区 域的各个角落，节点和节点之间相互连通，对目标区域100%覆盖，对障碍区域不覆盖，同时 节点可进行信息的通信，灵活性强，具有容错性，具有自组织能力。随着各种研究的深入，部 署问题已经与节点覆盖连通、目标跟踪和定位、路由管理、网络组织管理、节点能量等问题 关联起来。
[0003] 无线智能抄表网络中的节点部署问题，即通过一定的算法来布置无线节点，优化 现有的网络的资源，它决定着节点监测物理空间的效果，进而影响传无线智能抄表网络的 服务质量。在实现各种网络协议和应用系统时，存在着一些现实约束，比如节点体积微小， 通常有能量十分有限的电池；但同时节点个数多、分布区域广、部署区域环境复杂，通过充 电或更换电池的方式来补充能源是不现实的，因此节能是无线传感网络研究的重要目标。 无线传感网络的能量消耗直接决定了网络的使用寿命，通过有效配置网络节点可以保证网 络的有效覆盖性和连通性，也有利于节省节点的能量，延长网络的生命周期，更好更大地发 挥网络的作用。
【发明内容】
[0004] 本发明通过静态网络规划，动态网络规划实现无线智能抄表网络的节点部署机 制。静态节点部署的两种情况进行了建模。基于节点的可控制移动的思想，提出了增强链 路有效性的节点移动部署算法；对无线网络拓扑抗毁性提出了增强网络连通性能的单节点 移动控制算法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
[0006] -种智能抄表系统设备现场布置方法，针对离散、不均匀分布的目标点覆盖问题， 设计了静态节点部署的相关算法；
[0007] 增强链路有效性的节点优化部署，提高中继链路的可靠性，延长网络生存期；
[0008] 网络拓扑动态优化，增强了网络的连通性。
[0009] 静态节点部署问题：
[0010] 扫描部署，通过动态移动节点扫描感知区域，搜索监视目标，实现信息检测；在扫 描部署方式中，感知数据的过程节点的数量、节点布置的位置和感知目标的数据采集效果； 使尽量多的目标对象被检出，减少遗漏； toon] 区域部署；采用静止节点采集感知区域的数据，节点布置到目标区域后不可移动 或只能在小范围内移动；寻求能覆盖整个感知区域的最少节点数目；根据检测需要也可以 再次移动布置的节点，但移动的范围很小，以保证节点的能源有效；
[0012] 障碍部署；信息采集的目标区域的自然环境非常复杂，有建筑物、斜坡、高山影响 数据采集和通讯的自然因素，节点的布置要考虑到这些自然环境因素的限制；为实现有效 覆盖，应该减少或避开障碍对节点的影响；可以根据障碍物的空间结构，将障碍物与检测目 标有机结合来布置节点位置。
[0013] 节点的静态优化部署两种描述：一为运用优化策略将节点分派到网格上，使得在 满足每个网格点覆盖要求的前提前，配置的节点数量最小；二为已知所有网格点以及需要 部署的节点节点数量k，应合理地安排k个节点的位置。
[0014] 本发明具有如下优点：
[0015] 1、优化网络拓扑结构，降低感知区域节点部署费用，同时满足感知区域覆盖需要， 适应节点计算、通讯以及容错处理要求。
[0016] 2、有效实现感知信息检测、定位和目标跟踪，智能化的节点部署实现了一体化的 整体设计，减少额外开销。
[0017] 3、解决了节点失效的冗余技术和保证系统长期正常工作的能源有效技术。
[0018] 4、在保证满意覆盖度的情况下，更改善了网络中节点分布的均匀度和能量的平衡 度，算法的公平性使得重配置后的网络更符合Max/Min标准，因而具有更长的生命周期。
[0019] 5、在提高网络容量的同时使网络具有较强的抗毁性能。构造具有两连通性的网络 拓扑可以在网络中任一个节点发生故障或移动情况下会影响其它节点之间的通信。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明基于菱形网格的节点放置方式图。
[0021] 图2是本发明中继节点的最佳位置图。
[0022] 图3是本发明网络模型图。
[0023] 图4是本发明节点的搜索过程图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
[0025] -种智能抄表系统设备现场布置方法，包括对节点部署的方式、过程、手段进行了 全面的介绍；对静态节点部署的两种情况进行了建模，研究了相关算法；增强链路有效性 的节点移动部署算法；增强网络连通性能的单节点移动控制算法。
[0026] 节点部署的方式；
[0027] 扫描部署，通过动态移动节点扫描感知区域，搜索监视目标，实现信息检测。在扫 描部署方式中，感知数据的过程需要考虑节点的数量、节点布置的位置和感知目标的数据 采集效果。使尽量多的目标对象被检出，力争减少遗漏；
[0028] 区域部署，采用静止节点采集感知区域的数据，节点布置到目标区域后不可移动 或只能在小范围内移动。寻求能覆盖整个感知区域的最少节点数目。根据检测需要也可以 再次移动布置的节点，但移动的范围很小，以保证节点的能源有效；。
[0029] 障碍部署，信息采集的目标区域的自然环境非常复杂，有建筑物、斜坡、高山影响 数据采集和通讯的自然因素，节点的布置要考虑到这些自然环境因素的限制。为实现有效 覆盖，应该减少或避开障碍对节点的影响。可以根据障碍物的空间结构，将障碍物与检测目 标有机结合来布置节点位置。
[0030] 部署过程；
[0031] 采用人工或机器人方式逐一摆放到目标点；
[0032] 配置方案的制定受很多因素的影响，需要考虑如下因素：减少部署成本，排除预先 影响部署的任何因素，扩大部署的适应性，提高自组织和容错能力，静态节点部署的相关算 法；
[0033] 部署后，网络拓扑结构的变化取决于节点自身的变化，包括：节点位置的变化；感 知能力的降低，包括人为干扰、噪声、移动物体的干扰；
[0034] 节点可利用的能量的变化；节点装置故障；节点感知数据的发生。
[0035] 部署手段；
[0036] 1)将节点装入固定的部署装置中，以部署装置作为节点的源位置，将节点部署到 目标点位置。
[0037] 2)将节点装入移动的配置装置中，以移动配置装置作为节点的源位置，通过移动 的配置装置动态有序的将节点布置到目标点位置。
[0038] 静态节点部署的相关算法；
[0039] MAX. AVG. C0V 与 MAX. MIN. C0V 算法。MAX. AVG. C0V 和 MAX. MIN. C0V 贪心启发策略 布置节点，根据前驱节点的布置情况，应用某种启发策略，决定下一个节点的布置位置。其 目的是希望运用优化策略将节点分派到网格上，使得在满足每个网格点覆盖要求的前提 前，配置的节点数量最小。将待放置的节点区域划分成网格，假设节点探测目标的概率随 目标和节点之间的距离成指数变化，并很好地把障碍物和优先覆盖模型化；同时与随机 放置和均匀放置算法进行了比较，结果显示两种算法都有较好的性能。但是两种算法也存 在一些不足，比如：MAX. AVG. C0V是从整体角度出发，把节点放在能使整体性能改变最大的 点上，而MAX. MIN. C0V算法是从优先改善局部性能的角度出发，优先把节点放在性能最差 的点上，该方法求解效率比较高，但对每个需求解的问题必须找出其特有的启发式规则，所 以，这种方法较多地依赖于对问题构造和性质的认识和经验；
[0040] 整体-局部-增进算法。这种算法是迭代算法，初始化后，每运行一次放置一个节 点到网络区域中。算法只有在所有点都满足覆盖要求或是已配置的节点目已达到能配置的 节点的数目的极限时算法才停止。在每次迭代过程中，寻找使网络整体有效覆盖性能改变 最大的点。充分考虑这些实际问题，在保留原有的障碍物模型和优先覆盖模型很好的思考 方法的同时，加进来新的元素，利用推导，剔除局部冗余，提升整体性能，通过算法迭代，得 到一系列网格点，在这些网格点上放置节点，得到了更高效的放置方法；
[0041] 菱形网格放置方法。适用于静态网络部署的为已知所有网格点以及需要部署的节 点数量k，能够合理地安排k个节点的位置。菱形网格既能充分利用节点的感知和通信能 力，又能够确保区域内完全无缝连通和完全无缝覆盖，实现完全无缝覆盖的网络区域内所 需要的最少节点数N由下面公式给出：
[0042]
【权利要求】
1. 一种智能抄表系统设备现场布置方法，其特征在于： 针对离散、不均匀分布的目标点覆盖问题，设计了静态节点部署的相关算法； 增强链路有效性的节点优化部署，提高中继链路的可靠性，延长网络生存期； 网络拓扑动态优化，增强了网络的连通性。
2. 按照权利要求1所述的智能抄表系统设备现场布置方法，其特征在于： 静态节点部署问题： 扫描部署，通过动态移动节点扫描感知区域，搜索监视目标，实现信息检测；在扫描部 署方式中，感知数据的过程节点的数量、节点布置的位置和感知目标的数据采集效果；使尽 量多的目标对象被检出，减少遗漏； 区域部署；采用静止节点采集感知区域的数据，节点布置到目标区域后不可移动或只 能在小范围内移动；寻求能覆盖整个感知区域的最少节点数目；根据检测需要也可以再次 移动布置的节点，但移动的范围很小，以保证节点的能源有效； 障碍部署；信息采集的目标区域的自然环境非常复杂，有建筑物、斜坡、高山影响数据 采集和通讯的自然因素，节点的布置要考虑到这些自然环境因素的限制；为实现有效覆盖， 应该减少或避开障碍对节点的影响；可以根据障碍物的空间结构，将障碍物与检测目标有 机结合来布置节点位置。
3. 按照权利要求1所述的智能抄表系统设备现场布置方法，其特征在于： 节点的静态优化部署两种描述：一为运用优化策略将节点分派到网格上，使得在满足 每个网格点覆盖要求的前提前，配置的节点数量最小；二为已知所有网格点以及需要部署 的节点节点数量k，应合理地安排k个节点的位置。
4. 按照权利要求3所述的智能抄表系统设备现场布置方法，其特征在于： 静态节点部署的相关算法； MAX. AVG. COV 与 MAX. MIN. COV 算法；MAX. AVG. COV 和 MAX. MIN. COV 贪心启发策略布置节 点，根据前驱节点的布置情况，应用某种启发策略，决定下一个节点的布置位置；其是希望 运用优化策略将节点分派到网格上，使得在满足每个网格点覆盖要求的前提前，配置的节 点数量最小；将待放置的节点区域划分成网格，假设节点探测目标的概率随目标和节点之 间的距离成指数变化，并很好地把障碍物和优先覆盖模型化；同时与随机放置和均匀放置 算法进行了比较，结果显示两种算法都有较好的性能； 整体-局部-增进算法；这种算法是迭代算法，初始化后，每运行一次放置一个节点到 网络区域中；算法只有在所有点都满足覆盖要求或是已配置的节点目已达到能配置的节点 的数目的极限时算法才停止；在每次迭代过程中，寻找使网络整体有效覆盖性能改变最大 的点；充分考虑这些实际问题，在保留原有的障碍物模型和优先覆盖模型很好的思考方法 的同时，加进来新的元素，利用推导，剔除局部冗余，提升整体性能，通过算法迭代，得到一 系列网格点，在这些网格点上放置节点，得到了更高效的放置方法； 菱形网格放置方法；适用于静态网络部署的为已知所有网格点以及需要部署的节点数 量k，能够合理地安排k个节点的位置；菱形网格既能充分利用节点的感知和通信能力，又 能够确保网络区域内完全无缝连通和完全无缝覆盖，实现完全无缝覆盖的网络区域内所需 要的最少节点数N由下面公式给出：
此处，F为网络区域的面积，
7每个节点的有效覆盖面积，r为节点的感 知或通信半径；令每个节点位于菱形网格的定点上；菱形网格能保证网络区域完全无缝覆 盖，又能使所需要的节点数最少。
5. 按照权利要求1所述的智能抄表系统设备现场布置方法，其特征在于： 增强链路有效性的节点优化部署； 无线网络中，节点属性基本相同且依靠电池供电，因此，处理和传输能力也相对有限； 处于通信范围内的节点之间可以直接通信，而超出通信能力则需要这两个节点之间的其它 节点转发和路由；通过在网络中部署中继节点的方法，能够有效地降低节点的传输功率，以 延长网络生存期； 提出了基于信号强度感知的节点盲移动算法，在保持网络节点之间连通的基础上，部 署中继节点以提高链路的有效性，延长网络的生存期；因此，算法将节点链路的代价即与中 继节点相关的各条链路的传输消耗之和作为中继节点移动的依据，根据链路代价的变化， 中继节点动态调节自己的位置，使其逐步到达最小化链路代价的最佳位置；由于节点不具 备位置信息，中继节点每一步的移动方向、移动步长都是由邻节点信号强度确定；这种方法 能够在降低信息获取难度的同时，减少传输消耗，提高链路的有效性。
6. 按照权利要求1所述的智能抄表系统设备现场布置方法，其特征在于： 网络拓扑动态优化； 提出的增强网络连通性的节点移动控制解决在不破坏网络原有链路的基础上，改变节 点位置从而构建两连通网络的问题；算法不依赖节点的位置信息，仅利用邻节点信号强度 和呼叫信号强度确定一个移动节点和它将要建立连接的目标节点以及该节点移动的方向、 步长；考虑到节点能量有限而且节点的移动也需要消耗能量，网络连通性能的改善是以一 定能量消耗为代价而实现的；因此，所选取的移动节点是分割节点的邻节点中移动消耗最 小的节点，也就是说算法实现了以最少的移动节点、最小的能量消耗、最大程度地建立与目 标节点之间的链路，消除网络中的分割节点；虽然单节点算法只移动一个节点能够改善网 络节点之间的连接关系，对于节点分布较为密集的网络，这样的方法很有效。
【文档编号】G08C17/02GK104066097SQ201410258071
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】魏剑嵬, 李媛, 杨祖业, 李勇, 于惠宣 申请人:沈阳中科博微自动化技术有限公司