有向传感器网络覆盖算法设计与实现.docx

1、有向传感器网络覆盖算法设计与实现有向传感器网络覆盖算法设计与实现 摘要:对目标进行的全方位感知和追踪孕育了无线传感器网络（Wireless sensor network, WSN）的产生和快速发展，且经过数十年对其的研究，现已经取得了丰富的经验和成果。但是随着新型传感器模型的出现及实际情况的广泛需求,特别是在多媒体传感器网络应用越来越多的情况下，以往在覆盖控制方面的算法受到了限制，这必然要求我们提出一些新的改进的覆盖控制方法。本文围绕有向感知模型和转动模型的视频传感器节点进行研究。介绍了有向传感器网络的区域覆盖和栅栏覆盖的原理及算法，并且提出了一种新的覆盖控制算法，并进行了必要的仿真。本文的主

2、要内容如下：提出了一种基于虚拟势场的覆盖增强算法，这是一种区域覆盖增强算法。首先，将节点感知区域质点化，把待解决的问题转化成为质点均匀分布的问题；其次，将有向传感器节点的转动用质点以节点为圆心作圆周运动来代替；最后，通过MATLAB软件仿真表明，该算法提高了网络的覆盖率，而且获得较快的收敛性。 关键词：视频传感器网络；有向感知模型；区域覆盖ABSTRACT: Comprehensive perception and the tracking of targets breed the Wireless sensor network and make it developing rapidly.

3、We have gained rich experience and achievement after decades of research. With the emergence of new models of the sensor and the wide application of multimedia Sensor Network, the existing covering methods on Omni-directional perception are limited when they come to directional perception. This nece

4、ssarily requires that we put forward some new coverage control methods. This text introduces a further and deeper research on video sensor node with both a directional sensing model and a rotational model. We introduced in areas where the sensor network coverage and cover the principle and algorithm

5、 of the fence, and came up with a new algorithm and did some necessary simulations. The main content of this paper is as follows.A coverage enhancement algorithm that based on virtual potential field is proposed. This is a kind of regional coverage enhancement algorithm. Firstly, take the sensing ar

6、ea as mass point, so we can put the actual problem into a mass point uniform distribution problem. Secondly, put the rotation of the direction sensor nodes into a problem of making circular motion centered on nodes. Finally, the MATLAB software simulation shows this algorithm improved the network co

7、verage and achieved rapid convergence.Key Words: video sensor network; directional sensing model; area coverage; 第一章 绪 论现代化的信息社会潮流势不可挡，现代信息科学的六个组成部分是信息的生成、获取、存储、传输、处理和应用。信息的生成和获取构成了现代信息科学的起始环节，离开了它，后面的环节便无法进行，那么实现信息化就更是不可能了。1.1 研究背景 随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统(System on Chip,

8、SoC)、无线通信和低功耗嵌入式技术等互联网技术的飞速发展，终于在上世纪90年代末孕育出了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)技术，它以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知领域的一场变革。传感器获取信息的技术已经逐步实现从单一化的模式向微型化、网络化和智能化等方向的转变了。无线传感器网络是由大量的布置在监测区域内廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式来形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的在于协作的感知、采集、处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并且最终发送给观察者1-4。传感器网络的要素可以分为三个分别是：传感器、感知对象和观察者。

9、作为一种新兴的网络技术，无线传感器网络是一种由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织方式的无线通信模式，互相传递信息，协同的完成某些特定功能的专用智能网络。它可以完成实时监测、感知、采集网络监控区域内所有被监测对象的信息，并将收集的信息进行融合处理，然后传递给用户。无线传感器网络在工业、农业、军事、交通、安全、医疗、空间探索，以及家庭和办公环境等很多领域都有广泛的应用，其研究、开发和应用关系到国家安全、经济发展等很多重要方面5-8。无线传感器网络因其存在巨大的应用价值和前景，在国际社会上硬起了强烈的关注，并投入大量的人力、资金进行研究。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外现状传感器网络的研究

10、起步于20世纪90年代末期。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。目前传感器网络已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。美国很多大学都已开展传感器网络的研究，其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和Inter公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内能自动感知和通信的设备原型的研制。随着物联网概念的兴起，一些国际著名公司和组织对此投入了极大的热情。标准化上，著名的标准化组织发布的IEEE 802.15.4标准，

11、是面向低成本、低功耗、低速率传输网络应用开发的专用无线通信协议，它详细定义了PHY和MAC层通信接口，从趋势上看，很可能成为未来无线传感网领域的PHY/MAC标准；Zigbee联盟制定和设计了实现传感器节点组网的ZigBee协议规范。节点芯片上，有国际著名的芯片大厂如TI、Atmel公司的处理器芯片、Chipcon公司的无线传输芯片等。软件上，很多著名的公司为节点的组网开发了软件协议栈，加州伯克利大学研发的节点组网专用操作系统TinyOS，为无线传感网的组建和其他方面的测试研究提供了基础。1.2.2国内现状我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国

12、科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感

13、网的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感网方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感网研究的行列。传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通

14、工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。1.3 本文内容的组织 本文的内容组织为： 第一章介绍了无线传感器网络的研究背景和国内外的研究现状，并介绍了本文内容的组织情况第二章对无线传感器网络进行了相关的概述，对传感器网络的体系结构、特点、算法技术和应用等做了主要的介绍，此外，介绍了有覆盖控制在有向传感器网络中节点部署方式及分类、意义挑战和不足。第三章介绍了有向传感器感知模型和部署模型，并介绍了已有的覆盖控

15、制算法，且着重介绍了基于虚拟势场的覆盖增强算法。第四章对全文进行了总结，并对未来的研究工作做了展望。第二章 传感器网络的覆盖控制 对无线传感器网络进行了相关的概述，对传感器网络的体系结构、特点和应用等做了主要的介绍，此外，还介绍了有向传感器网络覆盖控制的研究及现有的一些节点部署策略和实际工作中存在的不足。2.1 传感器网络的体系结构要搭建一个传感器网络平台，要求一、组成的节点可靠且有效；二、节点设计必须满足具体的应用环境的要求。本节论述了传感器网络体系和节点的结构。2.1.1 传感器网络体系通常情况下，无线传感器网络系统结构由传感器节点、汇聚点和管理点等三部分组成9。传感器节点具有射频功能，它

16、广泛分布于网络中，主要作用是感知、采集数据，并通过无线传感器网络吧数据信息传给汇聚节点。会聚节点和用户管理中心通过公共网络进行通信，这样用户就可以对收到的数据信息进行处理分析，最后做出相应地判断和控制决策。和其他的网络一样，无线传感器网络的网络分层通信协议也包含五个方面：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层将收到的数据信息进行抽样量化，并负责信号的调制、收发等比特流的传输；数据链路层对数据信息进行成帧、帧监测、媒体接入控制、差错控制等；网络层则实现路由的转发，保证传感器之间、传感器与用户信息接收中心之间的通信；传输层负责网络内部以数据为基础的寻址方式转变为外部网络寻址方式，即数据

17、格式的转换；应用层主要实现传感器网络的实际应用的目的。2.1.2 传感器节点结构组建一个无线传感器网络，首先要求组成的节点可靠有效，需要满足具体的特殊应用要求10。节点必须要有必要的计算功能、内存空间和与之适应的通信设备。一个传感器节点的组成一般可以分为：控制区、存储器、传感器、执行器、通信和电源等五个部分。控制器负责处理数据信息并执行相应代码；存储器用以存储数据和中间节点信息；执行器则用来监测和控制环境参数；通信设备负责在无线信道上发送和接收信息；电源提供节点所需的工作电流电压。2.2 传感器网络的特点无线传感器网络是一种智能的网络技术，它与传统的网络相比有自身的不同之处，其主要特点表现为：

18、（1）传感器节点规模大、分布相对密集、而且采用的是空间位置的寻址方式。为了保证自身的有用性和很强的生存能力，无线传感器网络必须具备数量庞大的节点，可能成千上万甚至会更多，这样就会无可避免的使网络节点的密度达到很高的水平。这种节点部署方式，可以让监测信息的可靠度和精确度得到保证。而且降低了传感器节点的制造精度，还提高了网络的容错性能，增强了网络的监测测效果，大大减小了覆盖盲区。采用空间寻址方式可以解决网络中节点与节点之间不支持相互通信的问题。（2）传感器节点的计算、能量和存储能力有限传感器节点有限的能量构成了无线传感器网络设计的最大约束。在其微型化大趋势下，为其更换电池实现难度太大。此外，传感器

19、节点的计算和存储能力也是非常有限的，这就不能完成复杂的数据存储与计算功能。所以本文提出了一些解决的简单方法。（3）无线传感器网络具有易变的拓扑结构和自组织的能力为了节能的需要，传感器节点的各种工作状态会不断的相互转换，或是各种原因导致故障节点失效，新增加的节点，这些情况都会使无线传感器网络的拓扑结构极易变化。此外，具备移动能力的节点也会促使这一变化。 传感器网络的应用坏境要求它必须要有很好的自组织性。传感器节点通常会被布置在未知的或是不知道具体结构的地理位置当中，节点的预先位置也不会知道，节点间的位置关系更是不明确。这样就必须要求传感器节点能够自行完成管理和配置以构成自主的转发监测信号的多跳的

20、无线传感器网络2.3 传感器网络的应用 传感器网络的研究最早目的是应用与军事领域。大规模声学监测系统运用于海洋监视、小型无人地面传感器网络运用于地面目标监测。然而，低成本的传感器网络的实用性将应用的许许多多其他领域的开发和研究，包括从基础设施建设延伸到工业新领域的最新应用。（1）军事领域的应用传感器网络的自组织性和容错性能使它成为了军事运用中非常有前途的一种感知技术，它在军事系统中是一个完整的组成部分，低成本的传感器节点密集部署使它们在战场中遭到破坏而不至于影响军事的整体作战，因此，现代战场对无线传感器网络的应用越来越广泛，这也是很好的解决办法。（2）环境领域的应用 随着人们生活水平的日益提高

21、，环境环保问题越来越受到人们的关注，环境科学领域涉及到的领域也变得越来越广，无线传感器网络在环境问题的研究主要是监视家禽和牲畜的生活环境状况、农作物的灌溉状况、空气土壤和昆虫种群复杂度及小型动物的繁殖状况的研究等。它还可以用来监测并检测海洋、森林、高山和草原等领域的环境气候变化。这些应用都是将传感数据集中起来然后发送给用户。（3）医疗护理领域的应用传感器网络在医疗系统及健康护理等方面的应用越来越广，它的主要内容包括监控和跟踪医院内患者和医生的行为，监测人体的各种生理数据，医院的药物管理等日常管理系统。把功能不同的传感器节点部署在不同的药物储藏位子，通过计算机系统可以帮助医生更准确更快速的拿到药

22、品。假如在某些病人的身体上安装必要的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生就可以对病人的病情进行实时监控进而对病人的突发状况做最快的反应。（4）智能家居领域的应用 在现代化家居生活中传感器网络的应用也得到了很好的应用。将无线传感网络和因特网连接起来可以给人们提供更加方便快捷科技含量高的舒适的智能家居环境。可以利用基于传感器网络的远程监控系统对家用电器进行远程操控，主人可以在自己下班之前一个小时或半个小时打开家里的空调，当主人回到家的时候便能够享受到自己事先调节好的理想室温，还可以遥控诸如电脑、电话机、电冰箱、电视机电饭锅等家用电器11。（5）建筑物状态监测领域的应用传感器网络可以用于建筑物的安

23、全状态的监控。建筑物的修补可能会导致一些安全隐患的存在，地壳的小移动或许不会给建筑物带来很大的破坏，但是可能会在建筑物的重要支柱上留下一些潜在的裂痕，这样可能就会构成在下次地震中建筑物倒塌的致命原因。美国加州大学计算机和环境工程学院通过大量的运用无线传感器网络，让大楼和桥梁等建筑物能够感知到他们自身的稳定状况，这些传感器网络可以自动将获得的信息数据发送到大楼的管理部门，还可以根据优先级来完成特定的自我修复任务。（6）其他领域方面的应用在其他方面无线传感网络的应用也日趋增多。比如在在复杂机械的维护方面运用无线传感网络技术可以大大降低成不的开销。在一些电缆的铺设方面，低成本的无线技术可以替代昂贵的

24、线缆连接。空间探索领域也在广泛的应用传感器网络。2.4 有向传感器网络的覆盖控制研究作为传感器网络的基本问题之一的覆盖控制，是从物理世界获取信息的重要保障12。节点部署的优劣将直接影响到网络监测信息结果的准确度和精确度。目前有向传感器网络的节点部署主要包括随机部署（random deployment）计划部署（planned deployment）两种13:1）随机部署的策略被人们认为是容易实现和廉价的，特别是对于预先无法知道或人为无法到达的区域，采用这种部署方式是最为合适的。2）计划部署使根据预期所要达到的要求有计划来部署传感器节点，在监测现象的频发区或是关键区域增加节点的部署密度，这种部署

25、方式通常是针对特定用途的。和随机部署相比，计划部署能够有效的降低网络中的重叠感知区域，降低网络中的节点部署成本。目前，研究专家和学者对覆盖控制理论和算法展开了一系列的探索性研究，希望通过合理选择节点部署的策略来优化网络节点数目和布局，并且能最大限度的利用和整合有向传感器网络中有限的资源。人们现在通常运用以下五种方法来对有向传感器网络的覆盖控制进行优化，下面介绍这五种方法的基本思想。2.4.1 冗余部署传感器网络的工作环境通常是很复杂的，所以一般都会采用随机冗余部署方式。它是以牺牲整个网络节点的成本为代价来获取较为理想的网络覆盖性能。然而大规模的冗余部署很难一次性将数目庞大的节点投放到适合的位置

26、，这样势必会造成网络覆盖不均衡（比如局部过密或过蔬），进而形成覆盖感知的重叠区和盲区14。冗余部署的覆盖增强方法通常是通过节点间工作状态的相互切换（活跃/休眠）15,16,17以利用最少的活跃节点来满足网络性能的需求，进而延长网络的工作寿命。这种方法简单易于实现，但是网络部署的成不相对来说比较高。2.4.2 节点运动考虑到有向传感器网络节点方向的可调性，现大部分覆盖控制算法的研究都是基于二维空间感知模型进行的。考虑在一些附硬件设备（如云台）的支持下，通过调整有向传感器节点的感知方向获得网络覆盖率质量的改善43,44,45,46,47，合理优化有向敢直接点的布局，减少感知重叠区和盲区。文献48第

27、一次探讨了基于三维立体空间的感知模型。部分研究成果通过改变有向传感器节点的感知半径和感知夹角（综合表现为有向节点的视域FoV改变）来增强对目标点的监测49,50。2.4.3 节点移动节点移动能够有效解决传感器网络覆盖的完整性、连通性和均衡网络能耗的问题。网络中由于各种因素如有些节点能量的耗尽或是外界的破坏会使节点失效，这就会破坏了网络覆盖的连通性而造成网络覆盖空洞进而是网络无法完成正常的监测任务。这时，最有效方法是通过短距离内移动覆盖空洞附近的节点以达到一种修复性的覆盖。在已有的传统覆盖领域，已提出了利用节点移动改善网络覆盖性能的算法51-53，但是在有向传感器节点领域中这类研究成果并不多见，

28、仅在文献54中略有涉及。节点移动的方法能够有效的改善网络的覆盖，但是其能耗损失太大并且移动还需要其他的外部辅助设备。 2.4.4 添加新节点 节点移动方法通常只能在有限额范围内实现，因为在现实场景下节点移动距离过长会很容易造成节点能量的耗尽或意外死亡55。这种情况下可以通过额外补充新节点的方式来增强网络的覆盖性能。因为随机部署大多会采用飞机抛洒或是认为部署方式，而新节点的添加势必要实施第二轮的部署，增加了部署的代价。此外，添加新节点还有可能带来新的覆盖重叠区域，增加节点的成本。并且这样的部署需要另外设计相关的算法实现对新节点数目和位置的信息估算。这样就代价太高了。 2.4.5 混合策略网络中部

29、署的初始节点通常是静态分布的，这可以保证网络的稳定性和完整性。而移动节点则能够很好的适应传感器网络拓扑结构的动态变化，对区域中的热点目标进行灵活跟踪监测。现在有越来越多的研究使用了这两种部署策略，构成混合型传感器网络（hybrid sensor network）56。通过部署异构的传感器节点来实现全方位多角度覆盖，表现为节点的感知属性、能量和移动能力等方面的差异。在图像和视频传感器网络中多采用这种混合策略。2.4.6 现有工作的不足 覆盖控制一直是无线传感器网络中的热点研究问题，在这种趋势下，很多具有实用意义的成果都相继被人们研究出来。对于感知模型的研究，圆盘感知模型则是现在大部分工作进行的基

30、础；对于节点的感知能力的研究，大多数覆盖控制都是基于静止的节点来进行研究的。不可否认在以往的覆盖控制研究中已经取得了很多成果，但是随着新的应用在无线传感器网络的应用和推广，新的问题不断的产生并需要得到解决，这些问题主要表现在以下两个方面。 （1）对节点感知模型的研究没有充分。圆盘感知模型是基础模型，圆盘感知模型是一种全向感知模型，它规定以节点为圆心的圆盘区域便是节点的感知范围，这是一种理想化的模型。然而现在很多实际应用情况都要求节点有特定的一些功能和特定的感知方向，如超声波传感器、红外传感器、视频传感器等。有向感知模型直到最近才被提出来，这种感知模型认为传感器的感知能力具有方向性，以往适用于理

31、想圆盘模型的解决方案在这种具有方向性的感知模型下不再有效，然而现在对这方面的研究并不多，这就使覆盖控制问题面临了挑战。 （2）全向感知范围在现实中的应用受限。感知模型与它感知的物理量是紧密的联系在一起的，物理量的变化范围就要求了与之相适应的传感器具有不同的感知能力。现有的感知模型认为节点的感知区域便是节点附近的一定区域。但实际上，一些特定的传感器的感知范围仅仅就是它自身所处在的那个位置上。比如浓度传感器。现有的覆盖控制理论和算法大部分都还是基于传感器节点处于静止状态的这一假设。近年来随着研究的不断开展和技术的不断进步，一种可移动的传感器节点被广泛的应用。通过加入移动的节点，可以提高网络的覆盖率

32、，监控面积也可以随着扩大，而且还使网络的灵活性提高了。传感器节点通常都是随机部署的，这样就无可避免的出现某些区域节点过度稠密，而有些则会过于稀疏的两种不均衡的分布局面。这样既有可能会出现覆盖盲区又极可能使网络的服务质量水平低下。随机部署之后，通过可移动的节点在网络中自由的移动可以达到二次部署的效果，使网络充分的将目标区域覆盖进使覆盖质量得到优化。尽管现有的一些研究运用到了可以移动的传感器网络来怎强其网络覆盖，但是存在与实际应用不能有效结合的问题。目前对传感器网络的覆盖控制研究还不是很成熟，还存在不足，还有很多问题有待解决，积极开展有意义的研究活动依然很有必要。2.5 本章小结 本章对无线传感器网络进行了大体的说明，介绍了传感器网络的结构、特点和应用，此外，还介绍了有向传感器网络覆盖控制现有的一些节点部署方法及现有工作的不足。第三章 基于虚拟势场的覆盖增强算法 覆盖控制技术可以有力的保障所获取信息的完整性和有效性，也是获取信息的一种基础性技术，在整个无线传感器网络研究中占据着重要的地位。所以对覆盖控制的研究也是一项重要的内容，并且必须实现无线传感器网络的