一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法技术

本发明专利技术涉及一种在复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法,该方法首先确定瘫痪区域，选定离瘫痪区域最近的节点作为最终目标节点；移动载体挂载多个传感器节点通过不断定位和修正前进方向实现在现存网络中的自主寻路到达最终目标节点后，利用RSSI测距技术及数学模型确定进入瘫痪区域的方向，再根据链式网络搭建原理重塑无线传感器网络，实现原本网络的基本功能。本发明专利技术解决了复杂环境下无线传感器网络由于少数节点瘫痪导致的节点失联甚至网络瘫痪的问题以及盲目“撒点”补网所导致的资源浪费等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法
本专利技术涉及一种无线传感器网络重塑方法，尤其是一种在复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法。
技术介绍
无线传感器网络是一种综合了多种技术的自组织网络，由大量具有感知能力、计算能力和无线通信能力的微型节点组成，利用无线收发技术通过所有节点运行相应的组网协议自动形成一个多跳通信方式的网络系统。由于其价格低廉、快速展开、抗损坏性强等特点，使其广泛应用于军事侦察、环境监测、资源开采等多个领域。在一些复杂环境或特殊场合中安置的传感器可以实现有效的监控和处置，但在灾害或危险情况发生时，整个无线传感器网络极易因恶劣的环境而损坏，从而导致整个网络无法进行通信或无法完全覆盖要求的区域范围而失去作用，灾难发生的不可预知性、现场环境的复杂恶劣以及救援的紧迫性等特点对网络重塑提出了更高的需求。常见的无线残存传感器网络包括若干传感器节点、少量锚节点和一个数据处理中心，由于不可抗力因素，该网络无法覆盖整个监测区域，存在空洞或断层；传统的无线传感器网络修复方法多基于二次布点、重复覆盖等方法，其具有很大的盲目性，同时由于多数传感器节点的不可回收性造成严重的资源浪费，在此种条件下提出了一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种能够快速准确的实现复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，在灾害发生后，可以快速有效的恢复整个无线传感器网络的通信，实现原本网络的基本功能。本专利技术的目的是这样实现的：一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，包括确定无线传感器网络的瘫痪区域，选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点；移动载体挂载多个传感器节点由数据处理中心出发前往最终目标节点，移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向；当移动载体到达最终目标节点后，利用最终目标节点和最邻近最终目标节点的两个簇头节点来确定进入瘫痪区域的前进方向；进入瘫痪区域后，移动载体屏蔽现存传感器网络中除最终目标节点外的所有信号，以最终目标节点为起点，根据链式网络搭建原理重塑无线传感器网络。所述移动载体包括：处理单元、可擦写存储器、无线信号收发装置、挂载弹射装置、避障装置、摄像头和移动装置；所述的处理单元与无线信号收发装置、可擦写存储器、挂载弹射装置、避障装置、摄像头及移动装置相连，作为中枢，控制无线信号收发装置和可擦写存储器的工作流程并使它们协调运转，控制挂载弹射装置、避障装置和摄像头；所述的可擦写存储器，用于程序的读取与写入，以及数据的存储；所述的无线信号收发装置，用于无线信号的收发以及移动载体的定位；所述的挂载弹射装置，用于释放挂载的传感器节点以重塑网络；所述的避障装置、摄像头，用于躲避障碍和采集现场环境信息；所述的移动装置，作为传感器节点的载体，受处理单元的控制，以达到系统所需的移动要求。所述确定无线传感器网络的瘫痪区域的方法是：数据处理中心向外广播特定数据请求；簇头节点接收到特定数据请求指令后，将邻近簇的簇标识、通信状态以及本簇内节点的通信状态以数据包的形式传输到数据处理中心；数据处理中心将收到的含有唯一簇标识的数据包解压后，根据所含的节点通信状态绘制网络连通图，并与之前绘制的网络连通图作比较，以此检验整个网络的连通性，判断是否出现网络“空洞”或断层；根据簇头节点的邻居节点表选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点。所述移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向的过程如下：步骤1)数据处理中心请求最终目标节点的坐标信息，以数据处理中心为起点，最终目标节点为终点构造方向向量，并将最终目标节点的坐标信息和向量信息存储到移动载体中，移动载体从数据处理中心出发，以构造的方向向量为基准方向前进；步骤2)移动载体在移动的过程中，每进入一个簇，就加入该簇，移动载体需要回传给数据中心的数据以及数据中心对移动载体的控制指令都通过与簇头的通信实现数据传输；移动载体在现存传感器网络的移动过程中遭遇复杂地形或障碍无法继续前进时，移动载体停止前进并向数据处理中心发送紧急情况处理请求，接收到数据处理中心传来的紧急情况控制指令后施行自主避障或启动摄像头回传环境数据等待人工操作进行避障；顺利避障后，移动载体重新定位继续移动；步骤3)移动载体在移动过程中，当移动载体检测到的当前目标节点发来的信号的信号强度值大于设定的最高信号强度阈值时，即认为移动载体到达当前目标节点，移动载体停止前进；步骤4)移动载体处于当前目标节点时，在一定时间，即若干个锚节点广播周期内接收锚节点信号，之后不再接收新的锚节点信息，根据设定的最低信号强度阈值筛选接收到的锚节点，并判断符合要求的锚节点数量是否大于等于定位所需的最低锚节点数量，即3个锚节点，若大于或等于3个，则结合RSSI测距技术和质心算法直接对移动载体进行定位；步骤5)当检测到的符合要求的锚节点数量小于3个时，请求邻近当前目标节点的簇头节点身份信息、坐标信息及其定位误差；根据定位误差对簇头按从小到大排序，小于设定的最大误差阈值的加入伪锚节点队列，大于设定的最大误差阈值的舍弃；再根据设定的最低信号强度阈值筛选伪锚节点，大于最低信号强度阈值的伪锚节点按定位误差优先级补齐定位所需的锚节点数量，对移动载体进行定位；步骤6)移动载体的坐标确定后，首先判断伪锚节点队列中是否含有最终目标节点，若存在，则直接将最终目标节点作为下一步目标节点，到达后准备进入瘫痪区域；若不存在最终目标节点，则求各个真/伪锚节点到步骤1中所述基准方向线的距离，选取除当前目标节点外距离基准方向线最近的真/伪锚节点作为下一步的目标节点，且下一步目标节点相比于当前目标节点更接近最终目标节点，以保证移动载体一直向最终目标节点方向移动；步骤7)下一步目标节点确定后，移动载体根据上一步载体坐标、当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标及基准方向线来修正下一步的前进角度；移动载体按修正后的方向前往下一步目标节点，重复步骤2～7，直至到达最终目标节点。所述无线传感器网络的重塑过程如下：步骤1)当移动载体到达最终目标节点后，移动载体将修正进入瘫痪区域的前进方向：移动载体请求除最终目标节点外最邻近移动载体的两个簇头节点的身份及坐标信息，并通过RSSI测距方法获得移动载体到两个簇头的距离，移动载体坐标点分别与两个簇头节点构成两条线段h1和h2；分别求两条线段的中垂线L4和L5，两条中垂线相交于一点；两条中垂线靠近最终目标节点的一侧形成的区域就是瘫痪节点所在的区域；中垂线交点至移动载体坐标点形成的方向向量就是移动载体进入瘫痪区域的前进方向，移动载体修正方向角度后进入瘫痪区域；步骤2)移动载体将最终目标节点作为网络重塑起点，屏蔽除最终目标节点，即重塑起点的信号外的现存网络中其他传感器的信号，按照修正的方向进入瘫痪区域；步骤3)移动载体在该移动过程中不断检测来自重塑起点的信号强度，同时检测是否有其他新的信号来源；当移动载体检测到的重塑起点的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度阈值时，移动载体控制弹射装置释放一个挂载的传感器节点，激活释放的传感器节点使其与重塑起点建立点对点的连接，并指定释放节点的级数使其加入重塑起点的邻居节点列表，移动载体记录该传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，包括确定无线传感器网络的瘫痪区域，选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点；移动载体挂载多个传感器节点由数据处理中心出发前往最终目标节点，移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向；当移动载体到达最终目标节点后，利用最终目标节点和最邻近最终目标节点的两个簇头节点来确定进入瘫痪区域的前进方向；进入瘫痪区域后，移动载体屏蔽现存传感器网络中除最终目标节点外的所有信号，以最终目标节点为起点，根据链式网络搭建原理重塑无线传感器网络。

【技术特征摘要】
1.一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，包括确定无线传感器网络的瘫痪区域，选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点；移动载体挂载多个传感器节点由数据处理中心出发前往最终目标节点，移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向；当移动载体到达最终目标节点后，利用最终目标节点和最邻近最终目标节点的两个簇头节点来确定进入瘫痪区域的前进方向；进入瘫痪区域后，移动载体屏蔽现存传感器网络中除最终目标节点外的所有信号，以最终目标节点为起点，根据链式网络搭建原理重塑无线传感器网络。2.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述移动载体包括：处理单元、可擦写存储器、无线信号收发装置、挂载弹射装置、避障装置、摄像头和移动装置；所述的处理单元与无线信号收发装置、可擦写存储器、挂载弹射装置、避障装置、摄像头及移动装置相连，作为中枢，控制无线信号收发装置和可擦写存储器的工作流程并使它们协调运转，控制挂载弹射装置、避障装置和摄像头；所述的可擦写存储器，用于程序的读取与写入，以及数据的存储；所述的无线信号收发装置，用于无线信号的收发以及移动载体的定位；所述的挂载弹射装置，用于释放挂载的传感器节点以重塑网络；所述的避障装置、摄像头，用于躲避障碍和采集现场环境信息；所述的移动装置，作为传感器节点的载体，受处理单元的控制，以达到系统所需的移动要求。3.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述确定无线传感器网络的瘫痪区域的方法是：数据处理中心向外广播特定数据请求；簇头节点接收到特定数据请求指令后，将邻近簇的簇标识、通信状态以及本簇内节点的通信状态以数据包的形式传输到数据处理中心；数据处理中心将收到的含有唯一簇标识的数据包解压后，根据所含的节点通信状态绘制网络连通图，并与之前绘制的网络连通图作比较，以此检验整个网络的连通性，判断是否出现网络“空洞”或断层；根据簇头节点的邻居节点表选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点。4.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向的过程如下：步骤1）数据处理中心请求最终目标节点的坐标信息，以数据处理中心为起点，最终目标节点为终点构造方向向量，并将最终目标节点的坐标信息和向量信息存储到移动载体中，移动载体从数据处理中心出发，以构造的方向向量为基准方向线前进；步骤2）移动载体在移动的过程中，每进入一个簇，就加入该簇，移动载体需要回传给数据中心的数据以及数据中心对移动载体的控制指令都通过与簇头的通信实现数据传输；移动载体在现存传感器网络的移动过程中遭遇复杂地形或障碍无法继续前进时，移动载体停止前进并向数据处理中心发送紧急情况处理请求，接收到数据处理中心传来的紧急情况控制指令后施行自主避障或启动摄像头回传环境数据等待人工操作进行避障；顺利避障后，移动载体重新定位继续移动；步骤3）移动载体在移动过程中，当移动载体检测到的当前目标节点发来的信号的信号强度值大于设定的最高信号强度阈值时，即认为移动载体到达当前目标节点，移动载体停止前进；步骤4）移动载体处于当前目标节点时，在一定时间，即若干个锚节点广播周期内接收锚节点信号，之后不再接收新的锚节点信息，根据设定的最低信号强度阈值筛选接收到的锚节点，并判断符合要求的锚节点数量是否大于等于定位所需的最低锚节点数量，即3个锚节点，若大于或等于3个，则结合RSSI测距技术和质心算法直接对移动载体进行定位；步骤5）当检测到的符合要求的锚节点数量小于3个时，请求邻近当前目标节点的簇头节点身份信息、坐标信息及其定位误差；根据定位误差对簇头按从小到大排序，小于设定的最大误差阈值的加入伪锚节点队列，大于设定的最大误差阈值的舍弃；再根据设定的最低信号强度阈值筛选伪锚节点，大于最低信号强度阈值的伪锚节点按定位误差优先级补齐定位所需的锚节点数量，对移动载体进行定位；步骤6）移动载体的坐标确定后，首先判断伪锚节点队列中是否含有最终目标节点，若存在，则直接将最终目标节点作为下一步目标节点，到达后准备进入瘫痪区域；若不存在最终目标节点，则求各个真/伪锚节点到步骤1中所述基准方向线的距离，选取除当前目标节点外距离基准方向线最近的真/伪锚节点作为下一步的目标节点，且下一步目标节点相比于当前目标节点更接近最终目标节点，以保证移动载体一直向最终目标节点方向移动；步骤7）下一步目标节点确定后，移动载体根据上一步载体坐标、当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标及基准方向线来修正下一步的前进角度；移动载体按修正后的方向前往下一步目标节点，重复步骤2～7，直至到达最终目标节点。5.根据权利要求4所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，移动载体在移动过程中需要不断修正前进方向以保证移动载体收敛于基准方向线向最终目标节点移动，移动载体在现存传感器网络的移动过程中，保存起点，即数据处理中心位置坐标、最终目标节点坐标、上一次移动载体坐标、当前移动载体坐标以及选定的下一步目标节点坐标，其中起点位置坐标和最终目标节点坐标两点构成基准方向线，上一次移动载体坐标和当前移动载体坐标两点构成当前方向线，当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标两点构成修正方向线；在需要修正方向的情况下，三条方向线将构成一个三角形，根据数学模型可计算出当前方向线与修正方向线的夹角，从而根据基准方向线调整角度达到修正前进方向的目的。6.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是：所述无线传感器网络的重塑过程如下：步骤1）当移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍宇，汤海建，倪尧，罗煜璇，胡媛，王元平，邹宇驰，张亮，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32