一种三维表面传感器网络部署方法与流程

本发明涉及三维传感器网络覆盖技术领域，具体涉及一种三维表面传感器网络部署方法。

背景技术

无线传感器网络(wsn)由部署在表面上的传感器节点组成，近年来其应用范围和领域越来越广,在军事领域、森林防火、医疗护理、海底环境监测、工业控制以及商业等领域都有着广泛的应用。wsn技术主要任务是感知和监测目标区域，实现对目标区域内的各种环境或对象进行感知与监测。如何使用合适的传感器节点部署方法，优化配置wsn的各种资源进而提高wsn各种服务质量已经成为wsn技术中一个亟待解决的问题。

由于传感器网络应用范围广泛、应用环境复杂、网络节点资源受限等特点，大量部署的节点会造成网络覆盖区域叠加，引起重复覆盖，浪费资源。在通信质量、覆盖率、性价比等因素限制下，合理部署传感器节点，有效利用网络资源，满足网络服务质量要求，实现无线传感器网络应用中的有效覆盖是十分重要的。同时，大多数传感器覆盖研究集中在理想的二维平面和全三维空间，然而在许多实际应用中，目标场是一个三维复杂曲面，传感器节点只能部署在监测区域的表面而不是被随意放置，如果采用以前的覆盖策略会引起网络覆盖漏洞问题，造成监测盲区，这使得传统的方法不适用。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提供了一种三维表面传感器网络部署方法，使用最少的传感器节点数量实现对三维复杂曲面的覆盖监测，解决三维复杂曲面的重复覆盖和覆盖漏洞的问题。

为了实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种三维表面传感器网络部署方法，包括如下步骤：

1)利用gis技术采集待监测区域的三维地理信息数据点集pa；其中，pai(xi,yi,zi)表示第i个点，xi表示第i个点的经度,yi表示第i个点的纬度,zi表示第i个点的高度；

2)利用choi算法对点集pa进行三角剖分，得到剖分三角形序列n1；

3)对剖分三角形序列n1按照外接曲面拟圆准则和空间形状优化准则进行优化，得到优化后的剖分三角形序列n2；

4)取剖分三角形序列n2中三角形的每个顶点作为传感器节点候选部署位置，记点集为pb；

5)根据覆盖区域最大和覆盖面无交集两个原则，对点集pb进行优化，得到参考点集为pc；

6)利用choi算法对参考点集pc进行三角剖分，得到剖分三角形序列n3；

7)利用剖分三角形序列n3计算新的参考点，加入到参考点集pc中；

8)取参考点集pc中的点为传感器网络部署的实际节点部署位置，实现三维表面传感器网络部署。

进一步的，上述步骤1)中，采集待监测区域的三维地理信息数据点集的具体方法如下：

1.1)通过野外实测、航天航空遥感、航测、全球卫星定位系统(gps)获取待监测区域的地理信息；

1.2)将地理信息按点、线、面抽象成具有不同行为特征的层面，得到属性数据和空间数据，属性数据包括地理实体质量和数量，空间数据为实体的位置信息即实体的三维坐标；

1.3)利用数字化仪、解析测图仪对属性数据进行验证、修改、编辑，得到待监测区域的空间坐标信息离散点集pa；

进一步的，上述步骤5)中，对点集pb进行优化，得到参考点集pc的方法如下：

5.1)初始化参考点集pc，pc＝{pb1},其中pb1为点集pb中的第一个元素；

5.2)计算参考点与pb中其他所有点的距离d；

5.3)选择距离满足条件2r＜d＜4r且不在参考点集pc中的点为新的参考点，加入到参考点集pc中，其中r为传感器节点的感知半径；

5.4)对参考点集pc中新加入的点，重复步骤5.2)到步骤5.4)，直至没有新的参考点加入；

5.5)参考点集pc为优化后的传感器节点部署位置。

进一步的，上述步骤7)中，利用剖分三角形序列n3计算新的参考点，加入到参考点集pc中，具体方法如下：

7.1)取剖分三角形序列n3中的第一个三角形；

7.2)计算三角形的外心以及三角形的外心与三角形顶点的距离l；

7.3)判断l是否大于2r，如果大于2r转步骤7.4)，否则转步骤7.5)；

7.4)在三角形外心与顶点之间插入传感器节点；

7.5)将外心和需要插入的节点沿高度坐标垂直投影到剖分三角形序列n2中的三角形上；

7.6)根据外心和每一个需要插入节点的经度、纬度坐标，以及三角形平面方程，计算每一个投影点的空间坐标；

7.7)将投影点作为新的参考点加入到参考点集pc中；

7.8)取n3中下一个三角形，重复步骤7.2)到步骤7.8)，直至遍历完剖分三角形序列n3。

进一步的，上述步骤7.4)中，若三角形外心坐标为o(x0,y0,z0)，顶点坐标为e(x1,y1,z1)，则待插入节点坐标rn(xn,yn,zn)计算公式如下：

其中

与目前的部署方法相比，本发明使用最少的传感器节点数量实现了对三维复杂曲面的覆盖监测，解决了三维复杂曲面的重复覆盖和覆盖漏洞的问题，部署方法灵活且覆盖率高。

附图说明

图1是传感器网络部署流程概述图。

图2是点集pb优化流程图。

具体实施方式

一种三维表面传感器网络部署方法如图1所示，包括如下步骤：

1)利用gis技术采集待监测区域的三维地理信息数据离散点，得到待监测区域的点集pa，采集方法具体如下：

1.1)通过野外实测、航天航空遥感、航测、全球卫星定位系统(gps)获取待监测区域的地理信息；

1.2)将地理信息按点、线、面抽象成具有不同行为特征的层面，得到属性数据和空间数据，属性数据包括地理实体质量和数量，空间数据为实体的位置信息即实体的三维坐标；

1.3)利用数字化仪、解析测图仪对属性数据和空间数据进行验证、修改、编辑，得到待监测区域的空间坐标信息离散点集pa；其中，pai(xi,yi,zi)表示第i个点，xi表示第i个点的经度,yi表示第i个点的纬度,zi表示第i个点的高度；

2)利用choi算法对点集pa进行三角剖分，得到剖分三角形序列n1；

3)对剖分三角形序列n1按照外接曲面拟圆准则和空间形状优化准则进行优化，得到优化后的剖分三角形序列n2；

4)取剖分三角形序列n2中三角形的每个顶点作为传感器节点候选部署位置，记点集为pb；

5)根据覆盖区域最大和覆盖面无交集两个原则，对点集pb进行优化，得到参考点集为pc；如图2所示，具体方法如下：

5.1)初始化参考点集pc，pc＝{pb1},其中pb1为点集pb中的第一个元素；

5.2)计算参考点与pb中其他所有点的距离d；

5.3)选择距离满足条件2r＜d＜4r且不在参考点集pc中的点为新的参考点，加入到参考点集pc中，其中r为传感器节点的感知半径；

5.4)对参考点集pc中新加入的点，重复步骤5.2)到步骤5.4)，直至没有新的参考点加入；

5.5)参考点集pc为优化后的传感器节点部署位置；

6)利用choi算法对参考点集pc进行三角剖分，得到剖分三角形序列n3；

7)利用剖分三角形序列n3计算新的参考点，加入到参考点集pc中，具体方法如下：

7.1)取剖分三角形序列n3中的第一个三角形；

7.2)计算三角形的外心以及三角形的外心与三角形顶点的距离l；

7.3)判断l是否大于2r，如果大于2r转步骤7.4)，否则转步骤7.5)；

7.4)在三角形外心与顶点之间插入传感器节点，其中为上取整公式；若三角形外心坐标为o(x0,y0,z0)，顶点坐标为e(x1,y1,z1)，则待插入节点坐标rn(xn,yn,zn)计算公式如下：

其中

7.5)将外心和需要插入的节点沿高度坐标垂直投影到剖分三角形序列n2中的三角形上；

7.6)根据外心和每一个需要插入节点的经度、纬度坐标，以及三角形平面方程，计算每一个投影点的空间坐标；

7.7)将投影点作为新的参考点加入到参考点集pc中；

7.8)取n3中下一个三角形，重复步骤7.2)到步骤7.8)，直至遍历完剖分三角形序列n3；

8)取参考点集pc中的点为传感器网络部署的实际节点部署位置，实现三维表面传感器网络部署。