无线传感器网络复杂区域划分方法和节点定位方法
【专利摘要】本发明涉及无线传感器网络复杂区域划分方法和节点定位方法。所涉及的划分方法包括：确定无线传感器网络复杂区域的边界节点，得到边界节点集；确定边界节点中的凹节点和凸节点；将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域。所涉及的定位方法包括利用所涉及的复杂区域划分方法对复杂区域进行划分，然后利用传统的定位方法对各子区域进行定位。本发明的方法适合大规模复杂区域的监测，且定位精度高。
【专利说明】无线传感器网络复杂区域划分方法和节点定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络的应用技术，特别是一种针对无线传感器网络复杂区域划分方法及节点定位方法。
【背景技术】
[0002]利用无线传感器网络技术对古建筑进行监测、保护和险情预警，如故宫博物馆智能监测系统、敦煌莫高窟遗址保护、和Torre Aquila古塔监测系统等等，都取得较好的效果，实现对环境信息长期实时监测，且网络本身不会对文物本身造成损伤。
[0003]将无线传感器网络应用于大型土遗址保护监测下，与一般通用的场景和搭建的模拟环境相比，节点的自定位技术在实际应用中，有着意想不到的困难和亟待解决的问题。大型土遗址覆盖区域广，区域形状具有相当复杂性，网络监测范围常以平方公里为单位计算，要实现区域全覆盖，需要部署大量的节点数。为避免人为侵入对土遗址造成不可预知的破坏，节点一般借助无人飞行器，随机播撒的方式进行部署，该部署方式导致节点分布具有不规则性。
[0004]无线传感器网络在大型土遗址保护的应用过程中，存在很多关键技术点，其中如何确定传感器节点本身的空间位置信息对遗址的保护起着关键性的作用。通过确定监测点传感器自身的位置，确定环境中温湿度、光照、霉变、盐碱度等事件发生变化的位置，以及有效发现土遗址发生裂变、形变、倾斜等险情的位置。
[0005]已有的针对无线传感器网络复杂区域下的基于网络连通性的节点定位方法主要有:
[0006]Yue Wang等人提出一种基于组件的定位算法，具体利用网络连通度获得逻辑拓扑结构，并利用三角形剖分原理，构建VOTonoi图，解决复杂区域下，无信标节点的大规模无线传感器网络节点定位问题；该方法通过构建虚洞，对经过网络空洞的最短路径进行标记，采用三角函数理论，通过距离向量加减法求解节点间校准距离估计，该算法称之为REP ；
[0007]Mo Li, Yun Wang等人对由于复杂区域这一主要因素，形成的各项异性网络环境下，对节点定位做出相关研究工作，解决网络通信“空洞”带来的定位误差问题。该方法的研究者提出虚拟尺思想，利用网络中的“拐点”信息，重新定义度量尺长度和划分度量刻度，解决在网络“空洞”存在下，提高DV-Hop定位算法的精度问题。
[0008]土遗址分布广阔，基于系统成本出发，常常划分为重灾监测区和非重点监测区，对网络节点部署密度有不同要求，导致节点密度具有不均匀性。遗址形状复杂和凹凸起落，伴有各种障碍物、众多环境噪声和网络通信“空洞”。其各种复杂因素，导致常规定位模型失效，其表现为定位精度明显下降、算法计算量增大、通信开销量级增长，网络生存周期缩短。
【发明内容】
[0009]针对现有技术存在的问题和缺陷，本发明的目的之一在于提供一种无线传感器网络复杂区域划分方法。
[0010]为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案如下:
[0011]一种无线传感器网络复杂区域划分方法，方法包括以下步骤:
[0012](I)确定无线传感器网络复杂区域的边界节点，得到边界节点集ω ；
[0013](2)确定边界节点集ω中的凹节点和凸节点:
[0014]分别对各边界节点进行确定，当待确定边界节点的凹凸率大于(1+S1)时为凹节点，当待确定边界节点的凹凸率小于(1-S2)时为凸节点，其中61和δ2为修正因子，
O [0015]对于待确定边界节点P，P e ω，其凹凸率cK(p)为: [0018]AW)为所有节点中与边界节点P的跳数距离等于K跳的节点的集合，
P, e ONk(P)，P2 E ONk (P)，且P1节点与P2节点间的所有跳数距离均大于I跳；
[0019] P1节点与P2节点间通讯所需辅助节点的总个数屯为辅助节点qi与P点的最短跳数距离；Iii Φ K，且所有辅助节点不属于(P);
[0020]K为节点间的跳数距离， [0021](3)将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；
[0022]利用至少一条区域划分线段将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；步骤(2)确定的所有凹节点中每个凹节点对应一条区域划分线段:
[0023]对于凹节点Τ，其对应的区域划分线段的确定方法如下:
[0024]确定T1节点和T2节点，其中T1 e ω，T2 e ω, T1节点与凹节点T的跳数距离及T2节点与凹节点T的跳数距离均等于K跳，且T1节点与T2节点间的所有跳数距离均大于I跳；
[0025]T1节点和T2节点向无线传感器网络复杂区域中的所有节点发送数据包，接收到数据包的节点记录其与T1节点和T2节点的最短跳数距离，凹节点T对应的区域划分线段由与T1节点和T2节点的最短跳数距离相等的节点确定。
[0026]针对现有技术的缺陷或不足，本发明还提供了无线传感器网络复杂区域中的节点定位方法，方法包括以下步骤:
[0027]利用上述的无线传感器网络复杂区域划分方法将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；
[0028]对多个凸拓扑结构的子区域分别进行节点定位。
[0029]进一步，采用下述方法对多个凸拓扑结构的子区域分别进行定位:
[0030]每个子区域包括多个信号节点和多个未知节点，定位方法包括以下步骤:
[0031]Α、确定子区域的平均单跳距离
[0032]设当前定位的子区域中包含有N个信号节点，该子区域的平均单跳距离HopSiZeN
【权利要求】
1.一种无线传感器网络复杂区域划分方法，其特征在于，方法包括以下步骤: (1)确定无线传感器网络复杂区域的边界节点，得到边界节点集ω； (2)确定边界节点集ω中的凹节点和凸节点: 分别对各边界节点进行确定，当待确定边界节点的凹凸率大于(1+S1)时为凹节点，当待确定边界节点的凹凸率小于(1-S2)时为凸节点，其中61和δ2为修正因子，O ≤ δ 1 ≤ 0.3,0 ≤δ 2≤0.3 ； 对于待确定边界节点P，P e ω，其凹凸率Ck(P)为:
2.如权利要求1所述的无线传感器网络复杂区域中的节点定位方法，其特征在于，方法包括以下步骤: 利用权利要求1所述的无线传感器网络复杂区域划分方法将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域； 对多个凸拓扑结构的子区域分别进行节点定位。
3.如权利要求2所述的无线传感器网络复杂区域中的节点定位方法，其特征在于，采用下述方法对多个凸拓扑结构的子区域分别进行定位: 每个子区域包括多个信号节点和多个未知节点，定位方法包括以下步骤: Α、确定子区域的平均单跳距离 设当前定位的子区域中包含有N个信号节点，该子区域的平均单跳距离HopSiZeN为:
4.如权利要求3所述的无线传感器网络复杂区域中的节点定位方法，其特征在于，步骤B中，对于未知节点Ρχ，在其通信范围内的所有信标节点中相邻信标节点的几何精度因子最小。
5.如权利要求3或4所述的无线传感器网络复杂区域中的节点定位方法，其特征在于，首先排除三个信标节点共 线的情况，再确定未知节点的三个信标节点。
【文档编号】H04W84/18GK103491591SQ201310476866
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】高宝建, 邢天璋, 王兆强, 陈晓江, 房鼎益, 周莹, 聂卫科, 刘晨, 王薇, 张远 申请人:西北大学