一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法技术

本发明专利技术公开了一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，包括以下步骤:1) DeGas_AnchorNode广播信息包包括{坐标（x，y），最小跳数hop，节点号ID，状态指示}，2) 计算DeGas_AnchorNodes之间的平均跳距，3）计算DeGas_UnknownNode的坐标，4）确定内、外边界节点，5）采用GG平面化算法对毒气监测网络拓扑结构平面化，6）构建外边界区域，7）计算外边界区域面积。本发明专利技术提供的基于节点定位的毒气边界检测提高了传感器在工业应用中的效率，创新性地用节点定位和毒气边界检测算法相结合，减少了节点成本的消耗，增加了对有毒气体边界检测检测的准确性。

A gas boundary detection method based on node localization in industrial sensor networks

The invention discloses an industrial gas sensor network boundary detection method based on node location, which comprises the following steps: 1) DeGas_AnchorNode broadcast packets including {coordinates (x, y), the minimum hop node number hop, ID, 2) status indicator}, calculate the average hop distance between DeGas_AnchorNodes, 3) calculate the coordinates of DeGas_UnknownNode, 4) to determine the inner and outer boundary nodes, 5) using the topology of the gas monitoring network plane GG plane algorithm, 6) to construct the outer boundary region, 7) calculation of outer boundary area. The invention provides a gas boundary detection based on node location and improve the efficiency of sensor in industrial applications, innovatively combined detection algorithm with node localization and gas boundary node cost consumption is reduced, increase the accuracy of the boundary detection of toxic gases.

【技术实现步骤摘要】
一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法
本专利技术涉及一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，属于气体检测

技术介绍
大型石化工厂中，有毒气体的监测是一个关键问题，这警示相关人员小心潜在风险及防止爆炸。工业无线传感器网络(IWSNs)有着易部署，尺寸小，能效高，传感节点灵活的有点，成为石化工厂设计者及制造商解决关键性问题，即有毒气体监测的一个有发展前景的方法。而且，由于有毒气体的不可见性，快速移动，随时而改变形态，监测其泄露区域的范围很难。大多数的有毒气体泄露事故中，不同类型的化学气体会很容易在同一时间泄露，会引起气体混合的现象。那么，如何比较准确地确定毒气泄漏的边界显得尤为重要。无线网络通信定位一般分为Range-based和Range-free,前者是基于测距技术的定位算法，过测量节点间点到点的距离或者角度信息，使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算节点位置，比如GPS,它的定位一般在10米左右，且所用GPS节点较多时，所花费的成本比较高，而且在毒气爆炸的环境非常复杂的情况下，GPS节点的信息要发送给和它距离遥远的卫星来确定它自身的位置，往往容易出现通信信号不好、通信信号受干扰等节点失效的情况；后者是无需测距的定位算法，无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现,通过对算法的优化，可以实现比GPS还要精确的定位，而且成本还比较低。基于节点定位的毒气边界检测算法，不仅降低了通讯成本，还提高了定位的精度。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，使用最少的工作节点来保持整个传感器网络全局连通性，降低节点通讯成本，同时在有毒气体危害分类的基础上来确保覆盖程度需求。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，包括以下步骤：1)：DeGas_AnchorNode广播信息包，DeGas_AnchorNode在传感器网络中以泛洪的方式向其邻居节点广播包含自身坐标信息的数据分组，包括{坐标(x，y)，最小跳数hop，节点号ID，状态指示}，其中最小跳数hop初始化为0；接收节点记录下每个到达的信标节点分组，并只保存具有最小跳数的分组，之后将最小跳数加1，转发给自己的邻居节点，通过这个阶段，传感器网络中的所有节点都能够记录下到每个DeGas_AnchorNode的最小跳数分组信息；DeGas_AnchorNode指的是用于毒气检测的锚节点；2)计算DeGas_AnchorNodes之间的平均每跳距离DPH，DeGas_AnchorNode广播DPH并在传感器网络中传播:首先让所有的DeGas_AnchorNode将自己的DPH广播给非DeGas_AnchorNode邻居，由DeGas_AnchorNode的DeGas_UnknownNode邻居节点在整个网络中传播DPH包；DeGas_UnknownNode指的是用于毒气检测的未知节点；3)计算DeGas_UnknownNode的坐标；4)确定内、外边界节点，过程如下：首先把节点分为处于气体内部的和处于气体外部的，其次获取每一个处于气体内部的节点的邻居节点，若其邻居节点有处于气体外部的节点，则该节点为外边界节点，同理，获取处于气体外部的节点的邻居节点，若其邻居节点有处于气体内部的节点，则该节点为内边界节点；5)采用GG平面化算法对毒气监测网络拓扑结构平面化；6)构建外边界区域；7)计算外边界区域面积。前述的步骤2)计算DeGas_AnchorNodes之间的平均跳距，具体如下：每个DeGas_AnchorNode节点根据步骤1)中收集的其他DeGas_Anchors节点的坐标信息和最小跳数，计算其自身在传感器网络中的平均每跳距离DPH，计算方法如下：设任意两个DeGas_AnchorNode的坐标分别为(xi,yi)，(xj,yj)，则DeGas_AnchorNodes之间的平均每跳距离为：其中，hops表示跳数总和。前述的步骤3)计算DeGas_UnknownNode的坐标的方法为，当未知节点接收到DPH后，把这个值当作自身在传感器网络中的每跳距离来使用，结合步骤1)记录的到每个DeGas_AnchorNode的最小跳数，即可计算出到每个信标节点的距离，当未知节点得到三个信标节点的坐标后，通过Trilateration三边测量算法计算出未知节点的坐标。前述的步骤5)对毒气监测网络拓扑结构平面化的原则为：某一节点的邻居节点必须满足以该节点到该邻居节点的距离所构成的圆及圆周不包含其他点。前述的步骤6)构建外边界区域，步骤如下：(6-1)、在步骤4)所确定的内、外边界节点中取出一个外边界节点A和一个内边界节点B，并且该外边界节点和内边界节点是邻居；(6-2)、获得外边界节点A的所有邻居节点C1C2C3C4…Cn，把邻居节点是步骤(1)所选取的外边界节点、内边界节点以及不属于内、外边界节点的情况全部排除；(6-3)、以外边界节点A为一个角的顶角，顶角与步骤(6-1)取出的内边界节点B和任意一个邻居节点Ci，Ci∈C1C2C3C4…Cn组成的边为角的两边，首先计算两边向量的叉乘即若所得叉乘大于零，算出cos∠BAC值，cos∠BAC值最大的那个邻居节点即为所找的节点；否则，若所得叉乘小于零，算出cos∠BAC值，cos∠BAC值最小的那个邻居节点即为所找的邻居节点；(6-4)、以步骤(6-3)中所找的邻居节点为中心节点C，获取该邻居节点的所有邻居节点D1D2D3D4…Dn，把D1D2D3D4…Dn中是步骤(6-1)中所选取的外边界节点、内边界节点以及不属于内、外边界节点的情况全部排除；(6-5)、以该中心节点C为一个角的顶角，顶角与步骤(6-1)取出的内边界节点B和中心节点C的任意一个邻居节点Di，Di∈D1D2D3D4…Dn组成的边为角的两边，首先计算两边向量的叉乘若所得叉乘大于零，得出cos∠BCD值，cos∠BCD值最大的那个邻居节点即为所找的节点；否则，若所得叉乘小于零，计算cos∠BCD值，cos∠BCD值最小的那个邻居节点即为所找的邻居节点；(6-6)、重复步骤(6-4)和(6-5)，直到把所有符合条件的节点找出来，并把找到的节点依次连接起来，所得区域即为外边界区域。前述的步骤7)计算外边界区域面积，过程如下：所述步骤6)得到的外边界区域为多边形，设该多边形有n条边，任意一条边上的两个点的坐标为(Xi,Yi)，(Xi+1,Yi+1)，则此多边形的面积S为：本专利技术的有益效果为：采用本专利技术方法，使用最少的工作节点来保持整个传感器网络全局连通性，降低节点通讯成本，同时在有毒气体危害分类的基础上来确保覆盖程度需求。本专利技术提供的算法适合在特殊的有毒气体泄露区域用于监测毒气泄漏的边界和毒气扩散方向，本专利技术方法在整个传感领域内，大大提高了传统毒气边界检测的精度。本专利技术提供的基于节点定位的毒气边界检测提高了传感器在工业应用中的效率，创新性地用节点定位和毒气边界检测算法相结合，减少了节点成本的消耗，增加了对有毒气体边界检测检测的准确性。附图说明图1为Trilateration三边测量定位算法图解；图2为Trilater本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)：DeGas_AnchorNode广播信息包，DeGas_AnchorNode在传感器网络中以泛洪的方式向其邻居节点广播包含自身坐标信息的数据分组，包括{坐标(x，y)，最小跳数hop，节点号ID，状态指示}，其中最小跳数hop初始化为0；接收节点记录下每个到达的信标节点分组，并只保存具有最小跳数的分组，之后将最小跳数加1，转发给自己的邻居节点，通过这个阶段，传感器网络中的所有节点都能够记录下到每个DeGas_AnchorNode的最小跳数分组信息；DeGas_AnchorNode指的是用于毒气检测的锚节点；2)计算DeGas_AnchorNodes之间的平均每跳距离DPH，DeGas_AnchorNode广播DPH并在传感器网络中传播:首先让所有的DeGas_AnchorNode将自己的DPH广播给非DeGas_AnchorNode邻居，由DeGas_AnchorNode的DeGas_UnknownNode邻居节点在整个网络中传播DPH包；DeGas_UnknownNode指的是用于毒气检测的未知节点；3)计算DeGas_UnknownNode的坐标；4)确定内、外边界节点，过程如下：首先把节点分为处于气体内部的和处于气体外部的，其次获取每一个处于气体内部的节点的邻居节点，若其邻居节点有处于气体外部的节点，则该节点为外边界节点，同理，获取处于气体外部的节点的邻居节点，若其邻居节点有处于气体内部的节点，则该节点为内边界节点；5)采用GG平面化算法对毒气监测网络拓扑结构平面化；6)构建外边界区域；7)计算外边界区域面积。...

【技术特征摘要】
1.一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)：DeGas_AnchorNode广播信息包，DeGas_AnchorNode在传感器网络中以泛洪的方式向其邻居节点广播包含自身坐标信息的数据分组，包括{坐标(x，y)，最小跳数hop，节点号ID，状态指示}，其中最小跳数hop初始化为0；接收节点记录下每个到达的信标节点分组，并只保存具有最小跳数的分组，之后将最小跳数加1，转发给自己的邻居节点，通过这个阶段，传感器网络中的所有节点都能够记录下到每个DeGas_AnchorNode的最小跳数分组信息；DeGas_AnchorNode指的是用于毒气检测的锚节点；2)计算DeGas_AnchorNodes之间的平均每跳距离DPH，DeGas_AnchorNode广播DPH并在传感器网络中传播:首先让所有的DeGas_AnchorNode将自己的DPH广播给非DeGas_AnchorNode邻居，由DeGas_AnchorNode的DeGas_UnknownNode邻居节点在整个网络中传播DPH包；DeGas_UnknownNode指的是用于毒气检测的未知节点；3)计算DeGas_UnknownNode的坐标；4)确定内、外边界节点，过程如下：首先把节点分为处于气体内部的和处于气体外部的，其次获取每一个处于气体内部的节点的邻居节点，若其邻居节点有处于气体外部的节点，则该节点为外边界节点，同理，获取处于气体外部的节点的邻居节点，若其邻居节点有处于气体内部的节点，则该节点为内边界节点；5)采用GG平面化算法对毒气监测网络拓扑结构平面化；6)构建外边界区域；7)计算外边界区域面积。2.根据权利要求1所述的一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，其特征在于，所述步骤2)计算DeGas_AnchorNodes之间的平均跳距，具体如下：每个DeGas_AnchorNode节点根据步骤1)中收集的其他DeGas_Anchors节点的坐标信息和最小跳数，计算其自身在传感器网络中的平均每跳距离DPH，计算方法如下：设任意两个DeGas_AnchorNode的坐标分别为(xi,yi)，(xj,yj)，则DeGas_AnchorNodes之间的平均每跳距离为：其中，hops表示跳数总和。3.根据权利要求1所述的一种工业传感器网络基于节点定位的毒气边界检测方法，其特征在于，所述步骤3)计算DeGas_UnknownNode的坐标的方法为，当未知节点接收到DPH后，把这个值当作自身在传感器网络中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈媛芳，舒磊，蓝桂茂，方润涛，
申请(专利权)人：广东石油化工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44