[发明专利]基于虚拟力的移动无线传感器网络节点布局方法及装置

摘要

本发明涉及基于虚拟力的移动无线传感器网络节点布局方法及装置。该方法通过计算移动无线传感器网络中的各个传感器节点受到的虚拟力大小和方向，判断传感器节点应移动的方向和距离，并使传感器节点做相应移动，直至达到受力平衡或布局中止条件时，即实现了传感器网络节点布局。与现有的基于虚拟力的布局方法相比较，本发明综合考虑了待探测目标、障碍地形、待探测热点区域的位置对节点布局的影响，使节点能够根据周边环境地形和目标位置自动移动，可在较复杂的地形环境下工作，并合理的对节点进行布局，使其在复杂的地形环境中仍能很好地观测待探测目标和待探测热点区域等重要对象，更好的满足用户需求。

主权项

1.基于虚拟力的移动无线传感器网络节点布局方法，其特征在于步骤如下：1)各移动无线传感器节点利用定位传感单元测定自身坐标，并利用测向传感单元测定自身感知范围内的待探测目标、障碍地形、待探测热点区域以及通信范围内的其他移动无线传感器节点与自身的连线和正北方向的夹角，并利用测距传感单元测定自身到自身感知范围内的待探测目标、障碍地形、待探测热点区域以及通信范围内的其他移动无线传感器节点的间距，并根据平面几何原理算出自身感知范围内的待探测目标、障碍地形、待探测热点区域以及通信范围内的其他移动无线传感器节点的坐标；2)各移动无线传感器节点根据第1)步获取的自身坐标及待探测目标、障碍地形、待探测热点区域以及通信范围内的其他节点的坐标，按照预先设定的虚拟力计算公式F1，计算自身受到的待探测目标、障碍地形、待探测热点区域和其他移动无线传感器节点的虚拟力，并进一步根据虚拟力合力计算公式F2计算自身受到的合力；其中虚拟力计算公式F1由如下F1-1、F1-2、F1-3、F1-4四个子公式构成：Fij→=0ifCth<dij(WAss×(dij-Dth)β1,αij)ifDth≤dij≤Cth(WRss×(dij-β2-Dth-β2),αij+π)ifdij<Dth---(F1-1)]]>公式F1-1用于计算节点j对节点i的虚拟作用力式中，d_ij表示节点j与节点i间的直线距离；门限D_th表示预先设定的节点的平均间距，C_th是节点间的通信距离；α_ij为节点i指向节点j的有向线段与正北方向的夹角，用于表示虚拟力方向；W_Ass和W_Rss表示节点之间的虚拟吸引力系数和虚拟排斥力系数；β₁，β₂是与所使用传感器类型相对应的常量，对于电磁型传感器，β₁，β₂均为2；Fsitj→=0ifdth≥r+re(WAst×TRankj×dij-β,αij)ifr-re<dij<r+re0ifdij≤r-re---(F1-2)]]>公式F1-2用于计算移动无线传感器节点i和待探测目标j间的虚拟作用力式中，W_Ast是节点与目标之间的虚拟吸引力系数；β是一个表示距离与力关系的正常数，TRank_j是根据应用情况设定的正常数，表示目标重要等级；其它参量的含义同上；Fsjhj→=(WAsh′×HRankj,αij)if r+re≤dij-HRangej<Dmax(WAsh×HRankj×(dij-HRangej)β,αij)ifr-re<dij-HRangej<r+re0ifdij-HRangej≤r-re---F1-3]]>公式F1-3用于计算移动无线传感器节点i和待探测热点区域j间的虚拟作用力式中，HRange_j是热点区域j的范围半径；HRank_j是正常数，表示热点区域j的重要等级；D_max是预先设定的传感器节点可移动的最大距离；W_Ash表示当热点区域在传感器节点的探测范围之内时，传感器节点与热点区域之间的虚拟力系数；W_Ash′表示当热点区域不在传感器节点的探测范围之内时，传感器节点与热点区域之间的虚拟力系数；其它参量的含义同上；Fsioj→=0ifdij-ORangej≥Dth/2(WRso×ORankj×1(dij-ORangej)β,αij+π)ifdif-ORangej<Dth/2---F1-4]]>公式F1-4用于计算移动无线传感器节点i和障碍地形j间的虚拟作用力式中，ORange_j是障碍地形j的范围半径；ORank_j为障碍地形j的规避等级；W_Rso为一常量，表示传感器节点与障碍地形之间的虚拟排斥力系数；其它参量含义同上；虚拟力合力计算公式F2为：Fi→=ω1×ΣFij→+ω2×ΣFsitj→+ω3×ΣFsihj→+ω4×ΣFstoj→---F2]]>式中，ω₁、ω₂、ω₃、ω₄是与应用相关的预先设定的系数。3)各移动无线传感器节点判断自身所受合力是否小于预先设定的合力门限，若是，则该移动无线传感器节点停止移动；若否，则该移动无线传感器节点根据移动距离计算公式F3，计算该步骤中自身的移动方向和距离D_current，移动至新位置后，将该步骤中自身移动距离D_current与传感器节点的存储器中储存的累计移动距离D_history相加，若此时该传感器节点的累计移动距离D_history小于预设的移动距离上限D_limit，则重复执行第1)-3)步；若累计移动距离D_history大于或等于移动距离上限D_limit，则该传感器停止移动，且不再重复执行第1)-3)步，待所有传感器节点均停止移动后，则布局完成，其中所说的移动距离计算公式F3，由F3-1、F3-2两个子公式构成：xnew=xoldif|Fxy→|≤Fthxold+FxFxy×MaxStep×e-1Fxyif|Fxy→|>Fth---F3-1]]>ynew=yoldif|Fxy→|≤Fthyold+FyFxy×MaxStep×e-1Fxyif|Fxy→|>Fth---F3-2]]>式中，F_xy是传感器节点所受合力，F_x，F_y分别是x，y方向所受分力，x_new，y_new分别表示传感器节点移动后的新位置的横坐标和纵坐标；MaxStep是传感器节点的单步移动距离上限，是一个预设的常量；F_th是预设的合力门限。