本發(fā)明涉及無線傳感器網絡領域，特別的涉及一種非規(guī)則區(qū)域的無線傳感器網絡節(jié)點部署方法。

背景技術：

無線傳感器網絡大大提高了人們獲取信息的能力，在智能工廠、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、智能農業(yè)等領域得到廣泛的應用。對于智能工廠、智能家居、醫(yī)院等室內環(huán)境或存在邊界的環(huán)境的無線傳感器網絡應用，其共同特點是監(jiān)測區(qū)域都存在邊界，所以，研究利用最少的節(jié)點對邊界區(qū)域進行確定性部署具有重要的實際意義，特別地，對于非規(guī)則區(qū)域的節(jié)點部署更是一個難題。

對于邊界區(qū)域的部署問題，目前研究成果還比較少，在文獻《圓周對矩形區(qū)域的覆蓋》(“Covering a Rectangle With Equal Circles”，發(fā)表于期刊Periodica Mathematica Hungarica,1997,34(1-2):65-81)中，A.Heppes求解出5個圓周和7個圓周所能覆蓋的最大矩形區(qū)域；文獻《6和8圓周在正方形的優(yōu)化覆蓋》(“Improved coverings of a square with six and eight equal circles”，發(fā)表于Electronic Journal of Combinatorics,3(1),1996)中，Melissen解決了6個和8個圓周覆蓋區(qū)域最大化的部署問題；文獻《30個相同圓周的正方形覆蓋》(“Covering a square with up to 30equal circles”，發(fā)表于Sabbagh,2000)中，Hgskolan T等人對正方形的圓周覆蓋問題進行推廣，求解出30個圓周的覆蓋區(qū)域最大化的部署問題。在文獻《邊界區(qū)域的無線網絡覆蓋》(“On Wireless Network Coverage in Bounded Areas”,發(fā)表于國際會議INFOCOM 2013)中，Zuoming Yu等人提出了利用蜂窩結構對矩形區(qū)域及基于矩形區(qū)域的一般區(qū)域的部署方法。

由以上可知，對于邊界區(qū)域部署的研究成果還相當有限。大部分文獻都是研究矩形區(qū)域的覆蓋問題，且目前的研究成果僅限于30個等圓周；文獻《邊界區(qū)域的無線網絡覆蓋》取得一定突破，但也只是研究基于矩形的一般區(qū)域，對非規(guī)則區(qū)域則沒有給出具體的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種非規(guī)則區(qū)域的無線傳感器網絡節(jié)點部署方法，用以解決邊界非規(guī)則的監(jiān)測區(qū)域難以確定節(jié)點部署位置及節(jié)點數(shù)量代價高的問題。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供的技術方案是，一種非規(guī)則區(qū)域的無線傳感器網絡節(jié)點部署方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，生成非規(guī)則監(jiān)測區(qū)域的外廓四邊形：提取該區(qū)域的邊界，根據(jù)邊界上的點生成其外廓四邊形；

步驟2，構造蜂窩結構：假設節(jié)點感知半徑為r，以r為邊長生成正六方形，并以此正六方形構造蜂窩結構；

步驟3，外廓四邊形節(jié)點部署：利用步驟2中生成的蜂窩結構對步驟1中生成的外廓四邊形進行確定性的優(yōu)化部署，使部署的節(jié)點最少；

步驟4，剔除冗余節(jié)點：遍歷所有節(jié)點，把節(jié)點感知范圍與待監(jiān)測區(qū)域沒有交集的節(jié)點剔除掉，剩下的節(jié)點即為對該非規(guī)則區(qū)域進行的最優(yōu)部署節(jié)點。

進一步的，所述步驟1包括：

步驟1.1，任取不包含邊界的監(jiān)測區(qū)域內的一點，作為直角坐標系的原點，遍歷邊界上的點，分別標記橫坐標值、縱坐標值最大及最小的點；

步驟1.2，對于具有橫坐標值最大及最小的點，求出與這些點相交的與縱坐標軸平行的兩條直線；

步驟1.3，對于具有縱坐標值最大及最小的點，求出與這些點相交的與橫坐標軸平行的兩條直線；

步驟1.4，那么，這4條線相交所形成的四邊形即為該非規(guī)則區(qū)域的外廓四邊形。

進一步的，所述步驟3包括：

利用蜂窩結構對外廓四邊形進行確定性的優(yōu)化部署指靠近邊界處的蜂窩中的正六邊形與邊界的對齊方式：

步驟3.1，對于外廓四邊形平行于縱坐標軸的兩條邊，任選其中一條邊V0，令靠近V0的1列正六邊形的中心點與V0的距離為d0＝r*1/2；

步驟3.2，對于外廓四邊形平行于橫坐標軸的兩條邊，任選其中一條邊H0，把靠近H0的一排正六方形的中心點連成一條線，或平行于橫坐標軸的邊連成一條線L，令L與H0重疊，該方式即是利用蜂窩結構在矩形邊界區(qū)域的最優(yōu)部署模式。

進一步的，所述步驟4具體是：在步驟3中蜂窩結構的每個正六邊形的中心都部署節(jié)點，節(jié)點的感知范圍為半徑等于r的圓形，遍歷監(jiān)測區(qū)域外的所有節(jié)點N，剔除掉感知范圍與監(jiān)測區(qū)域不重疊的節(jié)點，那么，剩下的節(jié)點就是對該非規(guī)則區(qū)域的所部署的節(jié)點。

本發(fā)明解決了在無線傳感器網絡中能夠非規(guī)則區(qū)域難以確定節(jié)點部署位置及節(jié)點數(shù)量代價高的問題，對各種非規(guī)則區(qū)域具有較好的適應性，實現(xiàn)簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的非規(guī)則區(qū)域的無線傳感器網絡節(jié)點部署方法流程圖；

圖2為邊界非規(guī)則的監(jiān)測區(qū)域；

圖3為非規(guī)則區(qū)域中具有最大及最小橫坐標值、縱坐標值的點；

圖4為非規(guī)則區(qū)域的外廓四邊形；

圖5為邊長為r的正六方形；

圖6為邊長為r的正六方形生成的蜂窩結構；

圖7為利用蜂窩結構對外廓四邊形進行優(yōu)化部署；

圖8為剔除掉冗余節(jié)點后的非規(guī)則區(qū)域的節(jié)點部署圖；

具體實施方式

下面結合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該說明的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。

本發(fā)明提供一種非規(guī)則區(qū)域的無線傳感器網絡節(jié)點部署方法，其是一種基于蜂窩結構的面向非規(guī)則區(qū)域的確定性部署方法。圖1是本發(fā)明提供的非規(guī)則區(qū)域的無線傳感器網絡節(jié)點部署方法流程圖，其包括以下步驟：

步驟1：生成非規(guī)則監(jiān)測區(qū)域的外廓四邊形：提取該區(qū)域的邊界，根據(jù)邊界上的點生成其外廓四邊形。

圖2為一邊界非規(guī)則的監(jiān)測區(qū)域，該監(jiān)測區(qū)域可以為任意的凸或非凸形狀的區(qū)域，生成該區(qū)域外廓四邊形的具體步驟是：

步驟1.1：如圖3所示，任取該不規(guī)則監(jiān)測區(qū)域內的一點OP(不包含邊界)作為直角坐標系的原點，并標出該直角坐標系，如圖3中所示的直角坐標系；遍歷邊界上的點，分別標記橫坐標值、縱坐標值最大及最小的點，如圖3所示，X1表示橫坐標值最小的點，X2為橫坐標值最大的點，Y1為縱坐標值最小的點，Y2為縱坐標值最大的點；

步驟1.2：如圖4所示，通過點X1作一直線L_X1，并使該直線與縱坐標軸平行；同理，通過點X2作一直線L_X2，并使該直線與縱坐標軸平行。

步驟1.3：如圖4所示，通過點Y1作一直線L_Y1，并使該直線與橫坐標軸平行；同理，通過點Y2作一直線L_Y2，并使該直線與橫坐標軸平行。

步驟1.4：如圖4所示，直線L_X1、L_X2、L_Y1、L_Y2相交于4個點A、B、C、D，線段AB、BC、CD、DA所形成的四邊形即為該非規(guī)則區(qū)域的外廓四邊形S。

步驟2，構造蜂窩結構：假設節(jié)點感知半徑為r，以r為邊長生成正六方形，并以此正六方形構造蜂窩結構。

如圖5所示，傳感器節(jié)點N1的感知范圍是半徑為r的圓，感知范圍內所發(fā)生的事件均能被該節(jié)點所檢測到。在文獻《區(qū)域覆蓋的圓周數(shù)量》(“The number of circles covering a set”，發(fā)表于American Journal of Mathematics,61:665-671,1939)中，克什納證明了蜂窩結構是無邊界區(qū)域的最優(yōu)覆蓋模式，即對同等面積區(qū)域進行全覆蓋時，蜂窩結構所需節(jié)點數(shù)量最少。因此，本發(fā)明以r為邊長構造圖5中的正六變形O，并以S為單元構造圖6的蜂窩H。

步驟3：外廓四邊形節(jié)點部署：利用步驟2中生成的蜂窩結構對步驟1中生成的外廓四邊形進行確定性的優(yōu)化部署，使部署的節(jié)點最少。

圖7中，利用蜂窩結構H對外廓四邊形S進行確定性的優(yōu)化部署時，當蜂窩單元所在位置遠離邊界時，其部署如同無邊界區(qū)域；當靠近邊界時，需對蜂窩單元的位置作精確部署，具體過程如下：

步驟3.1：對于外廓4邊形S平行于縱坐標軸的兩條邊V0及V1，任選其中一條邊V0，令靠近V0的蜂窩H中1列正六邊形的中心點，如圖7中的中心點CP與V0的距離為d0＝r*1/2，這樣部署的優(yōu)點是實現(xiàn)了邊界區(qū)域的全覆蓋，同時沒有浪費節(jié)點的覆蓋能力；

步驟3.2：對于外廓4邊形S平行于橫坐標軸的兩條邊H0及H1，任選其中一條邊H0，把靠近H0的一排正六方形的中心點連成一條線，或平行于橫坐標軸的邊連成一條線L，令L與H0重疊，該方式即是利用蜂窩結構在矩形邊界區(qū)域的最優(yōu)部署模式。

必須強調的是，當V1、H1邊界處的蜂窩對齊方式分別跟V0、H0一致時，此時達到了最優(yōu)的部署；但由于外廓四邊形的邊長跟節(jié)點的感知半徑是常量，很難同時保證4個邊界同時達到最優(yōu)化部署，但至少可保證相鄰兩條邊實現(xiàn)最優(yōu)化部署，所以，對外廓四邊形進行部署時一般選相鄰的兩條邊進行如圖7所示的最優(yōu)化部署。

步驟4：剔除冗余節(jié)點：遍歷所有節(jié)點，把節(jié)點感知范圍與待監(jiān)測區(qū)域沒有交集的節(jié)點剔除掉，剩下的節(jié)點即為對該不規(guī)則區(qū)域進行的最優(yōu)部署節(jié)點。

具體過程是：在圖7中的蜂窩結構的每個正六邊形的中心都部署節(jié)點，節(jié)點的感知范圍為半徑等于r的圓形，遍歷監(jiān)測區(qū)域外的所有節(jié)點N，剔除掉感知范圍與監(jiān)測區(qū)域不重疊的節(jié)點，那么，剩下的節(jié)點就是對該不規(guī)則區(qū)域的所部署的節(jié)點，如圖8所示?？梢宰C明，對外廓四邊形的蜂窩結構部署是節(jié)點數(shù)量最小化的最優(yōu)部署，而步驟4剔除了最大數(shù)量的冗余節(jié)點，所以本發(fā)明實現(xiàn)了對非規(guī)則區(qū)域的節(jié)點數(shù)量最小化的最優(yōu)化部署。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。