CN103200581A - 基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络交互部署平台的构建方法及其装置，本发明将无线传感器网络的部署与设计数字化，首先通过数字建模的方式搭建虚拟环境，然后对于无线传感器与路由器等不同类型的节点建模，并为用户提供基于多点触控的交互设计手段，在该阶段设计者既可采用某些成熟的算法，也可进行手工部署，并在部署的过程中实时验证无线传感器网络的连通性及覆盖性。本方法及相关装置可直接用于环境与生态监测、智能工厂、智能小区等需要搭建无线传感器网络的多种场合。

Description

基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种网络交互部署方法及其装置，尤其涉及一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法及其装置。 

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由布置在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。WSN实现了数据采集、处理和传输的三种功能，对应于现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、土壤成分、温度、湿度、电磁、噪声、光强度、压力、速度和方向等周边环境中多种多样的现象，因此WSN被广泛应用于环境与生态监测、智能工厂、智能小区等需要搭建WSN的多种场合。构建WSN时首先需要解决其部署问题，WSN的部署是指在特定场景下确定网络中不同类型节点的数目及各节点所处位置及其位置关系的过程。 

在进行部署时，节点间的检测区域会出现交叠，导致在某些区域存在大量的冗余节点，既浪费节点的有限能量，又占用了网络信道；另一方面在其它部分区域会出现盲点，使该区域不能被节点检测到，使网络的可信度和可靠性降低。WSN不仅需要考虑覆盖问题，还必须考虑节点间的连通性。覆盖要求在监测区域中每个地方都能至少被一个传感器节点监测到，连通则要求任一节点均可和其它节点进行通信，并将搜集到的信息通过自组织形成的网络进行传输。 

当前对无线传感器网络进行部署的方式主要有两种，一种是在实际环境中，设计者根据自己的经验采用人工方式，边实施边调整的对WSN进行部署；一种是在虚拟环境下，通过设计有效的计算机算法对WSN进行自动部署。 

前一种基于人工手动的方法的优点是设计和实施合二为一，能充分利用设计人员的经验，满足特定需求；缺点是需要迭代的对当前网络节点进行测试，调整，缺乏规划，步骤繁复。 

后一种方法的优点是布局快速，并且能够满足一些特殊的部署要求，例如专利名称：无线传感器网络中传感器的部分覆盖布局方法.中国发明专利，公开号为101222398，在实现监 测区域部分覆盖的同时也保证网络的连通性。然而该方法却有着以下不足： 

1该方法适用的前提是所部署区域为二维区域，环境过于理想，并不能直接将其用于现实环境中； 

2该专利的传感器的感应区域虽然是较为符合实际的PIR（红外传感器）感应模型，然而在计算每个传感器的过程中，需要测出每个传感器的感应区域在十二个方向上的感应距离，整个步骤繁琐而复杂，需耗费大量的人力物力。 

发明名称为三维无线传感器网络覆盖控制方法，公开号为101478763的专利可以充分利用在密集型部署网络中的冗余节点，可以有效解决覆盖盲点问题，且该专利解决上述专利监测区域过于理想的缺点。然而该方案仍有着不足需要继续改进： 

1该方案只着重解决无线传感网络的覆盖问题，并没有考虑其连通性，而连通性对于传感器之间信息的传播尤为重要； 

2该方案在部署的过程中并没有考虑人的主观能动性，在某些特定的场合必须需要依靠人工部署来解决其覆盖问题。 

上述两种方案在进行测试时均需要在现实环境中进行部署，需耗费较大的物力人力，缺少一个测试的平台。 

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法及其装置，它具有为用户即设计者提供基于多点触控的交互界面的优点。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署装置，它包括： 

成像装置，用于获取监测区域的平面图； 

绘制模板提供单元，用于利用成像装置获取监测区域的平面图，为场景建模提供绘制模板； 

场景建模单元，在该单元通过数字建模的方式搭建虚拟环境，并在虚拟环境中绘制三维场景； 

WSN要素配置单元，在该单元选取监测区域所需的传感器类型，并对所选取传感器属性进行配置； 

WSN交互部署单元，用于WSN的元素配置及其部署，选取不同的部署方式对WSN部署； 

WSN验证测试单元，用于对虚拟环境中的网络连通性及已部署的WSN的覆盖性验证测试。 

所述WSN验证测试单元包含两个小单元： 

连通测试单元：主要用于对虚拟环境中的网络连通性进行测试； 

覆盖测试单元：主要用于对虚拟环境中的网络覆盖性进行测试。 

基于三维场景的无线传感器网络交互部署装置的部署方法，具体步骤为： 

步骤一：利用成像装置获取监测区域的平面图，为场景建模提供绘制模板； 

步骤二：通过数字建模的方式搭建虚拟环境，在虚拟环境中绘制三维场景； 

步骤三：WSN要素配置，在虚拟环境中选取监测区域所需要的传感器类型，并对每个传感器的属性进行配置并上传至后台进行存储； 

步骤四：交互设计WSN，在虚拟环境中对场景部署； 

步骤五：对虚拟环境中的网络连通性及已部署的WSN的覆盖性验证测试。 

所述步骤二的具体步骤为： 

（2-1）采用单线描图方式绘制平面图，并利用橡皮筋技术和吸附技术提高绘制准确度； 

（2-2）在绘制监测区域的平面图的过程中，以一个独立的建筑物区域为单位，输入建筑物对应的高度，绘制完成，在三维窗口生成相对应的三维模型，并根据投影变换计算出该三维模型所对应的侧视图及正视图。 

所述步骤四的具体步骤为： 

(4-1）选择系统中所包含的某种部署方法，并根据该部署方法计算出每个传感器在三维场景中的具体位置，并自动将传感器放至其所属的位置，实现对虚拟场景的初步部署； 

（4-2）人工调整虚拟场景中相应传感器的位置，直至将所有传感器放至合适的位置。 

所述步骤五的具体步骤为： 

（5-1）将所部署的节点表示成图的形式，利用随机几何图模型给定定点集合V，构造几何图G=(V，E)，其中顶点集V嵌入到一个度量空间，

r为已给定的两节点间距离的界值； 

（5-2）求出几何图之后，对其进行深度优先搜索，计算从某一固定顶点可到达的其它顶点集合，最后得出不可达的节点，若有不可达的节点，则通过高亮的形式显示出来，回溯至步骤四进行交互设计，直至完成部署为止； 

（5-3）设每个传感器i的覆盖范围为Σ_i，共有n个传感器，求出所有传感器覆盖范围的总和，即Σ=Σ₁∪Σ₂∪…∪Σ_n； 

（5-4）设每个建筑物j的覆盖范围为Φ_j，共有m座建筑物，则其覆盖总的范围为Φ=Φ ₁∪Φ₂∪...∪Φ_m； 

（5-5）对传感器的覆盖范围及建筑物的覆盖范围进行求交运算，即，S=Σ∩Φ； 

（5-6）若S等于Φ，则证明该WSN的部署满足一次覆盖，反之则证明存在盲点，可通过高亮显示出需要重新部署的区域，并返回至步骤四重新部署。 

所述步骤（2-2）中计算计该三维模型所对应的侧视图及正视图的步骤为： 

（22-1）在虚拟场景中确定三维形体上某个点的位置坐标； 

（22-2）利用齐次坐标，求出所做变换相应的变换矩阵； 

（22-3）确定三维形体上各点(x,y,z)经变换后的相应点(x′,y′)或(y′,z′)； 

（22-4）由变换后的所有二维点绘制出三维形体投影后的侧视图、正视图。 

所述步骤（22-2）中求各坐标点的变换矩阵，设顶点为P(x,y,z)，则 

（222-1）主视图：当立体向XY平面作正投影，在投影面展开时，XY平面保持不动，因而，x,y坐标不变，z=0，正视图的变换矩阵是: 

$T_v=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$

（222-2）侧视图：侧视图是先向YZ平面（即W面）投影，从而使y、z坐标不变，x=0，侧视图的变换矩阵为： 

$T_w=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$

所述步骤（4-2）具体步骤为： 

（42-1）利用单点触摸技术，根据无线传感网络的连通性及覆盖性规则，在平面图界面中将传感器放至合适的位置，实现传感器在二维平面图上的初步部署； 

（42-2）切换视图至侧视图或主视图，调整传感器在高度上的位置，实现传感器在三维场景上的初步部署； 

（42-3）采用多点触摸的技术，在三视图中查看该区域内传感器的部署情况，结合单点触摸的方式移动传感器，将其定位至精确地位置。 

所述步骤（5-1）具体步骤为： 

（51-1）确定任意两节点间的距离d_i； 

（51-2）判断d_i是否小于等于r，若是，则连接上述两个顶点，建立新边E，最终确定几何图G。 

所述步骤（5-2）的具体步骤为： 

（52-1）由系统计算出不可达的传感器节点并通过高亮的交互方式显示出来； 

（52-2）查看高亮区域，在查看的过程中结合多点触摸的交互方式对高亮的传感器节点所在的区域进行放大处理，并返回至步骤四进行交互设计，直至完成部署为止。 

所述单元（5-6）具体实施步骤为： 

（56-1）利用覆盖测试单元计算出传感器覆盖范围及建筑物的覆盖范围并对其进行求交运算； 

（56-2）对所求区域进行判断，若所求出结果为建筑物的覆盖范围，则证明部署完成，反之则证明存在盲点，并将未被覆盖区域以高亮的交互方式显示出来； 

（56-3）对高亮区域进行查看，且在查看的过程中结合多点触摸的交互方式对高亮的传感器节点所在区域进行放大处理，并返回至步骤四进行交互设计，直至完成部署为止。 

本发明的有益效果： 

1该发明可在虚拟环境中绘制现实场景，实现对现实场景的真实模拟，为传感器的部署提供一个真实的平台； 

2在该平台上，设计者可根据实际情况确定传感器节点的类型与传感通信模型； 

3在该平台上，可集成一些成熟的无线传感器部署算法，快速实现传感器的部署，通过结合单点触摸和多点触摸技术，可以极为方便及精确地实现对传感器的部署； 

4该发明是基于多点触控的交互平台，设计者可根据自己的经验实现对无线传感器网络进行交互部署设计，充分考虑人的主观能动性； 

5该平台为无线传感器网络的部署方案提供了一个覆盖性与连通性的实时测试平台； 

6在该平台完成对传感器的部署之后，可将其直接移植到现实环境中，大大减少所耗费的人力物力。 

附图说明

图1为本发明的效果图； 

图2为本发明的流程图； 

图3a为本发明构建的平台的平面图； 

图3b为本发明构建的平台的正视图； 

图3c为本发明构建的平台的侧视图。 

图4为随机几何图的实例图。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 

图1为根据本发明的实施例的基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法及装置的效果图。单元101为某个小区的三维场景，该场景通过步骤202进行创建。创建完三维场景后，所要做的便是对WSN进行交互设计，单元103即为在三维场景中所部署的无线传感器。每个传感器都有其传播范围，单元102以一个透明球的形式展示了传感器的传播范围。 

图2为本发明的实施例的基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法的流程框架图。在步骤201中，若有通过成像装置获取的监测区域的平面图，设计者可将其导入窗口，为后面的场景建模过程提供一个绘制的模板。 

对于场景建模步骤202，设计者可采取单线描图方式绘制出平面图，并在绘制的过程中采用橡皮筋技术及吸附技术，提高绘制的准确度。在绘制监测区域的平面图的过程中，以一个独立的建筑物区域为单位，在触摸长按每个建筑物的区域时，将会自动弹出一个窗口，由设计者输入该建筑物所对应的高度，当完成该建筑物的绘制时，在三维窗口生成相对应的三维模型，并根据投影变换计算出该三维模型所对应的侧视图及正视图，计算步骤如下所示： 

(1)确定三维形体上各点的位置坐标； 

(2)引入齐次坐标，求出所做变换相应的变换矩阵； 

(3)将所做变换用矩阵表示，通过运算求得三维形体上各点(x,y,z)经变换后的相应点(x′,y′)或(y′,z′)； 

(4)由变换后的所有二维点绘制出三维形体投影后的侧视图、正视图。 

而在WSN要素配置步骤203，设计者可先对该监测区域所需要的传感器类型进行选取，在这对每个传感器的属性都有个初始的配置，若设计者需要对传感器设置不同的属性，如功率、感知半径、传播半径等，可通过触摸点击的交互方式来对其进行修改，在对所选传感器图标长按后，将会弹出一个悬浮窗口，由设计者进行填写，并将修改的数据传至后台进行存储便于后面的验证测试。 

经过步骤203完成对WSN元素配置，然后步骤204用于对WSN进行交互设计。在这里设计者可以选取一些成熟的部署算法对该场景进行初步的部署，然后结合人工部署弥补该算法的一些缺陷与不足。也可以仅凭借人的经验对该场景进行部署。在进行人工部署期间，设计者可分别在三视图中对传感器的位置进行调整，直至将传感器放至合适的位置，且在调整的过程中可在三维视图中观看传感器的分布情况。三视图及传感器部署情况如图3a、图3b、图3c所示，图3a、图3b、图3c中圆圈代表每个传感器的传播范围；图3a为平面图，图3b 为正视图，图3c为侧视图。 

在步骤204中，需要通过步骤205实时对当前部署的WSN验证其连通性及覆盖性。在步骤205，将对该网络的连通性进行验证测试，步骤如下： 

(1).布署的节点表示成图的形式，我们将采用随机几何图模型：给定顶点集合V，构造几何图G=(V，E)，其中顶点集V嵌入到一个度量空间： 

r为已给定的两节点间距离的界值，可理解为传感器节点的传播范围，即有对于某个传感器节点u，若其位于另一传感器节点v的传播范围之内，则这两个传感器之间存在边(u，v)。随机几何图的定义为：如果V中的节点是独立同分布（iid）的，即所有的节点具有相同的概率分布，并且相互独立，且均匀地分布在度量空间，则称图G为随机几何图。 

对于实例： 

V={a，b，c，d，e，f},E={(a，b)，(b，c)，(c，d)，(c，e)，(e，f)}，效果如图4所示； 

(2).求出几何图之后，对其进行深度优先搜索，计算从某一固定顶点可到达的其它顶点集合，最后得出不可达的节点，若有不可达的节点，则通过高亮的形式显示出来，回溯至步骤204进行交互设计，直至完成部署为止。 

设计者也需实时验证已部署的WSN的覆盖性。设覆盖目标为某个小区内的建筑物，则可通过以下方案来对其验证。步骤如下所示： 

(1)设每个传感器i的覆盖范围为Σ_i，共有n个传感器，求出所有传感器覆盖范围的总和，即∑=∑₁∪∑₂∪…∪∑_n;其中i=1、2、3…n； 

(2)设每个建筑物j的覆盖范围为Φ_j，共有m座建筑物，则其覆盖总的范围为： 

Φ=Φ₁∪Φ₂∪…∪Φ_m;其中，j=1、2、3…m； 

(3)对传感器的覆盖范围及建筑物的覆盖范围进行求交运算，即，S=Σ∩Φ； 

(4)若S等于Φ，则证明该WSN的部署满足一次覆盖，反之则证明存在盲点，可通过高亮显 示出需要重新部署的区域，并返回至步骤204重新部署。 

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。 

Claims (12)

1.一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署装置，其特征是，它包括：

成像装置，用于获取监测区域的平面图；

绘制模板提供单元，用于利用成像装置获取监测区域的平面图，为场景建模提供绘制模板；

场景建模单元，在该单元通过数字建模的方式搭建虚拟环境，并在虚拟环境中绘制三维场景；

WSN要素配置单元，在该单元选取监测区域所需的传感器类型，并对所选取传感器属性进行配置；

WSN交互部署单元，用于WSN的元素配置及其部署，选取不同的部署方式对WSN部署；

WSN验证测试单元，用于对虚拟环境中的网络连通性及已部署的WSN的覆盖性验证测试。

2.如权利要求1所述基于三维场景的无线传感器网络交互部署装置，其特征是，所述WSN验证测试单元包含两个小单元：

连通测试单元：主要用于对虚拟环境中的网络连通性进行测试；

覆盖测试单元：主要用于对虚拟环境中的网络覆盖性进行测试。

3.基于三维场景的无线传感器网络交互部署装置的部署方法，其特征是，具体步骤为：

步骤一：利用成像装置获取监测区域的平面图，为场景建模提供绘制模板；

步骤二：通过数字建模的方式搭建虚拟环境，在虚拟环境中绘制三维场景；

步骤三：WSN要素配置，在虚拟环境中选取监测区域所需要的传感器类型，并对每个传感器的属性进行配置并上传至后台进行存储；

步骤四：交互设计WSN，在虚拟环境中对场景部署；

步骤五：对虚拟环境中的网络连通性及已部署的WSN的覆盖性验证测试。

4.如权利要求3所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤二的具体步骤为：

（2-1）采用单线描图方式绘制平面图，并利用橡皮筋技术和吸附技术提高绘制准确度；

（2-2）在绘制监测区域的平面图的过程中，以一个独立的建筑物区域为单位，输入建筑物对应的高度，绘制完成，在三维窗口生成相对应的三维模型，并根据投影变换计算出该三维模型所对应的侧视图及正视图。

5.如权利要求3所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤四的具体步骤为：

（4-1）选择系统中所包含的某种部署方法，并根据该部署方法计算出每个传感器在三维场景中的具体位置，并自动将传感器放至其所属的位置，实现对虚拟场景的初步部署；

（4-2）人工调整虚拟场景中相应传感器的位置，直至将所有传感器放至合适的位置。

6.如权利要求3所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤五的具体步骤为：

（5-1）将所部署的节点表示成图的形式，利用随机几何图模型给定点集合V，构造几何图G=(V，E)，其中顶点集V嵌入到一个度量空间，

r为已给定的两节点间距离的界值；

（5-2）求出几何图之后，对其进行深度优先搜索，计算从某一固定顶点可到达的其它顶点集合，最后得出不可达的节点，若有不可达的节点，则通过高亮的形式显示出来，回溯至步骤四进行交互设计，直至完成部署为止；

（5-3）设每个传感器i的覆盖范围为Σ_i，共有n个传感器，求出所有传感器覆盖范围的总和，即Σ=Σ₁∪Σ₂∪…∪Σ_n；

（5-4）设每个建筑物j的覆盖范围为Φ_j，共有m座建筑物，则其覆盖总的范围为Φ=Φ₁∪Φ₂∪…∪Φ_m；

（5-5）对传感器的覆盖范围及建筑物的覆盖范围进行求交运算，即，S=Σ∩Φ；

（5-6）若S等于Φ，则证明该WSN的部署满足一次覆盖，反之则证明存在盲点，可通过高亮显示出需要重新部署的区域，并返回至步骤四重新部署。

7.如权利要求4所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤（2-2）中计算计该三维模型所对应的侧视图及正视图的步骤为：

（22-1）在虚拟场景中确定三维形体上某个点的位置坐标；

（22-2）利用齐次坐标，求出所做变换相应的变换矩阵；

（22-3）确定三维形体上各点(x,y,z)经变换后的相应点(x′,y′)或(y′,z′)；

（22-4）由变换后的所有二维点绘制出三维形体投影后的侧视图、正视图。

8.如权利要求7所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤（22-2）中求各坐标点的变换矩阵，设顶点为P(x,y,z)，则

（222-1）正视图：当立体向XY平面作正投影，在投影面展开时，XY平面保持不动，因而，x,y坐标不变，z=0，正视图的变换矩阵是:

$T_v=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right];$

（222-2）侧视图：侧视图是先向YZ平面投影，从而使y、z坐标不变，x=0，侧视图的变换矩阵为：

$T_w=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$

9.如权利要求5所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤（4-2）具体步骤为：

（42-1）利用单点触摸技术，根据无线传感网络的连通性及覆盖性规则，在平面图界面中将传感器放至合适的位置，实现传感器在二维平面图上的初步部署；

（42-2）切换视图至侧视图或主视图，调整传感器在高度上的位置，实现传感器在三维场景上的初步部署；

（42-3）采用多点触摸的技术，在三视图中查看该区域内传感器的部署情况，结合单点触摸的方式移动传感器，将其定位至精确地位置。

10.如权利要求6所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤（5-1）具体步骤为：

（51-1）确定任意两节点间的距离d_i；

（51-2）判断d_i是否小于等于r，若是，则连接上述两个顶点，建立新边E，最终确定几何图G。

11.如权利要求6所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述步骤（5-2）具体步骤为：

（52-1）连通测试单元计算出不可达的传感器节点并通过高亮的交互方式显示出来；

（52-2）查看高亮区域，在查看的过程中结合多点触摸的交互方式对高亮的传感器节点所在的区域进行放大处理，并返回至步骤四进行交互设计，直至完成部署为止。

12.如权利要求6所述一种基于三维场景的无线传感器网络交互部署方法，其特征是，所述单元（5-6）具体实施步骤为：

（56-1）利用覆盖测试单元计算出传感器覆盖范围及建筑物的覆盖范围并对其进行求交运算；

（56-2）对所求区域进行判断，若所求出结果为建筑物的覆盖范围，则证明部署完成，反之则证明存在盲点，并将未被覆盖区域以高亮的交互方式显示出来；

（56-3）对高亮区域进行查看，且在查看的过程中结合多点触摸的交互方式对高亮的传感器节点所在区域进行放大处理，并返回至步骤四进行交互设计，直至完成部署为止。

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