CN104661328A - 一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法,该方法首先确定瘫痪区域，选定离瘫痪区域最近的节点作为最终目标节点；移动载体挂载多个传感器节点通过不断定位和修正前进方向实现在现存网络中的自主寻路到达最终目标节点后，利用RSSI测距技术及数学模型确定进入瘫痪区域的方向，再根据链式网络搭建原理重塑无线传感器网络，实现原本网络的基本功能。本发明解决了复杂环境下无线传感器网络由于少数节点瘫痪导致的节点失联甚至网络瘫痪的问题以及盲目“撒点”补网所导致的资源浪费等问题。

Description

一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络重塑方法，尤其是一种在复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法。

背景技术

无线传感器网络是一种综合了多种技术的自组织网络，由大量具有感知能力、计算能力和无线通信能力的微型节点组成，利用无线收发技术通过所有节点运行相应的组网协议自动形成一个多跳通信方式的网络系统。由于其价格低廉、快速展开、抗损坏性强等特点，使其广泛应用于军事侦察、环境监测、资源开采等多个领域。

在一些复杂环境或特殊场合中安置的传感器可以实现有效的监控和处置，但在灾害或危险情况发生时，整个无线传感器网络极易因恶劣的环境而损坏，从而导致整个网络无法进行通信或无法完全覆盖要求的区域范围而失去作用，灾难发生的不可预知性、现场环境的复杂恶劣以及救援的紧迫性等特点对网络重塑提出了更高的需求。

常见的无线残存传感器网络包括若干传感器节点、少量锚节点和一个数据处理中心，由于不可抗力因素，该网络无法覆盖整个监测区域，存在空洞或断层；

传统的无线传感器网络修复方法多基于二次布点、重复覆盖等方法，其具有很大的盲目性，同时由于多数传感器节点的不可回收性造成严重的资源浪费，在此种条件下提出了一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够快速准确的实现复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，在灾害发生后，可以快速有效的恢复整个无线传感器网络的通信，实现原本网络的基本功能。

本发明的目的是这样实现的：一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，包括确定无线传感器网络的瘫痪区域，选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点；移动载体挂载多个传感器节点由数据处理中心出发前往最终目标节点，移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向；当移动载体到达最终目标节点后，利用最终目标节点和最邻近最终目标节点的两个簇头节点来确定进入瘫痪区域的前进方向；进入瘫痪区域后，移动载体屏蔽现存传感器网络中除最终目标节点外的所有信号，以最终目标节点为起点，根据链式网络搭建原理重塑无线传感器网络。

所述移动载体包括：处理单元、可擦写存储器、无线信号收发装置、挂载弹射装置、避障装置、摄像头和移动装置；所述的处理单元与无线信号收发装置、可擦写存储器、挂载弹射装置、避障装置、摄像头及移动装置相连，作为中枢，控制无线信号收发装置和可擦写存储器的工作流程并使它们协调运转，控制挂载弹射装置、避障装置和摄像头；所述的可擦写存储器，用于程序的读取与写入，以及数据的存储；所述的无线信号收发装置，用于无线信号的收发以及移动载体的定位；所述的挂载弹射装置，用于释放挂载的传感器节点以重塑网络；所述的避障装置、摄像头，用于躲避障碍和采集现场环境信息；所述的移动装置，作为传感器节点的载体，受处理单元的控制，以达到系统所需的移动要求。

所述确定无线传感器网络的瘫痪区域的方法是：数据处理中心向外广播特定数据请求；簇头节点接收到特定数据请求指令后，将邻近簇的簇标识、通信状态以及本簇内节点的通信状态以数据包的形式传输到数据处理中心；数据处理中心将收到的含有唯一簇标识的数据包解压后，根据所含的节点通信状态绘制网络连通图，并与之前绘制的网络连通图作比较，以此检验整个网络的连通性，判断是否出现网络“空洞”或断层；根据簇头节点的邻居节点表选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点。

所述移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向的过程如下：

步骤1)数据处理中心请求最终目标节点的坐标信息，以数据处理中心为起点，最终目标节点为终点构造方向向量，并将最终目标节点的坐标信息和向量信息存储到移动载体中，移动载体从数据处理中心出发，以构造的方向向量为基准方向前进；

步骤2)移动载体在移动的过程中，每进入一个簇，就加入该簇，移动载体需要回传给数据中心的数据以及数据中心对移动载体的控制指令都通过与簇头的通信实现数据传输；移动载体在现存传感器网络的移动过程中遭遇复杂地形或障碍无法继续前进时，移动载体停止前进并向数据处理中心发送紧急情况处理请求，接收到数据处理中心传来的紧急情况控制指令后施行自主避障或启动摄像头回传环境数据等待人工操作进行避障；顺利避障后，移动载体重新定位继续移动；

步骤3)移动载体在移动过程中，当移动载体检测到的当前目标节点发来的信号的信号强度值大于设定的最高信号强度阈值时，即认为移动载体到达当前目标节点，移动载体停止前进；

步骤4)移动载体处于当前目标节点时，在一定时间，即若干个锚节点广播周期内接收锚节点信号，之后不再接收新的锚节点信息，根据设定的最低信号强度阈值筛选接收到的锚节点，并判断符合要求的锚节点数量是否大于等于定位所需的最低锚节点数量，即3个锚节点，若大于或等于3个，则结合RSSI测距技术和质心算法直接对移动载体进行定位；

步骤5)当检测到的符合要求的锚节点数量小于3个时，请求邻近当前目标节点的簇头节点身份信息、坐标信息及其定位误差；根据定位误差对簇头按从小到大排序，小于设定的最大误差阈值的加入伪锚节点队列，大于设定的最大误差阈值的舍弃；再根据设定的最低信号强度阈值筛选伪锚节点，大于最低信号强度阈值的伪锚节点按定位误差优先级补齐定位所需的锚节点数量，对移动载体进行定位；

步骤6)移动载体的坐标确定后，首先判断伪锚节点队列中是否含有最终目标节点，若存在，则直接将最终目标节点作为下一步目标节点，到达后准备进入瘫痪区域；若不存在最终目标节点，则求各个真/伪锚节点到步骤1中所述基准方向线的距离，选取除当前目标节点外距离基准方向线最近的真/伪锚节点作为下一步的目标节点，且下一步目标节点相比于当前目标节点更接近最终目标节点，以保证移动载体一直向最终目标节点方向移动；

步骤7)下一步目标节点确定后，移动载体根据上一步载体坐标、当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标及基准方向线来修正下一步的前进角度；移动载体按修正后的方向前往下一步目标节点，重复步骤2～7，直至到达最终目标节点。

所述无线传感器网络的重塑过程如下：

步骤1)当移动载体到达最终目标节点后，移动载体将修正进入瘫痪区域的前进方向：移动载体请求除最终目标节点外最邻近移动载体的两个簇头节点的身份及坐标信息，并通过RSSI测距方法获得移动载体到两个簇头的距离，移动载体坐标点分别与两个簇头节点构成两条线段h1和h2；分别求两条线段的中垂线L4和L5，两条中垂线相交于一点；两条中垂线靠近最终目标节点的一侧形成的区域就是瘫痪节点所在的区域；中垂线交点至移动载体坐标点形成的方向向量就是移动载体进入瘫痪区域的前进方向，移动载体修正方向角度后进入瘫痪区域；

步骤2)移动载体将最终目标节点作为网络重塑起点，屏蔽除最终目标节点，即重塑起点的信号外的现存网络中其他传感器的信号，按照修正的方向进入瘫痪区域；

步骤3)移动载体在该移动过程中不断检测来自重塑起点的信号强度，同时检测是否有其他新的信号来源；当移动载体检测到的重塑起点的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度阈值时，移动载体控制弹射装置释放一个挂载的传感器节点，激活释放的传感器节点使其与重塑起点建立点对点的连接，并指定释放节点的级数使其加入重塑起点的邻居节点列表，移动载体记录该传感器的身份信息后屏蔽重塑起点的信号，只接受此次释放的传感器节点信号按原定方向继续搜索；

步骤4)当移动载体接收到的上一次释放的传感器节点的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度阈值时，再次释放传感器节点，激活并按序指定其级数，使其与上一次释放的传感器节点建立点对点的连接并加入其邻居节点列表；移动载体记录该传感器身份信息后屏蔽上一次释放的传感器节点信号，只接收此次释放的传感器节点的信号并按原定方向继续搜索，直至接收到其他新的信号来源并能够与其建立通信或覆盖要求区域为止；

步骤5)当移动载体接收到新的信号来源时，与其建立通信并向数据处理中心发出网络通信状态判断请求；数据处理中心再次绘制网络连通图检验网络重塑是否成功；若移动载体接收到数据处理中心发来的重塑成功指令，则移动载体释放一个新的传感器节点，激活并使其与新的信号来源节点和上一次释放的传感器节点建立通信，完成网络重塑；若移动载体接收到数据处理中心发来的重塑不成功指令且新的信号来源不属于原传感器网络，则移动载体屏蔽该信号来源继续前进，重复步骤4和步骤5直至重塑成功为止；若移动载体接收到数据处理中心发来的重塑不成功指令但新的信号来源属于原传感器网络，则移动载体释放新的传感器节点，激活并指定级数使其与上一次释放的传感器节点以及新的信号来源节点建立通信，之后移动载体屏蔽新的信号和上一次释放的传感器节点信号，只接收此次释放的传感器节点信号，重复步骤4和5直至重塑成功为止。

所述的移动载体存在四种状态：自主寻路状态、接收控制指令状态、屏蔽特定信号状态和网络重塑状态；

所述的自主寻路状态是指移动载体从数据处理中心出发，通过不断定位、修正前进角度到达最终目标节点的状态；该过程移动载体前进轨迹收敛于数据处理中心至最终目标节点构成的基准方向线，以缩短移动载体自动寻路的路径；

所述接收控制指令状态是指移动载体在自主寻路过程中遭遇复杂地形或障碍无法继续前进时，移动载体停止前进并向数据处理中心发送紧急情况处理请求，等待接收来自数据处理中心的控制指令；

所述屏蔽特定信号状态是指当移动载体准备进入瘫痪区域时，屏蔽除重塑起点外其他现存网络中传感器节点发出的信号；当移动载体进行网络重塑时，屏蔽上一次释放的传感器节点的信号，只接收此次释放的新的传感器节点的信号的状态；

所述网络重塑状态是指移动载体进入瘫痪区域重塑网络，当接收到的上一次释放的传感器节点信号的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度值时，释放新的传感器节点，激活并使之与之前的传感器节点建立通信，重复这一过程直至检测到新的信号来源并能建立通信从而使得网络重塑成功。

移动载体在移动过程中需要不断修正前进方向以保证移动载体收敛于基准方向线向最终目标节点移动；移动载体在现存传感器网络的移动过程中，保存起点，即数据处理中心位置坐标、最终目标节点坐标、上一次移动载体坐标、当前移动载体坐标以及选定的下一步目标节点坐标，其中起点位置坐标和最终目标节点坐标两点构成基准方向线，上一次移动载体坐标和当前移动载体坐标两点构成当前方向线，当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标两点构成修正方向线；在需要修正方向的情况下，三条方向线将构成一个三角形，根据数学模型可计算出当前方向线与修正方向线的夹角，从而根据基准方向线调整角度达到修正前进方向的目的。

所述级数是为了新释放的传感器节点间或新释放的传感器节点和原有的传感器节点间通信而设立的标志；每释放一个新的传感器节点都会指定一个全网唯一的级数以便形成有效的通信链路。

所述的信号强度的得到过程如下：首先从接收的射频信号耦合出部分射频信号，然后和本征信号进行混频，得到中频信号，最后使用无线信号收发装置中的检波电路检测信号的幅值，得到描述接收信号强度的数值；所述的最低信号强度阈值是指无线信号强度的大小确定的弱信号区域的上限值，即在移动载体远离传感器节点时，为防止信号衰减程度过大，引发数据丢失而设立的最小值。所述的最高信号强度阈值是指无线信号强度的大小确定的强信号区域的下限值，即在移动载体靠近传感器节点时，判断移动载体是否到达目标传感器节点而设立的最大值。

所述控制指令的数据封包格式包括包开始标志、负载长度、包序号、节点标志、模块标志、信息标志、数据段及校验和；所述包开始标志表示开始一个新的包，负载长度表示以下的有效载荷的长度，包序号即每个节点对自己发的包进行计数，可以用来检测包是否丢失，节点标志用来区分传感器网络内不同的簇或者移动载体，模块标志用来区分移动载体上不同装置发的包，信息标志定义负载是什么以及负载的解包方式，数据段用于存放各种控制指令和数据，并与信息标志相关，所述控制指令又由控制指令标志和对应的参数段以及保留字段构成，其中控制指令标志用以区分不同的控制指令，保留字段用于扩展，参数段根据不同的控制指令存储参数集中的相应参数值，校验和对数据包内包开始标志之后校验和之前的内容进行校验，用来确保正确的数据通信。

本发明的有益效果是：

1.本发明中移动载体挂载的传感器节点都是相同的且与原有网络中传感器节点的结构相同，不存在特异性，能够快速与原有网络节点间及挂载传感器节点间建立通信，有效的修复网络。

2.本发明的成本较低，搭建移动载体比较简便，可用于一些突发情况，快速有效的重塑传感器网络。

3.本发明的目的性较强，较为精准的确定瘫痪区域，有针对性的修复网络，既快速有效又能节约资源。

4.本发明的通用性、适应性、可扩展性较强，可用多种移动装置改装成移动载体，运用于不同的环境与场景。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1为复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法实现总体流程图。

图2为移动载体结构示意图。

图3为自主寻路详细设计流程图。

图4为网络重塑详细设计流程图。

图5为修正移动方向数学模型示意图。

图6为进入瘫痪区域方向修正数学模型示意图。

图7为移动载体定位数学模型示意图。

图8为本发明的控制指令的数据封包格式图。

具体实施方式

图1中，该图为复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法的总体流程图，其主要步骤如下：

步骤S1：确定无线残存传感器网络的瘫痪区域。

其中，步骤S1可包括下列步骤：数据处理中心向外广播特定数据请求；

簇头接收到特定数据请求指令后，将邻近簇的簇标识及通信状态以及本簇内节点的通信状态以数据包的形式传输到数据处理中心；

数据处理中心将收到的含有唯一簇标识的数据包解压后，根据所含的节点通信状态绘制网络连通图，并与之前绘制的网络连通图作比较，以此检验整个网络的连通性，判断是否出现网络“空洞”或断层。

步骤S2：选定最终目标节点。根据簇头节点的邻居节点表选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点。

步骤S3：构造基准方向向量。数据处理中心请求最终目标节点的坐标信息，以数据处理中心为起点，最终目标节点为终点构造方向向量。

步骤S4：自主寻路。数据处理中心将最终目标节点的坐标信息和向量信息存储到移动载体中，移动载体从数据处理中心出发，以构造的方向向量为基准方向前进(具体步骤如图3中所示)。

步骤S5：修正前进方向。移动载体在现存传感器网络中通过结合RSSI测距技术和质心算法实现定位，再结合数学方法修正前进方向(具体步骤如图5中所示)。

步骤S6：重塑无线传感器网络。当移动载体到达最终目标节点后，若存在既定路线，则按既定路线前进；若不存在既定路线，则移动载体通过邻近节点重新确定进入瘫痪区域的前进方向，快速有效的实施无线传感器网络的重塑(具体步骤如图4中所示)。

图2中，该图为移动载体的结构示意图，移动载体上加装有处理单元200、可擦写存储器210、无线信号收发装置220、挂载弹射装置230、避障装置240、摄像头250和移动装置260。

所述的处理单元200，与无线信号收发装置220、可擦写存储器210、挂载弹射装置230、避障装置240、摄像头250及移动装置260相连，作为中枢，控制无线信号收发装置220和可擦除存储器210的工作流程并使它们协调运转，控制挂载弹射装置230、避障装置240和摄像头250；

所述的可擦写存储器210，与处理单元200相连，用于程序的读取与写入，以及数据的存储；所述的无线信号收发装置220，与处理单元200相连，用于无线信号的收发以及移动载体的定位；所述的挂载弹射装置230，与处理单元200相连，用于释放挂载的传感器节点以重塑网络；所述的避障装置240、摄像头250，与处理单元200相连，用于躲避障碍和采集现场环境信息；所述的移动装置260，与处理单元200相连，作为传感器节点的载体，受处理单元的控制，以达到系统所需的移动要求。

图3中，该图为移动载体自主寻路详细设计流程图，其具体步骤如下：

步骤T1：构造基准方向向量，其具体方法与图1中步骤S1相同。

步骤T2：设定最近簇头为下一步目标节点。移动载体沿基准方向进入现存网络，第一步可为其指定一个最近的簇头为下一步目标节点，便于移动载体进入自主寻路状态。

步骤T3：移动中检测下一步目标节点的信号强度。移动载体通过无线收发装置获取下一步目标节点发来信号的信号强度值，以便判断是否到达下一步目标节点。

步骤T4：判断是否遭遇复杂地形或障碍。移动载体在移动过程中如果遇到复杂地形或障碍导致移动载体无法继续前进，进入步骤T5进行处理。

步骤T5：遭遇复杂地形或障碍后移动载体停止移动，进行避障处理。

其中，步骤T5可包括下列步骤：移动载体向数据处理中心发送紧急情况处理请求；

数据处理中心分析后向移动载体发送紧急情况控制指令；

移动载体根据紧急情况控制指令选择自动避障或开启摄像头回传环境数据进行手动操作避障；

移动载体定位。具体方法如图7中所示，返回步骤T2。

步骤T6:判断下一步目标节点的信号强度值是否大于或等于设定的最高信号强度阈值。若否，则继续移动并不断检测其信号强度值及判断；若是，则停止移动，即认为移动载体达到当前目标节点。

步骤T7：移动载体处于当前目标节点时，计时接收锚节点信号，当达到设定的n个锚节点广播周期时间时不再接收新的锚节点信号。

步骤T8：根据设定的最低信号强度阈值筛选接收到的锚节点。

步骤T9：判断符合条件的锚节点数量是否大于或等于3。

步骤T10：锚节点数量小于3个时，请求邻近的簇头坐标及其定位误差。

其中，步骤T10可包括下列步骤：根据最低误差值筛选请求到的邻近簇头，高于最低误差阈值的舍弃，符合要求的加入伪锚节点队列；

根据设定的最低信号强度阈值筛选伪锚节点队列，不符合条件的舍弃；符合条件的伪锚节点按误差最小优先补齐定位所需的锚节点数量，进行步骤T11。

步骤T11：利用筛选到的真/伪锚节点对移动载体进行定位(具体步骤如图7所示)。

步骤T12：请求邻近当前目标节点的簇头信息。

步骤T13：判断请求到的簇头中是否含有最终目标节点。

其中，步骤T13可包括下列步骤：若不含有最终目标节点，根据点到直线的距离公式求簇头/锚节点到基准方向线的距离；

选取除当前目标节点外距基准方向线最近的节点，作为下一步目标节点；

修正前进方向后(具体步骤如图5所示)，返回步骤T3；

若含有最终目标节点，直接将最终目标节点设定为下一步目标节点。

修正前进角度(具体步骤如图5所示)。

当检测到最终目标节点的信号强度值大于或等于设定的最高信号强度阈值时，即认为到达最终目标节点，移动载体完成自主寻路过程。

图4中，该图为无线残存传感器网络重塑详细设计流程图，其具体步骤如下：

步骤H1：修正进入瘫痪区域的前进方向(具体步骤如图6所示)。

步骤H2：设定最终目标节点为重塑起点。

步骤H3：屏蔽除重塑节点外现存网络中其他传感器节点信号。

步骤H4：移动载体按设定方向移动并不断检测重塑起点的信号强度值。

步骤H5：判断重塑起点的信号强度值是否小于或等于设定的最低信号强度阈值。

其中，步骤H5可包括下列步骤：若重塑起点的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度阈值，则移动载体释放并激活一个新的传感器节点；

若否，则返回步骤H4。

使新释放的传感器节点与重塑起点建立通信并屏蔽重塑起点的信号。

步骤H7：移动载体按原定方向继续移动并不断检测新释放的传感器节点的信号强度值。

步骤H8：判断上次新释放的传感器节点的信号强度值是否小于或等于设定的最低信号强度阈值。

其中，步骤H8可包括下列步骤：若上次释放的传感器节点的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度阈值，则移动节点再次释放一个新的传感器节点；

若否，则返回步骤H7。

步骤H9：使新释放的传感器节点与上一次释放的传感器节点建立通信并屏蔽上一次释放的传感器节点的信号。

步骤H10：检测是否有新的信号来源。

其中，步骤H10可包括下列步骤：若没有检测到新的信号来源，则返回步骤H7；

若检测到新的信号来源，则移动载体首先与新的信号来源建立通信，并向数据处理中心发送网络状态判断请求。

步骤H11：数据处理中心判断网络是否达到覆盖要求。若达到要求，则尽心步骤H13；若未达到要求，则进入步骤H12。

步骤H12：判断新的信号来源是否属于原传感器网络。

其中，步骤H12可包括下列步骤：若新的信号来源属于原传感器网络，则移动载体释放并激活一个新的传感器节点，新释放的传感器节点与新的信号来源及上次释放的传感器节点建立通信，同时移动载体屏蔽新的信号节点及上次释放的传感器节点，返回步骤H7；

若新的信号来源不属于原传感器网络，则移动载体屏蔽新的信号来源并返回步骤H7。

步骤H13：移动载体释放并激活一个新的传感器节点，并使其与新的信号来源及上次释放的传感器节点建立通信，至此，无线残存传感器网络重塑成功完成。

图5中，该图为修正移动载体移动方向的数学模型示意图。移动载体在移动过程中需要不断修正前进方向以保证移动载体收敛于基准方向线附近向最终目标节点移动；移动载体在现存传感器网络的移动过程中，保存起点(即数据处理中心)位置坐标、最终目标节点坐标、上一次移动载体坐标、当前移动载体坐标以及选定的下一步目标节点坐标；

其中，起点位置坐标和最终目标节点坐标两点构成基准方向线L1；

其中，上一次移动载体坐标和当前移动载体坐标两点构成当前方向线L2；其中，当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标两点构成修正方向线L3；

在需要修正方向的情况下，三条方向线L1，L2，L3将构成一个三角形；根据直线的一般式方程Ax+By+C＝0以及确定直线的两个坐标点可以得出三条方向线的方程，这三条方向线的交点就是三角形的三个顶点，分别为D、E、F；根据两点间距离公式可得三角形的边长，分别为d、e、f；三个顶角中的任一角的余弦等于两邻边长的平方的和，减去对边长的平方的差值，再除以两邻边长的积的2倍；表述成公式如下：

cosD＝(e²+f²-d²)/(2ef)

cosE＝(d²+f²-e²)/(2df)

cosF＝(d²+e²-f²)/(2de)

则由反余铉函数的定义可知：D＝arccos(cosD)＝arccos((e²+f²-d²)/(2ef))，E、F同上可得；

根据数学模型可计算出当前方向线与修正方向线的夹角，从而根据基准方向线调整角度达到修正前进方向的目的。

图6中，该图为移动载体进入瘫痪区域方向修正数学模型示意图。

当移动载体到达最终目标节点后，移动载体将修正进入瘫痪区域的前进方向：移动载体请求除最终目标节点外最邻近移动载体的两个簇头的身份及坐标信息，并通过RSSI测距方法获得移动载体到两个簇头之间的距离，移动载体坐标点分别与两个簇头节点构成两条线段h1和h2；分别求两条线段的中垂线L4和L5，两条中垂线相交于一点；最终目标节点距离瘫痪区域最近，故瘫痪区域中的节点到最终目标节点的距离比到其他簇头的距离短，因此两条中垂线靠近最终目标节点的一侧形成的阴影区域就是瘫痪节点所在的区域；中垂线交点至移动载体坐标点形成的方向向量就是移动载体进入瘫痪区域的前进方向，移动载体修正方向角度后进入瘫痪区域；

图7中，该图为移动载体定位数学模型示意图。

RSSI测距使用的无线信号传播模型包括经验模型和理论模型，理论模型是在大量经验模型数据的基础上总结提炼而成的。

对于经验模型，首先按照一定的密度选取参考点，建立信号强度与到某个信标点距离的映射矩阵，在实际定位时根据测得的信号强度与映射矩阵进行对比，并采用数学拟合方式确定待测节点到锚节点的距离。

理论模型主要有自由空间传播模型、对数距离损耗模型、对数-常态分布模型等。本次研究采用最常用的对数-常态分布模型，实现基于RSSI技术的移动节点与锚节点距离的测定，进一步利用锚节点的位置信息和定位算法，估计出移动节点的位置。

本技术方案拟使用常用对数距离损耗模型，其公式如下：

P_L(d)＝P_L(d₀)+10ηlg(d/d₀)+X_σ    公式(1)

其中，d为发射节点与接收节点之间的距离(m)。

η为路径损耗指数，表示路径损失随距离增加而增大的快慢，与周围环境有关，范围(2-6)。

X_σ是均值为0，标准差为σ的高斯随机变量，范围(4-10)。

σ越大表示模型的不确定性越大。

d₀为参考距离，单位为m，通常取1m。

P_L(d₀)表示参考距离为d₀时的路径损耗。

接收节点接收的节点信号强度：

RSSI＝P_L-P_L(d)    公式(2)

其中，P_L表示信号的发射功率，单位为dBm。

P_L(d)为经过距离d后的路径损耗。

由公式(2)得，距离发射点d₀处的参考点接收的信号强度A为：

A＝P_L-P_L(d₀)那么，P_L(d₀)＝P_L-A    公式(3)

把公式(3)代入公式(1)中得：

P_L(d)＝P_L-A+10ηlg(d/d₀)+X_σ    公式(4)

参考距离通常取1m，把公式(2)代入公式(4)中得：

RSSI＝A-10ηlg(d)-X_σ    公式(5)

由于X_σ均值为0，故：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{RSSI}}=A-10\mathrm{\ηlgd}$     公式(6)

式中为多次测量接收到的信号强度RSSI求得的平均值。于是，

$d={10}^{\frac{A-\stackrel{\‾}{\mathrm{RSSI}}}{10\mathrm{\η}}}$     公式(7)

当移动载体获取到3个(或3个以上)真/伪锚节点的距离时，就可通过距离公式计算出自己的坐标。图7中A、B、C为真/伪锚节点，它们的坐标分别为(x_a，y_a)，(x_b，y_b)，(x_c,y_c)，O为移动载体。可通过上述推导公式(7)获得A、B、C三点到O点的距离分别为、、；则O点的坐标位置可由以下公式得出：

$\sqrt{{(x-x_c)}^2+{(y-y_c)}^2}=d_c$

移动载体通过上述公式、方法便可定位出其坐标位置。

针对图8控制指令的数据封包格式图，作如下说明。控制指令的数据封包格式包括包开始标志、负载长度、包序号、节点标志、模块标志、信息标志、数据段及校验和。所述包开始标志表示开始一个新的包，其值为0xFE；负载长度表示以下的有效载荷的长度，占一个字节，其值为0-255；包序号即每个节点对自己发的包进行计数，可以用来检测包是否丢失，占用一个字节，其值为0-255；节点标志用来区分传感器网络内不同的簇或者移动载体，存放级数信息，占用一个字节，其值为1-255，当值为255时，即是指对网络中所有簇节点发送信息；模块标志用来区分移动载体上不同装置发的包，占用一个字节，其值为0-255；信息标志定义负载是什么以及负载的解包方式，占用一个字节，其值为0-255；数据段用于存放各种控制指令和数据，并与信息标志相关，占用0-255字节，所述控制指令又由控制指令标志和对应的参数段以及保留字段构成，且控制指令共有15字节，其中控制指令标志占一个字节，用以区分不同的控制指令，保留字段占一个字节，用于扩展，参数段占13个字节，其值根据不同的控制指令对应参数集中的相应参数；校验和对数据包内包开始标志之后校验和之前的内容进行校验，用来确保正确的数据通信，确认无有效载荷包的最小数据包长度为8字节，最大包长度是充分有效载荷为263字节，其占两个字节，其值根据ITU X.25/SAE AS-4hash(使用CRC-16-CCITT)来确定。

图3、4中所述的信号强度得到的过程如下：首先从接收的射频信号耦合出部分射频信号，然后和本征信号进行混频，得到中频信号，最后使用无线信号收发装置的检波电路检测信号的幅值，得到描述接收信号强度的数值。

所述的最低信号强度阈值是指无线信号强度的大小确定的弱信号区域的上限值，即在移动载体远离传感器节点时，为防止信号衰减程度过大，引发数据丢失而设立的最小值。

所述的最高信号强度阈值是指无线信号强度的大小确定的强信号区域的下限值，即在移动载体靠近传感器节点时，判断移动载体是否到达目标传感器节点而设立的最大值。

Claims (10)

1.一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，包括确定无线传感器网络的瘫痪区域，选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点；移动载体挂载多个传感器节点由数据处理中心出发前往最终目标节点，移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向；当移动载体到达最终目标节点后，利用最终目标节点和最邻近最终目标节点的两个簇头节点来确定进入瘫痪区域的前进方向；进入瘫痪区域后，移动载体屏蔽现存传感器网络中除最终目标节点外的所有信号，以最终目标节点为起点，根据链式网络搭建原理重塑无线传感器网络。

2.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述移动载体包括：处理单元、可擦写存储器、无线信号收发装置、挂载弹射装置、避障装置、摄像头和移动装置；所述的处理单元与无线信号收发装置、可擦写存储器、挂载弹射装置、避障装置、摄像头及移动装置相连，作为中枢，控制无线信号收发装置和可擦写存储器的工作流程并使它们协调运转，控制挂载弹射装置、避障装置和摄像头；所述的可擦写存储器，用于程序的读取与写入，以及数据的存储；所述的无线信号收发装置，用于无线信号的收发以及移动载体的定位；所述的挂载弹射装置，用于释放挂载的传感器节点以重塑网络；所述的避障装置、摄像头，用于躲避障碍和采集现场环境信息；所述的移动装置，作为传感器节点的载体，受处理单元的控制，以达到系统所需的移动要求。

3.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述确定无线传感器网络的瘫痪区域的方法是：数据处理中心向外广播特定数据请求；簇头节点接收到特定数据请求指令后，将邻近簇的簇标识、通信状态以及本簇内节点的通信状态以数据包的形式传输到数据处理中心；数据处理中心将收到的含有唯一簇标识的数据包解压后，根据所含的节点通信状态绘制网络连通图，并与之前绘制的网络连通图作比较，以此检验整个网络的连通性，判断是否出现网络“空洞”或断层；根据簇头节点的邻居节点表选取一个最邻近瘫痪区域的簇头节点作为移动载体在现存网络中移动的最终目标节点。

4.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述移动载体在移动过程中依据现存网络自主定位并修正前进方向的过程如下：

步骤1)数据处理中心请求最终目标节点的坐标信息，以数据处理中心为起点，最终目标节点为终点构造方向向量，并将最终目标节点的坐标信息和向量信息存储到移动载体中，移动载体从数据处理中心出发，以构造的方向向量为基准方向前进；

步骤2)移动载体在移动的过程中，每进入一个簇，就加入该簇，移动载体需要回传给数据中心的数据以及数据中心对移动载体的控制指令都通过与簇头的通信实现数据传输；移动载体在现存传感器网络的移动过程中遭遇复杂地形或障碍无法继续前进时，移动载体停止前进并向数据处理中心发送紧急情况处理请求，接收到数据处理中心传来的紧急情况控制指令后施行自主避障或启动摄像头回传环境数据等待人工操作进行避障；顺利避障后，移动载体重新定位继续移动；

步骤3)移动载体在移动过程中，当移动载体检测到的当前目标节点发来的信号的信号强度值大于设定的最高信号强度阈值时，即认为移动载体到达当前目标节点，移动载体停止前进；

步骤4)移动载体处于当前目标节点时，在一定时间，即若干个锚节点广播周期内接收锚节点信号，之后不再接收新的锚节点信息，根据设定的最低信号强度阈值筛选接收到的锚节点，并判断符合要求的锚节点数量是否大于等于定位所需的最低锚节点数量，即3个锚节点，若大于或等于3个，则结合RSSI测距技术和质心算法直接对移动载体进行定位；

步骤5)当检测到的符合要求的锚节点数量小于3个时，请求邻近当前目标节点的簇头节点身份信息、坐标信息及其定位误差；根据定位误差对簇头按从小到大排序，小于设定的最大误差阈值的加入伪锚节点队列，大于设定的最大误差阈值的舍弃；再根据设定的最低信号强度阈值筛选伪锚节点，大于最低信号强度阈值的伪锚节点按定位误差优先级补齐定位所需的锚节点数量，对移动载体进行定位；

步骤6)移动载体的坐标确定后，首先判断伪锚节点队列中是否含有最终目标节点，若存在，则直接将最终目标节点作为下一步目标节点，到达后准备进入瘫痪区域；若不存在最终目标节点，则求各个真/伪锚节点到步骤1中所述基准方向线的距离，选取除当前目标节点外距离基准方向线最近的真/伪锚节点作为下一步的目标节点，且下一步目标节点相比于当前目标节点更接近最终目标节点，以保证移动载体一直向最终目标节点方向移动；

步骤7)下一步目标节点确定后，移动载体根据上一步载体坐标、当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标及基准方向线来修正下一步的前进角度；移动载体按修正后的方向前往下一步目标节点，重复步骤2～7，直至到达最终目标节点。

5.根据权利要求4所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，移动载体在移动过程中需要不断修正前进方向以保证移动载体收敛于基准方向线向最终目标节点移动，移动载体在现存传感器网络的移动过程中，保存起点，即数据处理中心位置坐标、最终目标节点坐标、上一次移动载体坐标、当前移动载体坐标以及选定的下一步目标节点坐标，其中起点位置坐标和最终目标节点坐标两点构成基准方向线，上一次移动载体坐标和当前移动载体坐标两点构成当前方向线，当前移动载体坐标和下一步目标节点坐标两点构成修正方向线；在需要修正方向的情况下，三条方向线将构成一个三角形，根据数学模型可计算出当前方向线与修正方向线的夹角，从而根据基准方向线调整角度达到修正前进方向的目的。

6.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是：所述无线传感器网络的重塑过程如下：

步骤1)当移动载体到达最终目标节点后，移动载体将修正进入瘫痪区域的前进方向：移动载体请求除最终目标节点外最邻近移动载体的两个簇头节点的身份及坐标信息，并通过RSSI测距方法获得移动载体到两个簇头的距离，移动载体坐标点分别与两个簇头节点构成两条线段h1和h2；分别求两条线段的中垂线L4和L5，两条中垂线相交于一点；两条中垂线靠近最终目标节点的一侧形成的区域就是瘫痪节点所在的区域；中垂线交点至移动载体坐标点形成的方向向量就是移动载体进入瘫痪区域的前进方向，移动载体修正方向角度后进入瘫痪区域；

步骤2)移动载体将最终目标节点作为网络重塑起点，屏蔽除最终目标节点，即重塑起点的信号外的现存网络中其他传感器的信号，按照修正的方向进入瘫痪区域；

步骤3)移动载体在该移动过程中不断检测来自重塑起点的信号强度，同时检测是否有其他新的信号来源；当移动载体检测到的重塑起点的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度阈值时，移动载体控制弹射装置释放一个挂载的传感器节点，激活释放的传感器节点使其与重塑起点建立点对点的连接，并指定释放节点的级数使其加入重塑起点的邻居节点列表，移动载体记录该传感器的身份信息后屏蔽重塑起点的信号，只接受此次释放的传感器节点信号按原定方向继续搜索；

步骤4)当移动载体接收到的上一次释放的传感器节点的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度阈值时，再次释放传感器节点，激活并按序指定其级数，使其与上一次释放的传感器节点建立点对点的连接并加入其邻居节点列表；移动载体记录该传感器身份信息后屏蔽上一次释放的传感器节点信号，只接收此次释放的传感器节点的信号并按原定方向继续搜索，直至接收到其他新的信号来源并能够与其建立通信或覆盖要求区域为止；

步骤5)当移动载体接收到新的信号来源时，与其建立通信并向数据处理中心发出网络通信状态判断请求；数据处理中心再次绘制网络连通图检验网络重塑是否成功；若移动载体接收到数据处理中心发来的重塑成功指令，则移动载体释放一个新的传感器节点，激活并使其与新的信号来源节点和上一次释放的传感器节点建立通信，完成网络重塑；若移动载体接收到数据处理中心发来的重塑不成功指令且新的信号来源不属于原传感器网络，则移动载体屏蔽该信号来源继续前进，重复步骤4和步骤5直至重塑成功为止；若移动载体接收到数据处理中心发来的重塑不成功指令但新的信号来源属于原传感器网络，则移动载体释放新的传感器节点，激活并指定级数使其与上一次释放的传感器节点以及新的信号来源节点建立通信，之后移动载体屏蔽新的信号和上一次释放的传感器节点信号，只接收此次释放的传感器节点信号，重复步骤4和5直至重塑成功为止。

7.根据权利要求6所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是：所述级数是为了新释放的传感器节点间或新释放的传感器节点和原有的传感器节点间通信而设立的标志；每释放一个新的传感器节点都会指定一个全网唯一的级数以便形成有效的通信链路。

8.根据权利要求1所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述的移动载体存在四种状态：自主寻路状态、接收控制指令状态、屏蔽特定信号状态和网络重塑状态；

所述的自主寻路状态是指移动载体从数据处理中心出发，通过不断定位、修正前进角度到达最终目标节点的状态；该过程移动载体前进轨迹收敛于数据处理中心至最终目标节点构成的基准方向线，以缩短移动载体自动寻路的路径；

所述接收控制指令状态是指移动载体在自主寻路过程中遭遇复杂地形或障碍无法继续前进时，移动载体停止前进并向数据处理中心发送紧急情况处理请求，等待接收来自数据处理中心的控制指令；

所述屏蔽特定信号状态是指当移动载体准备进入瘫痪区域时，屏蔽除重塑起点外其他现存网络中传感器节点发出的信号；当移动载体进行网络重塑时，屏蔽上一次释放的传感器节点的信号，只接收此次释放的新的传感器节点的信号的状态；

所述网络重塑状态是指移动载体进入瘫痪区域重塑网络，当接收到的上一次释放的传感器节点信号的信号强度值小于或等于设定的最低信号强度值时，释放新的传感器节点，激活并使之与之前的传感器节点建立通信，重复这一过程直至检测到新的信号来源并能建立通信从而使得网络重塑成功。

9.根据权利要求8所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述的信号强度的得到过程如下：首先从接收的射频信号耦合出部分射频信号，然后和本征信号进行混频，得到中频信号，最后使用无线信号收发装置中的检波电路检测信号的幅值，得到描述接收信号强度的数值；所述的最低信号强度阈值是指无线信号强度的大小确定的弱信号区域的上限值，即在移动载体远离传感器节点时，为防止信号衰减程度过大，引发数据丢失而设立的最小值；所述的最高信号强度阈值是指无线信号强度的大小确定的强信号区域的下限值，即在移动载体靠近传感器节点时，判断移动载体是否到达目标传感器节点而设立的最大值。

10.根据权利要求8所述的一种复杂环境下无线残存传感器网络的重塑方法，其特征是，所述控制指令，它的数据封包格式包括包开始标志、负载长度、包序号、节点标志、模块标志、信息标志、数据段及校验和；所述包开始标志表示开始一个新的包，负载长度表示以下的有效载荷的长度，包序号即每个节点对自己发的包进行计数，可以用来检测包是否丢失，节点标志用来区分传感器网络内不同的簇或者移动载体，模块标志用来区分移动载体上不同装置发的包，信息标志定义负载是什么以及负载的解包方式，数据段用于存放各种控制指令和数据，并与信息标志相关，所述控制指令又由控制指令标志和对应的参数段以及保留字段构成，其中控制指令标志用以区分不同的控制指令，保留字段用于扩展，参数段根据不同的控制指令存储参数集中的相应参数值，校验和对数据包内包开始标志之后校验和之前的内容进行校验，用来确保正确的数据通信。