CN102098754A - 一种用于无线传感器网络的无参照目标引导方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线传感器网络的无参照目标引导方法，用于对处在危险区域的人们(目标)进行逃生引导，首先通过在危险区域边缘进行洪泛并记录跳数来获得危险区域的周长L，然后通过洪泛在危险区域外围
距离内建立环形搜索边界；进一步通过选择两条从边界到危险区域边缘的洪泛路径作为门禁，在环形搜索边界内产生定向洪泛，直至获得环形最短路径；基于该环形最短路径的中点，重新进行洪泛，得到凸包络，从而为危险区域中的人们提供正确的引导方向。本发明可以在没有任何节点位置信息、以及任何逃生口引导下，实现对处在危险区域的人们(目标)进行正确的逃生引导。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络安全监测领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的无参照目标引导方法。
背景技术
在很多无线传感器网络安全监测应用中，大量的传感器节点被部署在较大监测区域内，用以监测可能发生的危险事件，例如森林火灾、矿井瓦斯等。当发生危险事件时，处在危险区域里的工人需迅速撤离出该区域。为此，这些工人常需佩带微型通信装置，利用它与传感器网络之间的通信，按照一定的目标引导算法，快速有效的撤离危险区域。通常人们在设计目标引导算法时，都事先确定一些逃生出口点，或者假定所有节点都知道自身位置，例如建筑物内的目标引导。然而，在森林火灾监测这样的较大区域中，让大量的传感器节点获取自身位置信息，将变得复杂；同时，对于森林、草原这种开放式的区域，使得事先设定逃生口也变得没有意义。在没有任何位置信息和逃生口引导下，处在危险区域的人们如果根据危险区域边缘的引导来撤离的话，通常会走向错误的方向。如图1所示，不规则的危险区域轮廓，将会错误地引导人们。图1中箭头代表撤离方向。而要想得到正确的引导方向，人们需要选择一个对于危险区域整体向外的方向，如图2所示，其中实线勾勒出危险区域的整体范围，即一个凸包络。在该凸包络引导下，处在危险区域的人们将获得正确的撤离方向。在节点不具备自身位置信息情况下，如何通过分布式的消息交换，获得该整体凸包络，成为目标引导算法设计的挑战。现有的无线传感器网络目标引导算法主要有如下：
(1)基于逃生口参照的算法，见Ted Herman，Sebastien Tixeuil，“ADistributed TDMA Slot Assignment Algorithm for Wireless Sensor Networks”，Lecture Notes in Computer Science，Vol。3121，2004，pp。45-58，这种方法在无位置参照下，仅通过拓扑跳数的计算，获得安全的目标引导路线。然而，该方法依赖于事先假定的逃生口的引导，而且，该方法主要针对危险区域外的人们进行引导，对于处在危险区域中的人们，仍然不能给出有效引导。
(2)基于无逃生口参照的算法，见Johannes Schneider and RogerWattenhofer，“Coloring unstructured wireless multi-hop networks”，inProceedings of PODC，Calgary，Alberta，Canada，Aug。2009，pp。210-219，这种方法在无位置参考且无逃生口参照的情况下，仅通过拓扑跳数的计算，可获得危险区域的凸包络。然而，该方法需要网络中大量的节点发起洪泛通信，造成巨大的通信开销。
因此，上述方法要么基于假定的逃生口来设计目标引导算法，要么由于通信开销巨大而变得极为不实用。因而，需要专门设计有效的无位置及无逃生口参照的目标引导算法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于无线传感器网络的无参照目标引导方法，在没有获知传感器节点位置信息及逃生口的情况下，通过节点间简单的消息交换，实现对移动目标的引导。
一种用于无线传感器网络的无参照目标引导方法，其特征在于，它包括下述步骤：
(1)危险区域边缘节点之间通过数据包洪泛找到ID最大或者最小的边缘节点记作根节点，在找寻根节点过程中由根节点发起数据包的最大洪泛跳数的两倍即为危险区域边缘的长度L；
(2)危险区域边缘节点向非危险区域的节点进行数据包洪泛，当非危险区域节点收到的数据包的洪泛跳数达到
，记该非危险区域节点为边界节点；
(3)边界节点沿步骤(2)中的洪泛路径回复消息给对应发起洪泛的边缘节点，收到消息的边缘节点继而沿危险区域边缘以最短路径发送消息给根节点；根节点在向它发送消息的边缘节点中，选择离它最近的边缘节点到其所对应的边界节点之间的洪泛路径作为生线，选择离它最远的边缘节点到其所对应的边界节点之间的洪泛路径作为死线；
(4)根节点向非危险区域节点进行数据包洪泛，当数据包经过死线时，则死亡；当数据包经过生线时，则变成活跃数据包；当活跃数据包经过死线时，则变成回溯数据包；回溯数据包反馈回根节点，从反馈回根节点的回溯数据包中选出最小洪泛跳数的回溯数据包，其从根节点出发再反馈回根节点的洪泛路径即为以根节点为起始点且包围危险区域的最短环形路径；
(5)将步骤(4)得到的最短环形路径中点处的节点作为新的根节点，重复步骤(4)，得到新的最短环形路径即为危险区域凸包络；
(6)危险区域凸包络上的节点向凸包络内的节点进行数据包洪泛，凸包络内的节点由此获得到凸包络的距离和路径，据此得到引导逃生路线。
所述步骤(1)具体为：危险区域边缘节点之间进行数据包洪泛，记发起洪泛的边缘节点的ID为洪泛号码，数据包携带洪泛号码和洪泛跳数信息；如果某边缘节点收到数据包中的洪泛号码不小于自身记录的当前洪泛号码且数据包中的洪泛跳数比自身记录的当前洪泛跳数小，则更新自身记录的当前洪泛号码和洪泛跳数为数据包中的洪泛号码和洪泛跳数；必然存在边缘节点自身最终记录的洪泛跳数不小于其所有邻居边缘节点记录的洪泛跳数，则以该边缘节点记录的洪泛跳数的两倍作为危险区域边缘的长度L，并以该边缘节点最终记录的洪泛号码对应的边缘节点为根节点。
所述步骤(1)具体为：危险区域边缘节点之间进行数据包洪泛，记发起洪泛的边缘节点的ID为洪泛号码，数据包携带洪泛号码和洪泛跳数信息；如果某边缘节点收到数据包中的洪泛号码不大于自身记录的当前洪泛号码且数据包中的洪泛跳数比自身记录的当前洪泛跳数小，则更新自身记录的当前洪泛号码和洪泛跳数为数据包中的洪泛号码和洪泛跳数；必然存在边缘节点自身最终记录的洪泛跳数不小于其所有邻居边缘节点记录的洪泛跳数，则以该边缘节点记录的洪泛跳数的两倍作为危险区域边缘的长度L，并以该边缘节点最终记录的洪泛号码对应的边缘节点为根节点。
本发明的技术效果体现在：本发明在传感器节点没有自身位置信息且覆盖区域中没有给定逃生口的情况下，通过在危险区域附近用洪泛的方法得到一个封闭的边界，在边界内部设置两道门禁线——生线和死线，使得边界内部的洪泛形成一个环形最短路径，并由该环形最短路径的中点发起二次洪泛得到新的环形最短路径，根据该环形最短路径的参照，处在危险区域里的人们(即目标)就得到正确的引导逃生路线。
附图说明
图1是本发明假定的引导逃生场景示意图；
图2是本发明实现的引导逃生路线示意图；
图3是本发明方法的流程图；
图4是本发明实现过程的效果示意图；
具体实施方式
下面通过实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图3所示，本发明具体包括以下几个步骤：
1、获得危险区域周长。危险区域边缘节点之间进行数据包洪泛，数据包携带洪泛号码(为发起洪泛的边缘节点的ID)和当前洪泛跳数信息，收到数据包的边缘节点记录当前洪泛号码和洪泛跳数。如果某边缘节点收到数据包中的洪泛号码不小于自身记录的洪泛号码且数据包中的洪泛跳数比自身记录的洪泛跳数小，则更新自身记录的洪泛号码和洪泛跳数为数据包中的洪泛号码和洪泛跳数。由此可见，各边缘节点发起的洪泛，将逐渐被ID最大的边缘节点发起的洪泛所覆盖。图4(a)中边缘节点r为ID最大的边缘节点，因此r发起的洪泛将覆盖其它所有边缘节点。当边缘节点发现自身记录的洪泛跳数不小于其所有邻居边缘节点记录的洪泛跳数，则表明r沿着边缘两侧发起的洪泛在此会聚并终结。此时该边缘节点记录的洪泛跳数的两倍正好就是危险区域边缘的长度L。此外，当前各边缘节点记录的洪泛号码为边缘节点的最大ID，即边缘节点r的ID。于是，根节点确认为r。
上述方式是找到最大ID的边缘节点为根节点，也可以找最小ID的边缘节点为根节点，效果相同。
2、获得搜索边界。危险区域边缘节点向非危险区域的节点进行数据包洪泛，数据包携带边缘节点的ID、当前洪泛跳数以及洪泛路径；如果某非危险区域节点收到数据包中的洪泛跳数比自身记录的洪泛跳数小，则更新自身记录的洪泛跳数为数据包中的洪泛跳数；当非危险区域节点收到的数据包的洪泛跳数达到
，则停止洪泛，并记该节点为边界节点，如图4(b)所示。
3、选择生线和死线。边界节点沿洪泛路径回复消息给对应发起洪泛的边缘节点，收到消息的边缘节点继而沿危险区域边缘以最短路径发送消息给根节点；根节点在向它发送消息的边缘节点中，选择离它最近的边缘节点到其所对应的边界节点之间的洪泛路径作为生线，选择离它最远的边缘节点到其所对应的边界节点之间的洪泛路径作为死线，如图4(c)所示。
4、获得环形最短路径。根节点向非危险区域节点进行数据包洪泛，数据包携带当前洪泛跳数和路径；当数据包经过死线时，则死亡；当数据包经过生线时，则变成活跃数据包；当活跃数据包经过死线时，则变成回溯数据包；回溯数据包反馈回根节点，从反馈回根节点的回溯数据包中选出最小洪泛跳数的回溯数据包，其洪泛路径即为以根节点为起始点且包围危险区域的最短环形路径。图4(d)中，区域1为根节点发起的数据包洪泛的范围，区域2为活跃数据包洪泛的范围，区域3为回溯数据包洪泛的范围。
5、获得凸包络。将步骤(4)得到的最短环形路径中点处的节点作为新的根节点，重复步骤(4)，得到新的最短环形路径即为危险区域凸包络选择步骤(4)得到的最短环形路径中点处的节点M，如图4(e)所示。以节点M作为新的根节点，重复步骤(4)，得到新的环形最短路径，该路径即为危险区域的凸包络，如图4(e)所示。
6、获得逃生路线。危险区域凸包络上的节点向凸包络内的节点进行数据包洪泛，凸包络内的节点由此获得到凸包络的距离和路径，据此得到引导逃生路线，如图4(f)所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种用于无线传感器网络的无参照目标引导方法，其特征在于，它包括下述步骤：
(1)危险区域边缘节点之间通过数据包洪泛找到ID最大或者最小的边缘节点记作根节点，在找寻根节点过程中由根节点发起数据包的最大洪泛跳数的两倍即为危险区域边缘的长度L；
(2)危险区域边缘节点向非危险区域的节点进行数据包洪泛，当非危险区域节点收到的数据包的洪泛跳数达到
，记该非危险区域节点为边界节点；
(3)边界节点沿步骤(2)中的洪泛路径回复消息给对应发起洪泛的边缘节点，收到消息的边缘节点继而沿危险区域边缘以最短路径发送消息给根节点；根节点在向它发送消息的边缘节点中，选择离它最近的边缘节点到其所对应的边界节点之间的洪泛路径作为生线，选择离它最远的边缘节点到其所对应的边界节点之间的洪泛路径作为死线；
(4)根节点向非危险区域节点进行数据包洪泛，当数据包经过死线时，则死亡；当数据包经过生线时，则变成活跃数据包；当活跃数据包经过死线时，则变成回溯数据包；回溯数据包反馈回根节点，从反馈回根节点的回溯数据包中选出最小洪泛跳数的回溯数据包，其从根节点出发再反馈回根节点的洪泛路径即为以根节点为起始点且包围危险区域的最短环形路径；
(5)将步骤(4)得到的最短环形路径中点处的节点作为新的根节点，重复步骤(4)，得到新的最短环形路径即为危险区域凸包络；
(6)危险区域凸包络上的节点向凸包络内的节点进行数据包洪泛，凸包络内的节点由此获得到凸包络的距离和路径，据此得到引导逃生路线。
2.根据权利要求1所述的无参照目标引导方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：危险区域边缘节点之间进行数据包洪泛，记发起洪泛的边缘节点的ID为洪泛号码，数据包携带洪泛号码和洪泛跳数信息；如果某边缘节点收到数据包中的洪泛号码不小于自身记录的当前洪泛号码且数据包中的洪泛跳数比自身记录的当前洪泛跳数小，则更新自身记录的当前洪泛号码和洪泛跳数为数据包中的洪泛号码和洪泛跳数；必然存在边缘节点自身最终记录的洪泛跳数不小于其所有邻居边缘节点记录的洪泛跳数，则以该边缘节点记录的洪泛跳数的两倍作为危险区域边缘的长度L，并以该边缘节点最终记录的洪泛号码对应的边缘节点为根节点。
3.根据权利要求1所述的无参照目标引导方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：危险区域边缘节点之间进行数据包洪泛，记发起洪泛的边缘节点的ID为洪泛号码，数据包携带洪泛号码和洪泛跳数信息；如果某边缘节点收到数据包中的洪泛号码不大于自身记录的当前洪泛号码且数据包中的洪泛跳数比自身记录的当前洪泛跳数小，则更新自身记录的当前洪泛号码和洪泛跳数为数据包中的洪泛号码和洪泛跳数；必然存在边缘节点自身最终记录的洪泛跳数不小于其所有邻居边缘节点记录的洪泛跳数，则以该边缘节点记录的洪泛跳数的两倍作为危险区域边缘的长度L，并以该边缘节点最终记录的洪泛号码对应的边缘节点为根节点。
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