一种无线节点监测地下洞室的多层覆盖调度装置和方法与流程

本发明属于无线传感覆盖路由技术领域，具体涉及一种无线节点监测地下洞室的多层覆盖调度装置和方法。

背景技术：

无线传感器网络作为一种分布式的信息获取技术，由大量部署在监测区域的传感节点构成，通过多跳自组织无线通信方式将收集到的数据发送到中心基站，连接各类传感设备和无线终端载体，成为实现物理世界和信息世界数据传输的纽带。在工业自动运行、环境气体监测、尤其是危害区域无人值守等方面具有广阔的应用前景，可以根据作业工况完成连续的监测任务，让传感数据的无缝获取和随时访问成为可能。无线传感节点具有有限的感知半径，无线节点部署直接影响无线网路服务质量，根据无线节点是否可以确定其初始部署位置信息，可以将无线节点覆盖问题划分为确定性覆盖和随机覆盖问题。但是，受制于无线节点携带能量、无线网络通信宽带以及片上系统计算能力，使得无线传感节点的覆盖和路由问题面临诸多挑战，优化的无线节点覆盖策略可以提高无线网络覆盖率和连通性，甚至延长无线传感器网络的生存时间。目前，无线传感器网络会应用在各种几何结构场景中，例如方形结构、圆型结构以及不规则结构等场景，根据不同的应用场景需要对无线节点设计不同的覆盖控制策略，实现利用多传感节点的协作达到对待监测区域的有效覆盖。

地下洞室已经成为城市地下建设的基础设施，其宽度很小而长度可以从几公里扩展到几十公里，无线传感网应用在地下洞室会额外出现许多新的问题。地下洞室无线传感器网络的主要问题体现在三个方面：1)无线节点收集到的数据从无线网络首端，通过多跳路由的方式传输到无线网络尾端的基站，部署在无线网络不同位置的节点需要传输不同的数据，越靠近基站的无线节点需要承担收发数据量越大，呈现整个无线网络数据传输量的不均衡；2)除了基站可由不间断电源供电外，无线网络上普通的无线节点通常携带相同电量的电池，由于无线节点在收发数据时均需要消耗一定的能量，越靠近基站的无线节点由于转发最多的数据量而消耗最多的能量，使得整个无线网络能量消耗不均衡；3)一旦无线网络中某个节点由于能量耗尽或者硬件损坏而不能工作后，该无线节点无法接收来自前一个邻居无线节点的数据并转发到下一个邻居无线节点，从无线网络首端到该无线节点之间的无线网络，面临无法将收集的数据传输到基站而失效的问题。在地下洞室无线传感网中，无线节点沿长度方向的部署使无线网络在数据聚合，能耗不平衡以及无线网络的生存能力差等方面面临许多挑战。

技术实现要素：

针对上述问题，面对地下分散洞室的分布式监测需求，本发明提出一种无线节点监测地下洞室的多层覆盖调度装置和方法，采用无线传感网进行数据采集与处理，结合非均匀部署、分簇部署、多层网络拓扑以及引入部分无线修复节点，保障了地下洞室的无盲区覆盖，提高了无线传感网监测地下洞室的监测性能。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种无线节点监测地下洞室的多层覆盖调度装置，包括：

无线监测单元，包括若干个无线监测节点，所有无线监测节点共同组成多层网络拓扑结构，每层网络拓扑分别用于采集地下洞室中对应部分的数据；

无线传输单元，与所述无线监测单元中的各层网络拓扑相连，接收各层网络拓扑发送的监测数据；

基站节点，与所述无线传输单元相连，接收无线传输单元发送的监测数据；

无线修复节点，当判断出无线监测单元存在覆盖空洞时，被驱使至覆盖空洞处进行再覆盖。

可选地，每层网络拓扑均以剩余能量最小作为约束条件，计算每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距。

可选地，所述约束条件为：

每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距，采用下述公式计算：

其中，eini为无线监测节点的初始能量；为无线监测节点sni接收来自sni-1共数据需要消耗的能量；为无线监测节点sni所接收的数据量；eeler为接收数据电路的耗能，为无线监测节点sni传输到sni+1共数据需要消耗的能量，eeles为发送数据电路的耗能，为无线监测节点所发送的数据量，di为无线监测节点sni的间距，α为无线传输路径损耗，εamp为无线监测节点发送数据时放大器耗能，i为第i个无线监测节点。

可选地，所述无线传输单元中包括若干个无线路由节点，各无线路由节点采用由密到疏的分簇覆盖，d(rnm)<…<…d(rnj)<d(rn2)<d(rn1)；

当无线监测单元不存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点发送至与其距离最近的无线路由节点；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点；

当无线监测单元存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线修复节点、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点和无线修复节点发送至与其距离最近的无线路由节点；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点。

可选地，所述无线监测单元中的各层网络拓扑采用轮时调度策略，形成各层网络拓扑按照等分时间进行地下洞室的数据采集，包括以下步骤：

0-t1时间段选择第一层网络拓扑msn¹进行地下洞室的数据采集；

t1-t2时间段选择第二层网络拓扑msn²进行地下洞室的数据采集；

……；

ts-1-ts时间段选择第s层网络拓扑msn^s进行地下洞室的数据采集。

可选地，所述覆盖空洞的判断过程包括：

若所有无线监测节点采集的数据，均能够传输到基站节点，则判断无线网络不存在覆盖黑洞；

若基站节点只能获得部分无线监测节点采集的数据，则判断某无线监测节点sni发生故障，使得无线监测节点{sn1,sn2,...,sni}的数据无法通过无线监测节点sni传输到基站节点，无线网络存在覆盖黑洞。

第二方面，本发明提供了一种无线节点监测地下洞室的多层覆盖调度方法，包括以下步骤：

利用无线监测单元采集地下洞室中的数据，形成监测数据；所述无线监测单元包括若干个无线监测节点，所有无线监测节点共同组成多层网络拓扑结构，每层网络拓扑分别用于采集地下洞室中对应部分的数据；

利用无线传输单元接收各层网络拓扑发送的监测数据；

利用基站节点接收无线传输单元发送的监测数据；

当判断出无线监测单元存在覆盖空洞时，驱使无线修复节点至覆盖空洞处进行再覆盖。

可选地，每层网络拓扑均以剩余能量最小作为约束条件，计算每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距；

所述约束条件为：

每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距，采用下述公式计算：

其中，eini为无线监测节点的初始能量；为无线监测节点sni接收来自sni-1共数据需要消耗的能量；为无线监测节点sni所接收的数据量；eeler为接收数据电路的耗能，为无线监测节点sni传输到sni+1共数据需要消耗的能量，eeles为发送数据电路的耗能，为无线监测节点所发送的数据量，di为无线监测节点sni的间距，α为无线传输路径损耗，εamp为无线监测节点发送数据时放大器耗能，i为第i个无线监测节点。

可选地，所述无线传输单元中包括若干个无线路由节点，各无线路由节点采用由密到疏的分簇覆盖，d(rnm)<…<…d(rnj)<d(rn2)<d(rn1)；

当无线监测单元不存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点发送至与其距离最近的无线路由节点；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点；

当无线监测单元存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线修复节点、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点和无线修复节点发送至与其距离最近的无线路由节点；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点。

可选地，所述无线监测单元中的各层网络拓扑采用轮时调度策略，形成各层网络拓扑按照等分时间进行地下洞室的数据采集，包括以下步骤：

0-t1时间段选择第一层网络拓扑msn¹进行地下洞室的数据采集；

t1-t2时间段选择第二层网络拓扑msn²进行地下洞室的数据采集；

……；

ts-1-ts时间段选择第s层网络拓扑msn^s进行地下洞室的数据采集；

所述覆盖空洞的判断过程包括：

若所有无线监测节点采集的数据，均能够传输到基站节点，则判断无线网络不存在覆盖黑洞；

若基站节点只能获得部分无线监测节点采集的数据，则判断某无线监测节点sni发生故障，使得无线监测节点{sn1,sn2,...,sni}的数据无法通过无线监测节点sni传输到基站节点，无线网络存在覆盖黑洞。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明根据地下洞室的分散且狭长的几何结构，采用无线传感网感知的方式对地下洞室进行监测，无线传感网主要由无线监测节点、无线路由节点、基站节点以及无线修复节点组成，由无线监测节点负责对地下洞室中的各类数据进行采集并处理，通过无线路由节点将前述的各类数据传输到基站节点进行汇聚和融合分析；考虑到地下洞室为狭长复杂空间，部署的无线监测节点受到外部攻击导致部分无线网络失效，采用多层网路拓扑结构结合轮时调度策略对无线监测节点进行部署，同时当部分无线监测节点导致无线网络出现覆盖空洞时，驱使无线修复节点到无线网络覆盖空洞处进行再覆盖，避免由于无线网络空洞导致无线网络失效的问题。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明一种实施例中用于地下洞室监测的无线节点覆盖示意图；

图2是本发明一种实施例中用于地下洞室监测的无线传感网覆盖原理图；

图3是本发明一种实施例中用于地下洞室监测的无线路由传输示意图；

图4是本发明一种实施例中用于地下洞室监测的无线监测节点轮时图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

如图1-4所示，本发明实施例中提供了一种无线节点监测地下洞室的多层覆盖调度装置，包括：

无线监测单元，包括若干个无线监测节点，所有无线监测节点共同组成多层网络拓扑结构，每层网络拓扑分别用于采集地下洞室中对应部分的数据，即地下洞室中对应部分的参数；

无线传输单元，与所述无线监测单元中的各层网络拓扑相连，接收各层网络拓扑发送的监测数据；

基站节点，与所述无线传输单元相连，接收无线传输单元发送的监测数据；

无线修复节点，当判断出无线监测单元存在覆盖空洞时，被驱使至覆盖空洞处进行再覆盖，用于对无线网络覆盖空洞区域进行修复。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述的地下洞室无线传感网包含s层网络拓扑{msn¹,msn²,..,msn^t,...msn^s}，第t层网络拓扑msn^t由n个无线监测节点{sn1,sn2,...,sni,...,snn}构成，在具体应用过程中，如果地下洞室是长条形的，则就是长条形的网络结构；如果是方形的就是方形的网络结构，每个无线监测节点sni用于感知地下洞室的参数；

所述的地下洞室无线传感网第t层网络msn^t中，无线监测节点sni接收来自邻居节点sni-1并转发数据需要消耗能量，在网络中处于不同位置的无线传感节点会消耗不同的能量。为了无线传感网能量有效，每层网络拓扑均以剩余能量最小作为约束条件，计算每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距。

具体地，所述约束条件为：

每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距，采用下述公式计算：

其中，eini为无线监测节点的初始能量；为无线监测节点sni接收来自sni-1共数据需要消耗的能量；为无线监测节点sni所接收的数据量；eeler为接收数据电路的耗能，为无线监测节点sni传输到sni+1共数据需要消耗的能量，eeles为发送数据电路的耗能，为无线监测节点所发送的数据量，di为无线监测节点sni的间距，α为无线传输路径损耗，εamp为无线监测节点发送数据时放大器耗能，i为第i个无线监测节点。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述无线传输单元中包括若干个无线路由节点，各无线路由节点采用由密到疏的分簇覆盖；具体地，无线传感网还包括m个无线路由节点{rn1,rn2,...,rnj,...,rnm}，且d(rnm)<…<…d(rnj)<d(rn2)<d(rn1)。

当无线监测单元不存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点发送至与其距离最近的无线路由节点(即选择距离基站节点最近的无线路由节点rnm作为簇头)；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点；即第1个无线监测节点sn1通过无线监测节点sni传输到snn，继而由无线监测节点snn传输给无线路由节点rnj，最后数据在基站节点bn汇聚，其数据流向为sn1→sn2→…→sni→…snn→rnj→bn。

当无线监测单元存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线修复节点、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点和无线修复节点发送至与其距离最近的无线路由节点(即选择距离基站节点最近的无线路由节点rnm作为簇头)；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点；即第1个无线监测节点sn1通过无线监测节点sni-1、无线修复节点wrn以及无线监测节点sni+1传输到snn，继而由无线监测节点snn传输给无线路由节点rnj，最后数据在基站节点bn汇聚，其数据流向为sn1→sn2→…→sni-1→wrn→sni+1→…snn→rnj→bn。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述无线监测节点{sn1,sn2,...,sni,...,snn}由电池供电，部署在地下洞室内。所述无线路由节点{rn1,rn2,...,rnj,...,rnm}由电池供电，部署在基站节点bn附近。所述基站节点bn由有源电源供电，部署在数据传输总路径短的区域，无线修复节点wrn由电池供电备用。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述无线监测单元中的各层网络拓扑采用轮时调度策略，形成各层网络拓扑按照等分时间进行地下洞室的数据采集，包括以下步骤：

0-t1时间段选择第一层网络拓扑msn¹进行地下洞室的数据采集；

t1-t2时间段选择第二层网络拓扑msn²进行地下洞室的数据采集；

……；

ts-1-ts时间段选择第s层网络拓扑msn^s进行地下洞室的数据采集。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述覆盖空洞的判断过程包括：

若所有无线监测节点采集的数据，均能够传输到基站节点，则判断无线网络不存在覆盖黑洞；

若基站节点只能获得部分无线监测节点采集的数据，则判断某无线监测节点sni发生故障，使得无线监测节点{sn1,sn2,...,sni}的数据无法通过无线监测节点sni传输到基站节点，无线网络存在覆盖黑洞，则需要将无线修复节点wrn移动到覆盖黑洞处，即用无线修复节点wrn代替失效的无线监测节点sni，避免网络空洞引起的无线网络部分瘫痪。

实施例2

本发明实施例中提供了一种无线节点监测地下洞室的多层覆盖调度方法，包括以下步骤：

利用无线监测单元采集地下洞室中的数据，形成监测数据；所述无线监测单元包括若干个无线监测节点，所有无线监测节点共同组成多层网络拓扑结构，每层网络拓扑分别用于采集地下洞室中对应部分的数据；

利用无线传输单元接收各层网络拓扑发送的监测数据；

利用基站节点接收无线传输单元发送的监测数据；

当判断出无线监测单元存在覆盖空洞时，驱使无线修复节点至覆盖空洞处进行再覆盖。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，每层网络拓扑均以剩余能量最小作为约束条件，计算每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距；

所述约束条件为：

每层网络拓扑中各无线监测节点间的间距，采用下述公式计算：

其中，eini为无线监测节点的初始能量；为无线监测节点sni接收来自sni-1共数据需要消耗的能量；为无线监测节点sni所接收的数据量；eeler为接收数据电路的耗能，为无线监测节点sni传输到sni+1共数据需要消耗的能量，eeles为发送数据电路的耗能，为无线监测节点所发送的数据量，di为无线监测节点sni的间距，α为无线传输路径损耗，εamp为无线监测节点发送数据时放大器耗能，i为第i个无线监测节点。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述无线传输单元中包括若干个无线路由节点，各无线路由节点采用由密到疏的分簇覆盖，d(rnm)<…<…d(rnj)<d(rn2)<d(rn1)；

当无线监测单元不存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点发送至与其距离最近的无线路由节点；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点；

当无线监测单元存在覆盖空洞时，所述无线监测单元、无线修复节点、无线传输单元、基站节点之间的数据传输过程为：

某层网络拓扑中的各无线监测节点依次转发自身的监测数据，并通过最后一个无线监测节点和无线修复节点发送至与其距离最近的无线路由节点；然后由无线传输单元将监测数据发送至基站节点。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述无线监测单元中的各层网络拓扑采用轮时调度策略，形成各层网络拓扑按照等分时间进行地下洞室的数据采集，包括以下步骤：

0-t1时间段选择第一层网络拓扑msn¹进行地下洞室的数据采集；

t1-t2时间段选择第二层网络拓扑msn²进行地下洞室的数据采集；

……；

ts-1-ts时间段选择第s层网络拓扑msn^s进行地下洞室的数据采集；

所述覆盖空洞的判断过程包括：

若所有无线监测节点采集的数据，均能够传输到基站节点，则判断无线网络不存在覆盖黑洞；

若基站节点只能获得部分无线监测节点采集的数据，则判断某无线监测节点sni发生故障，使得无线监测节点{sn1,sn2,...,sni}的数据无法通过无线监测节点sni传输到基站节点，无线网络存在覆盖黑洞。

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。