一种野外条件下无线传感器网络定位优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种野外条件下无线传感器网络定位优化方法，该方法首先对目标区域进行有限元划分，计算可定位区域的面积，然后依次对传感器网络进行泰森多边形划分、德劳内三角剖分，得到每个德劳内三角形的重心并排序，将新加的传感器节点部署在面积最大的德劳内三角形的重心处，判断网络覆盖率是否满足要求，如不满足则继续循环。本方案提出的定位方法对所定位区域要求非常低，无需布置除节点外的其他设备，无需给定位目标佩戴任何标签；使得定位区域的人力需求非常低，无需人经常性维护，所部属的设备也可以使用较长时间而不需人工干预；被定位区域可以是任野外环境，符合野外大型文化遗产保护、野生动物保的需求。
【专利说明】-种野外条件下无线传感器网络定位优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感网络【技术领域】，具体涉及在野外条件下无线传感器网络的定 位方法，该方法主要以野外大型文化遗产保护、野生动物保护为背景。
【背景技术】
[0002] 野外大型文化遗产保护，需要长期、实时、准确的监测环境数据；野生动物保护，需 要准确的对野生动物进行跟踪、定位。我们采用具有低能耗，自组织，环境适应性强等优点 的无线传感器网络（WSN)技术。无线传感网对目标的定位根据目标是否携带可以协助定位 的标签可区分为携带标签的目标定位和无标签目标定位两种，而由于野生动物和文物保护 场景下，目标常常是不携带标签的，所以好的无标签的目标定位方法显得尤为重要。
[0003] 在无标签的目标定位方法中，有基于声通道、压力、光通道、RSS等方法，考虑到多 目标性和设备的简单性因素，基于RSS的目标定位是最简单有效的解决办法。在基于RSS变 化的目标定位系统中，通过两节点间发送的电磁波来形成对两节点之间空间的覆盖，并通 过目标对电磁波的影响进行分析达到定位效果。而目标对电磁波的影响直接影响定位的正 确性和准确性。根据电磁波绕射产生RSS变化原理，电磁波传播链路上除第一菲涅尔区，目 标出现在其余区域均不会对RSS值产生明显的影响。所以定位问题首要任务是使影响RSS 的区域覆盖总区域的比例尽量的大。由于其直接决定了WSN系统的服务质量（QoS)，因此对 其的研究成为了一个热点。现有的研究根据覆盖方式、节点部署方式节点连通度能力等不 同应用中无线传感器网络属性的差异，提出了多种不同的算法。
[0004] 根据覆盖目标的不同，WSN中的覆盖问题主要分为区域覆盖，点覆盖和栅栏（路 径）覆盖三种，具体概念如下：
[0005] 区域覆盖：目的在于覆盖一个区域，即区域内的每一个位置被至少一个节点的检 测范围所包含。
[0006] 点覆盖：目的在于覆盖一系列位置已知的离散点（或目标）。
[0007] 栅栏覆盖（路径覆盖）：目的在于最小化目的区域被入侵的最大概率。
[0008] 针对这三种不同的应用，其研究主要的目的是探索网络拓扑或优化方案，在2D和 3D环境下，致力于解决覆盖问题较高的，甚至是NP难的复杂度，达到节点数目尽量少、网络 生存周期尽量长和覆盖率尽量大等指标。然而在这些问题中，最小覆盖模型均针对于节点， 为节点感知的圆形范围，在无标签目标检测的可定位覆盖中，最小覆盖模型是由链路决定 的，因此引出了完全不同的覆盖问题。
[0009] 在野外条件下，节点一旦部署，改变其拓扑需要花费较大的代价。因此，在可定位 覆盖率不足时，需要增加一些节点来对网络进行优化。这就产生了问题：为达到一定的可定 位覆盖率，如何增加新节点，使得需要增加的节点尽量少；并且使得可定位覆盖率的提升尽 量大。
【发明内容】
[0010] 在野外大规模随机部署时，部署拓扑一旦确定，更改较为困难，无标签的目标定位 效果只能通过对节点能力的增强和增加节点数量来进行优化，本发明提出在达到预定的可 定位覆盖率的前提下，如何尽可能少的添加传感器节点，以及给出最优的传感器节点的布 设位置。
[0011] 为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是：
[0012] 一种野外条件下无线传感器网络定位优化方法，在所需要监测的目标区域中部署 有多个位置已知的无线传感器节点，每个节点的通信半径均为dmax，在计算机中建立传感器 网络拓扑图，然后执行以下步骤：
[0013] 步骤一，实际可定位区域面积的计算
[0014] 对目标区域进行有限元划分，划分后形成多个大小相同的有限元网格，对于有限 元网格中的一点P，如其满足：
【权利要求】
1. 一种野外条件下无线传感器网络定位优化方法，其特征在于，在所需要监测的目标 区域中部署有多个位置已知的无线传感器节点，每个节点的通信半径均为d_，在计算机中 建立传感器网络拓扑图，然后执行以下步骤： 步骤一，实际可定位区域面积的计算 对目标区域进行有限元划分，划分后形成多个大小相同的有限元网格，对于有限元网 格中的一点P，如其满足：
i, j之间的距离，(Iij彡dmax ; (Xi, y)、（X」，y」）分别为节点i, j的坐标；0为节点i, j之间的 连线与X轴正方向之间的夹角； 记目标区域中所有可定位的有限元网格的总面积为Ptl ; 步骤二，计算添加传感器节点的位置并添加传感器节点 步骤S20,以目标区域中的无线传感器网络作为处理网络；； 步骤S21，对处理网络划分泰森多边形，得到泰森多边形网络； 步骤S22,对泰森多边形网络求对偶，得到劳德内三角剖分； 步骤S23,计算每个德劳内三角形的面积和重心，并按照面积由大到小的顺序进行排 序； 步骤S24,在排序后的面积最大的的德劳内三角形的重心处添加一个传感器节点； 步骤S25,步骤S24添加节点后，返回步骤一，对添加了新的节点的目标区域进行有限 元划分，计算出添加了新的节点后目标区域中所有可定位的有限元网格的总面积Pc/，计 算AP = Pc/ -Pci，如果AP满足要求，则结束，否则返回步骤二，以添加了新的节点的传感 器网络作为处理网络，计算出下一个传感器节点的添加位置。
2. 如权利要求1所述的野外条件下无线传感器网络定位优化方法，其特征在于，步骤 一中选择有限元网格的中点作为点P。
【文档编号】H04W64/00GK104363650SQ201410482991
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】汤战勇, 陈晓江, 兰轩宇, 房鼎益, 刘晨, 聂卫科, 徐丹, 邢天璋, 任宇辉, 王举 申请人:西北大学