工业厂区有毒气体边界区域定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种工业厂区有毒气体边界区域定位方法，包括如下步骤：（1）区分出有毒气体内的所有节点以及有毒气体外的所有节点；（2）每个传感器节点向自身一跳内所有邻居节点广播消息；（3）内边界节点定位以及内边界定位；（4）外边界节点定位以及外边界定位；（5）边界Face面积区域定位；（6）边界区域定位。本发明不仅能够定位出有毒气体的内外边界节点，而且还能精确的定位出有毒气体所在的边界区域面积。
【专利说明】工业厂区有毒气体边界区域定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业无线传感器网络领域，具体的发明涉及一种工业厂区有毒气体边 界区域定位方法，将有毒气体的边界面积区域定位出来并报道，并且提高有毒气体边界区 域的定位精度。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着传感器制造技术和无线网络通信技术的发展和成熟，让小型化、高集 成和多功能的传感器节点的使用成为现实，在大型石化企业的生产过程中常常会伴随着出 现各种各样的有毒化学气体，当这些有毒气体达到一定浓度时，会威胁到一线工作人员的 生命安全以及以亿元为单位的直接重大经济损失，所以对泄漏的有毒气体的检测以及定位 是至关重要的。而且气体不像液体有明确的边界，气体所需要解决的最主要的问题除了准 确检测出气体外，还要利用传感器网络来确定气体的大致边界区域，并通过一系列算法提 高边界区域准确度。
[0003] 目前国内外针对边界定位的相关研究文献如下：
[0004]2〇〇8 年，Chang等人在《CODA:AContinuousObjetDetectionandTracking AlgorithmforWirelessAdHocSensorNetworks》中提出了允许每个传感器节点在感测 范围内探测和跟踪移动目标的CODA策略，提出连续目标的边界传感器是由静态簇群中的 簇头决定的，而不是由多个传感器经过大量的数据交换后决定的，能够减少通信开销和能 量损耗。但是CODA算法在前期的簇结构以及簇维护花费是很高的，而且它是基于凸包的算 法，在一些检测凹的连续目标的时候不是特别准确可靠。
[0005] 2011 年，Luan等人在《ContinuousObjectTracinginWirelessSensor Networks》中提出了连续对象追踪的RC0T算法，RC0T是第一个采用环网结构进行检测跟监 控连续对象的边界的理论算法，并且通过采用压缩报告信息的大小来减少能量损耗。但是 他报告的是有毒气体的内边界节点，而不是有毒气体的边界所穿过的区域。
[0006] 2012年，Kim等人在《EfficientContinuousObjectTrackingwithVirtualGrid inWirelessSensorNetworks》中提出了用类似电视剧中像素分布成像的方案来检测跟踪 定位气体目标。虽然报告有毒气体边界所穿过的区域面积，但是该方法假设的基于虚拟网 格的网络模型太过于理想化，在许多实际应用中，例如在大型石化工厂中，基于网格的网络 布置很难实现，而且该方案中的虚拟网格设置的密度直接影响到气体边界探测的精度。
[0007] 因此，目前关于边界定位的文献中普遍存在的问题是：
[0008] 大多数的关于连续物体定位算法都只是检测出了内边界节点，而不是目标物体所 在的区域，这对于气体来说是毫无意义的。或者有些模型太过于理想化，现实中很难实现。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为了解决目前在大型工业厂区中有毒气体的定位算法在定位时 的不足之处，本发明的方法不仅可以检测出有毒气体，而且可以较为精确地定位出有毒气 体所在的边界区域。
[0010] 为了达到上述目的，本发明提供了基于平面化算法的有毒气体边界区域定位方 法。由于在厂区内无线传感器节点是随机分布式布置的，为了能让各节点有效的连通并且 能够高效节能，本发明选择了用平面化算法使整个网络连通。
[0011] 本发明的技术方案如下：
[0012] 一种工业厂区有毒气体边界区域定位方法，包括如下步骤：
[0013] (1)、每个传感器节点检测自身是否感应到有毒气体，区分出是有毒气体内的所有 节点以及有毒气体外的所有节点；
[0014] (2)、每个传感器节点向自身一跳内所有邻居节点广播消息，所述节点广播的信息 数据至少包括三种：节点的ID信息，节点的坐标信息以及节点是否感应到有毒气体的信 息；
[0015] (3)、内边界节点定位以及内边界定位
[0016] 在所有有毒气体内节点，根据收到一跳通信范围内邻居节点的信息中的是否感应 到有毒气体的信息，判断：
[0017] 3a、假设一个节点的所有邻居节点都感应到有毒气体，则该节点为普通有毒气体 内节点，在计算中剔除；
[0018] 3b、假设一个节点接收到的所有邻居节点的信息中至少有一个节点没有感应到有 毒气体，那么这个节点则为内边界节点，并记录相应的ID信息以及坐标信息；
[0019] 3c、根据边界节点定位中步骤3b记录的ID信息以及坐标信息，使内边界节点形成 一个唯一的环形通路，称为内边界；
[0020] (4)、外边界节点定位以及外边界定位
[0021] 在所有有毒气体外的节点中，根据收到一跳通信范围内邻居节点的信息包中的是 否感应到有毒气体的信息，判断 ：
[0022] 4a、假设一个节点的所有邻居节点都没有感应到有毒气体，则该节点为普通的有 毒气体外节点，在计算中剔除；
[0023] 4b、假设一个节点接收到的所有邻居节点的信息中至少有一个节点有感应到有毒 气体，那么这个节点则为外边界节点，并记录相应的ID信息以及坐标信息；
[0024] 4c、根据边界节点定位中步骤4b记录的ID信息、坐标信息以及存储在基站中的整 个网络节点连通的全局路由信息，使外边界节点形成一个唯一的环形通路，称为外边界；
[0025] (5)、边界Face面积区域定位
[0026] 根据内外边界的节点信息以及存储在基站中的整个网络节点连通的全局路由信 息，相邻并相连的两个内边界节点以及他们所对应的外边界节点通过全局路由信息找彼 此相连的最短通路；
[0027] 假设两个内边界节点都只有一个外边界节点，那么通过全局路由信息找到外边界 节点相连的最短通路，之后与内外边界节点相连所围成的区域就为边界Face面积区域；
[0028] 假设两个内边界节点都有2个以上的外边界节点，那么通过全局路由信息计算， 其中一个内边界节点的一个外边界节点找另一个内边界节点的外边界节点的最短通路中 存在这个内边界节点的其他外边界节点，那么用通路中的外边界节点替换之前的外边界节 点；以此类推，2个外边界节点相连的最短路径内不包含其他的外边界节点，则最短通路以 及内外边界节点所围成的区域为边界Face面积区域；
[0029] (6)、边界区域定位
[0030] 根据确定的内边界和外边界的信息，确定边界区域，内边界跟外边界所围成的中 间区域即为有毒气体边界区域。
[0031] 上述步骤3c中内边界节点形成一个唯一的环形通路的方法为：
[0032] 每个内边界节点必然都会连接且仅会连接其他2个内边界节点，根据已知的坐标 信息，假设节点I的坐标为（xpyi)，其他节点的坐标为J(xj，yj)，计算I节点跟其他节点 距离
【权利要求】
1. 一种工业厂区有毒气体边界区域定位方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 、每个传感器节点检测自身是否感应到有毒气体，区分出有毒气体内的所有节点以 及有毒气体外的所有节点； (2) 、每个传感器节点向自身一跳传播范围内所有邻居节点广播消息，所述节点广播的 信息数据至少包括三种：节点的ID信息，节点的坐标信息以及节点是否感应到有毒气体的 信息； (3) 、内边界节点定位以及内边界定位 在所有有毒气体内的节点，根据收到一跳范围内邻居节点的信息中的是否感应到有毒 气体的信息，判断： 3a、假设一个节点的所有邻居节点都感应到有毒气体，则该节点为普通有毒气体内节 点，在计算中剔除； 3b、假设一个节点接收到的所有邻居节点的信息中至少有一个节点没有感应到有毒气 体，那么这个节点则为内边界节点，并记录相应的ID信息以及坐标信息； 3c、根据边界节点定位中步骤3b记录的ID信息以及坐标信息，使内边界节点形成一个 唯一的环形通路，称为内边界； (4) 、外边界节点定位以及外边界定位 在所有有毒气体外的节点中，根据收到一跳广播范围内邻居节点的信息包中的是否感 应到有毒气体的信息，判断： 4a、假设一个节点的所有邻居节点都没有感应到有毒气体，则该节点为普通的有毒气 体外节点，在计算中剔除； 4b、假设一个节点接收到的所有邻居节点的信息中至少有一个节点有感应到有毒气 体，那么这个节点则为外边界节点，并记录相应的ID信息以及坐标信息； 4c、根据边界节点定位中步骤4b记录的ID信息、坐标信息以及存储在基站中的整个网 络节点连通的全局路由信息，使外边界节点形成一个唯一的环形通路，称为外边界； (5) 、边界Face面积区域定位 根据内外边界的节点信息以及存储在基站中的整个网络节点连通的全局路由信息， 相邻并相连的两个内边界节点以及他们所对应的外边界节点通过全局路由信息找彼此相 连的最短通路； 假设两个内边界节点都只有一个外边界节点，那么通过全局路由信息找到外边界节点 相连的最短通路，之后与内外边界节点相连所围成的区域就为边界Face面积区域； 假设两个内边界节点都有2个以上的外边界节点，那么通过全局路由信息计算，其中 一个内边界节点的一个外边界节点找另一个内边界节点的外边界节点的最短通路中存在 这个内边界节点的其他外边界节点，那么用通路中的外边界节点替换之前的外边界节点； 以此类推，2个外边界节点相连的最短路径内不包含其他的外边界节点，则最短通路以及内 外边界节点所围成的区域为边界Face面积区域； (6) 、边界区域定位 根据确定的内边界和外边界的信息，确定边界区域，内边界跟外边界所围成的中间区 域即为有毒气体边界区域。
2. 根据权利要求1所述的工业厂区有毒气体边界区域定位方法，其特征在于所述步骤 3c中内边界节点形成一个唯一的环形通路的方法为： 每个内边界节点必然都会连接且仅会连接其他2个内边界节点，根据已知的坐标信 息，假设节点I的坐标为（Xi，Yi)，其他节点的坐标为J(X」，y」)，计算I节点跟其他节点距 离乂名-J/)2+(X-乃)2，取距离最小的2个节点相连，之后任意取一个方向依次类推进 行递归选择，直到回到第一个节点，使所有内边界节点形成一个唯一的环，称为内边界。
3.根据权利要求1所述的工业厂区有毒气体边界区域定位方法，其特征在于所述步骤 4c中内边界节点形成一个唯一的环形通路的方法为： 假设两个相邻的外边界节点需要相连，根据ID信息、坐标信息以及存储在基站中的整 个网络节点连通的全局路由信息，首先判断是否在传感器节点的一跳邻居通信范围内，如 果是则直接相连，如果不是，则再判断两个节点相连的最短路径是否通过内边界节点，如果 是则剔除这条通路，选择除通过内边界节点外的最短路径，如果不是则选择其为连接路径， 依次类推使所有外边界节点形成一个唯一的环形通路，称为外边界。
【文档编号】H04W84/18GK104320822SQ201410588333
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】舒磊, 李浩波, 周长兵, 张峰 申请人:广东石油化工学院