[發明專利]無線傳感器網絡中基于虛擬節點的有毒氣體監測方法

在審

• 申請號: 201710338366.3
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN107155175A
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 韓光潔;劉彬彬
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W24/02;H04W52/02;H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 常州市科誼專利代理事務所32225
• 代理人: 孫彬

技術領域

本發明屬于無線多媒體傳感器網絡領域，確切來說是涉及一種利用無線傳感器網絡來實現對有毒氣體的監測方法，通過監控處于無規則動態變化中的氣體邊界來實現對整個氣體目標的監測。

技術背景

近年來，隨著傳感器技術和無線通信技術的飛速發展，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)在工業等領域得到了廣泛應用，對連續目標的監測是當中最常見的應用領域之一。連續目標通常分布在較廣的區域，其形狀會發生動態的無規則變化，例如，可能會擴散或收縮，體積增大或減小，如有毒氣體、海面漂浮油體等。不同于質點狀的單體目標所具有的固定大小，規模較小的特點，對于連續目標的監測相比于單體目標而言較為復雜，它涉及到不同節點間的協作，由此會產生大規模的網內通信，從而給能量有限的傳感器節點帶來極大的負擔。因此，如何利用能量等資源受限的無線傳感器網絡來實現對連續目標的高效監測是一個極具挑戰性的問題。

當前階段基于無線傳感器網絡的有毒氣體監測方法中普遍存在的共同挑戰是：

(1)、大多數監測方法為了識別氣體邊界，需利用大量節點進行龐大的信息交互，從而導致節點能量消耗過大；

(2)、為了將采集的氣體信息及時上傳，同時能耗更少，一般來說，均是通過選取部分代表節點進行數據融合、存儲及上傳的方式，而每次代表節點的選舉過程也是能量消耗過快的元兇之一；

(3)、對監測網絡未作出合理化設置，可能導致監測過程局部區域網絡密度較低，從而導致該區域監測精度較低，或者該部分區域監測密度較高，從局部篩選節點過程，信息交互量較大，局部能耗很高。

發明內容

本發明的目的是為了解決當前存在于有毒氣體監測方案中，無線傳感器網絡能耗過大與監測的精度較低兩點問題，提出了一種通過構建虛擬節點以提高精度，利用均勻網格匯聚監測信息以降低開銷的有毒氣體監測方法，該方法既能保證監測的高精確性，同時也能優化監測過程的能量開銷。

為了達到上述目的，本發明提供了一種從構建虛擬節點角度考慮的有毒氣體監測方案，該方案包括四個階段：

(1)、節點狀態調度設置階段：從節省網絡能量開支的角度對無線傳感器網絡節點設定了Sleep/Awake調度策略；

(2)、有毒氣體邊界處節點選擇階段：首先，利用感知信息更新確定出邊界未感知節點，然后，選擇出距離對應邊界感知節點距離較近的邊界未感知節點作為邊界節點；

(3)、虛擬邊界節點構建階段：該階段在考慮氣體邊界圖形失真與非失真情形下在不同邊界節點之間構建虛擬邊界節點；

(4)、數據上傳階段：利用均勻網格思想，網格選取相應頭節點，匯聚網格內所有虛擬邊界節點信息，并利用不同網格頭節點上傳信息。

為了實現有效的監測，常規的方法是利用客觀存在的實際節點的地理位置坐標信息去描述氣體的邊界信息，而本發明創新性的從構建虛擬節點的角度出發，考慮利用實際存在的邊界節點進行進一步的信息提取，從而構建出距離目標邊界更近的虛擬節點，以該類虛擬節點地理位置信息表示的氣體邊界具有更高的精確度。

同時，本發明首次從構建均勻網格的角度，對采集的目標邊界信息進行匯聚、存儲與上傳，僅僅通過選取的網格頭節點將數據進行上傳，以此來減少遠距離通信的節點個數，最終降低了監測開銷。

節點狀態調度設置階段的具體步驟為：

2a.初始時刻節點處于偵聽狀態，感知監測網絡區域是否存在目標出現，以及可能出現的對應區域。同時，任意節點u與其所有一跳鄰居節點Nu之間互相發送探測數據包，提前建立好鄰居信息表；

2b.在步驟2a的基礎之上，節點周期性的于偵聽與睡眠狀態間進行狀態轉換，當節點進入偵聽狀態時，若能夠感知到目標，則節點的狀態會立即轉變為Awake狀態；反之，若節點進入偵聽狀態卻無法感知到目標，則節點會立即進入Sleep狀態，從而進入下一周期狀態轉變的準備階段；

2c.當某一節點能感知到目標，則處于活動狀態，立即與其周圍所有鄰居節點進行信息交互，告知一跳鄰居其自身能感知目標，同時依據當前周期內建立的鄰居信息表，喚醒部分未感知到目標的鄰居節點進入偵聽狀態。只有當節點無法感知到目標并且節點的鄰居節點中不存在感知節點時，節點才會重新進入Sleep狀態。

上述節點狀態調度具有以下特征：

特征1.節點的初始狀態均設置為偵聽，該方式的好處在于能夠于初始階段對全網絡目標出現情況進行準確的分析，同時該模式下，節點無需與周圍鄰居通信，較為節能；