一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法
【专利摘要】本发明提供一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法,包括：步骤1、确定每一传感器节点的坐标，并生成传感器节点集合；将待检测区域划分为两个或两个以上子区域；步骤2、针对传感器节点集合中的每一传感器节点确定其工作半径r以确定其工作范围；判断每工作范围都完全覆盖至少一个子区域，如果是将未被工作范围完全覆盖的子区域标识为未覆盖区域，步骤结束；如果否跳转到步骤3；步骤3、减小子区域的面积以重新对所述待检测区域进行划分后返回步骤2。本发明通过不断减小子区域的面积以精确地测定出未传感器节点覆盖的区域。
【专利说明】一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器【技术领域】，特别是指一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法。
【背景技术】
[0002]传感器网络(或简称为无线传感器网络)是信息社会中人类感知客观世界的重要技术桥梁。现有传感器网络由大量的节点构成，随机地部署在待监测的区域中，这些节点感知环境信息，并将这些环境数据逐跳协作地传输到用户。无线传感器网络的目标是实现待监测区域的完整的感知。对于各个节点而言，其感知的范围有限，如果在随机部署过程中存在某些区域未被任何节点覆盖，这个区域就属于无法被感知的未覆盖区域，或者称为“感知空洞”。传感器网络节点的感知范围有不同的模型，最为常用的模型称为圆盘模型(diskmodel)。所谓圆盘模型，即以传感器节点所在位置为圆心，该节点可以感知与其距离小于等于某常量(即感知半径)R的环境信息，而一旦环境对象超出该范围，则无法感知。
[0003]图1所示为现有技术的示例性说明，采用了 8个传感器节点来覆盖一个正方形区域。如图1可以看出，由于传感器节点的布置不合理，其中存在着未覆盖区域1，也称为感知空洞。未覆盖区域的存在将使得这些区域无法被感知，严重影响传感器网络的监测质量。因此，快速确定未覆盖区域的位置和面积对于已经部署的传感器网络而言就显得尤为重要。
[0004]目前已经存在大量的传感器网络节点定位算法，可以对节点的位置进行较好的估计，因此在本申请的全文中都是假定所有传感器节点的位置都是已知的。
[0005]在该领域中的现有技术包括:
[0006]Stefan Funke 发表在 3rd ACM/SIGMOBILE International Workshop onfoundations of Mobile Computing (DIAL-M-POMC)，ACM,44-53(2005)01/2005;DO1:10.1145/1080810.1080819 的题目为《Topological hole detection in wirelesssensor networks and its applications》的论文仅检测了通信的空洞。
[0007]Jing Ai 发表在 Journal of Combinatorial Optimization, VolumelI, Numberl, February2006, pp.21-41 (21)的题目为〈〈Coverage by directional sensors in randomlydeployed wireless sensor networks》的论文讨论了传感器网络的优化部署,但是假设每个节点的部署位置和方向是可以控制的。
[0008]You-Chiun Wang 等发表在 Wireless Internet, 2005.Proceedings.10_14July2005 的 题目为((Efficient Deployment Algorithms forEnsuring Coverage and Connectivity of Wireless Sensor Networks》的论文将传感器网络节点的覆盖区域近似为多边形，并分割为子区域进行部署，同样假设节点的位置是可以控制的。
[0009]但是这些方法都是应用于按照用户设定的传感器节点，而无法应用于传感器节点为随机部署的情况。
【发明内容】
[0010]本发明要解决的技术问题是提供一种能够在随机部署传感器节点的情况下对传感器网络的未覆盖区域进行快速检测的方法。
[0011]为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法，包括:
[0012]步骤1、确定每一传感器节点的坐标，并生成传感器节点集合V ;将待检测区域划分为两个或两个以上子区域Ai ；
[0013]步骤2、针对传感器节点集合V中的每一传感器节点 ' 确定其工作半径r以确定其工作范围D' ;判断每工作范围D'都完全覆盖至少一个子区域Ai,如果是将未被工作范围D'覆盖的子区域标识为未覆盖区域，步骤结束；如果否跳转到步骤3 ；
[0014]步骤3、减 小子区域Ai的面积以重新对所述待检测区域进行划分后返回步骤2。
[0015]作为上述技术方案的优选，所述完全覆盖为所述子区域Ai的全部被所述工作范围DVj覆盖。
[0016]作为上述技术方案的优选，划分的子区域^为矩形。
[0017]作为上述技术方案的优选，所述步骤3中还包括:判断所述子区域Ai的面积是否小于预设阈值，如果是将未被工作范围D'完全覆盖或覆盖范围小于预设门限值的子区域标识为未覆盖区域，步骤结束。
[0018]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0019]本发明实施例提供了一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法，能够通过不断减小子区域的面积以精确地测定出未传感器节点覆盖的区域。本发明可快速检测无线传感器网络部署后的未覆盖区域，在较差情况下检测时间与传感器网络总节点数成线性关系，与检测精度的需求成对数关系。检测的精度可以设置，即通过调整最小的子区面积来实现控制精度。本发明采用了递归分治的思想，实现算法简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为未覆盖区域的示意图；
[0021]图2为本发明实施例的传感器网络未覆盖区域的快速检测方法的流程示意图；
[0022]图3为传感器节点的工作区域与子区域相离的示意图；
[0023]图4为传感器节点的工作区域与子区域半覆盖的示意图；
[0024]图5为传感器节点的工作区域与子区域全覆盖的示意图；
[0025]图6为本发明的一个实施例中的方法生成的覆盖图。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0027]本发明实施例提出了一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法，其流程如图2所示的，包括:
[0028]步骤1、确定每一传感器节点的坐标，并生成传感器节点集合V ;将待检测区域划分为两个或两个以上子区域Ai ；[0029]步骤2、针对传感器节点集合V中的每一传感器节点Vj确定其工作半径r以确定其工作范围D' ;判断每工作范围D'都完全覆盖至少一个子区域Ai,如果是将未被工作范围D'覆盖的子区域标识为未覆盖区域，步骤结束；如果否跳转到步骤3 ；
[0030]步骤3、减小子区域Ai的面积以重新对所述待检测区域进行划分后返回步骤2。
[0031]以此递归的不断缩小子区域Ai的面积，
[0032]其中，在步骤2中，每一传感器节点 ' 的工作范围D'与子区域^之间的位置关系可以分为如图3所示的相离、如图3所示的半覆盖、如图5所示的全覆盖。在步骤2中，如果每一个工作范围D'都全覆盖了至少一个子区域Ai，则如图1所示的，该未覆盖区域自然而然就显示出来了。而如果有一个工作范围DVj没有全覆盖子区域Ai,此时可以认为子区域^的面积划分的过大了。此时，可以判断该子区域Ai的面积是否小于预设阈值，如果是将未被工作范围D'完全覆盖或覆盖范围小于预设门限值的子区域Ai标识为未覆盖区域，步骤结束。这样是为了防止重复不断的子区域Ai的面积而导致的计算量过大，影响最终计算效率或导致系统崩溃。
[0033]本发明的运算复杂度估计如下:假设总节点数为N，在步骤2中需要对V中的N个节点进行判定，由于分为四个子区域，共判定4N次。在较差的情况下，这些子区域不被任何节点完全覆盖，四个子区域的影响节点集合数均大概为总数的1/4。随后，算法进入第二轮的划分和递归计算，在较差的情况下，第二轮的总运算量也是4N次。假设满足精度需求的最小区域划分面积为minA，则本算法共需的轮数为Log(AAiinA)/Log (4)。总体上本算法的总运算复杂度大概是0(N ^Log(AAiinA))。在一般的情况下，由于部分子区域一旦判定全覆盖而无需继续划分，算法的速度还会进一步增加，因此本算法是一种快速的检测方法。
[0034]对于待监测区域不是正方形的情形，可以选取一个可以完整包含待监测区域的大正方形，相当于对待检测区域进行增补。随后对这个大正方形进行检测，并在结果中去除新增的部分。
[0035]本发明中的算法采用Python语言实现，核心代码如下:
[0036]
【权利要求】
1.一种传感器网络未覆盖区域的快速检测方法，其特征在于，包括: 步骤1、确定每一传感器节点的坐标，并生成传感器节点集合；将待检测区域划分为两个或两个以上子区域； 步骤2、针对传感器节点集合中的每一传感器节点确定其工作半径r以确定其工作范围；判断每工作范围都完全覆盖至少一个子区域，如果是将未被工作范围完全覆盖的子区域标识为未覆盖区域，步骤结束；如果否跳转到步骤3 ； 步骤3、减小子区域的面积以重新对所述待检测区域进行划分后返回步骤2。
2.根据权利要求1所述的传感器网络未覆盖区域的快速检测方法，其特征在于，所述完全覆盖为所述子区域的全部被所述工作范围覆盖。
3.根据权利要求1所述的传感器网络未覆盖区域的快速检测方法，其特征在于，划分的子区域为矩形。
4.根据权利要求1或2或3所述的传感器网络未覆盖区域的快速检测方法，其特征在于，所述步骤3中还包括:判断所述子区域的面积是否小于预设阈值，如果是将未被工作范围完全覆盖或覆盖范围小于预设门限值的子区域标识为未覆盖区域，步骤结束。
【文档编号】H04W84/18GK103796237SQ201410023734
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】张中山, 皇甫伟, 张雁翎, 王曦元, 隆克平 申请人:北京科技大学