CN105872946A - RFID网络中实现k覆盖的阅读器部署方法 - Google Patents

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胡海洋
胡华
丁佳民
江敏
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Hangzhou Electronic Science and Technology University
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Abstract

本发明公开了一种RFID网络中实现k覆盖的阅读器部署方法。本发明所提供的基于分布式自动定向算法和分布式贪心算法得到最小k覆盖集问题的可行解的方法主要由以下功能模块组成：分布式FoV检测模块和分布式贪心算法模块。分布式FoV检测模块包括边界测试，邻居距离测试以及障碍物距离测试。通过三个测试够实现定向阅读器的自动定向。分布式贪心算法模块是迭代的，每次迭代中所有的d‑RFID在前一次迭代后都视作没有被选择。对于每个d‑RFID将考虑其覆盖范围内所有目标点，当所有的目标点都被k覆盖则算法运行结束；本发明能够有效的调整覆盖方向从而躲避障碍物实现最大化覆盖同时实现k覆盖。

Description

RFID网络中实现k覆盖的阅读器部署方法
技术领域
本发明属于覆盖控制技术领域，用于延长网络寿命，通过对检测区域中RFID阅读器的部署，以提供传感，感知，监视等各种服务，通过对RFID网络中资源的有效分配，使RFID网络能够给检测任务提供更高更可靠的服务标准。
背景技术
近年来，随着无线传感技术，自动识别技术的飞速发展，射频技术(RFID)已被广泛应用于许多领域。RFID是一种不需要与检测目标接触就能够自动识别目标的无线通信技术，该技术是通过RFID阅读器发射能够识别RFID标签的无线射频信号来实现对检测目标的感知和监控。RFID网络就是由许多分布在检测区域中的RFID阅读器和标签组成的一种特殊的网络。该网络通过RFID阅读器协同工作实时监测和读取监测目标的相关数据，然后将数据传送到服务器端进行处理，从而产生对人们有价值的信息。因此，可以利用RFID网络的特征来感知物理世界和执行一些监测任务。RFID技术还能够检测处于运动状态的目标，并且可以在各种复杂环境下工作。目前，RFID技术在学术界和科技界已经得到了广泛关注。
在对RFID网络的研究中，覆盖控制问题引起了越来越多的学者和科研工作者的广泛关注。覆盖控制的主要目标是延长网络寿命，通过对检测区域中RFID阅读器的部署，以提供传感，感知，监视等各种服务，网络覆盖通过对RFID网络中资源的有效分配，使RFID网络能够给检测任务提供更高更可靠的服务标准。在RFID网络中，覆盖控制也可以被看作监测区域中的各个RFID阅读器节点的协作来实现对监测区域的感知和监视，它是对目标区域进行监测的前提。在实际检测任务中，为了保证检测的可靠性，往往对于一个目标点需要多个阅读器同时对其进行监测，这类问题被描述为k覆盖问题。每个目标点在k个或更多个阅读器的覆盖范围内，也就是说每个目标点被至少k个不同的阅读器覆盖。
目前对k覆盖问题的研究已经取得一些可观的成果，但是针对具体应用的覆盖问题的研究还不是很成熟，还需要进一步的改进。此外，这些覆盖问题主要是基于无障碍物环境下的确定型感知模型，过于理想化，不能适用于复杂的障碍物环境中。而且随着RFID在众多领域中的广泛应用，实际应用中的问题也会逐渐浮现，如果这些问题得不到解决，那么RFID应用前景就会受到限制。
发明内容
本发明针对目前的研究现状，针对有障碍物环境下，提出一种RFID网络中实现k覆盖的阅读器部署方法。具体的通过基于分布式自动定向算法和分布式贪心算法得到最小k覆盖集问题的可行解的方法。
本发明方法的具体步骤是：
步骤(1)建立传感区域邻居列表；
具体的：处于检测区域中的所有定向阅读器均向其邻居阅读器发送HELLO_MSG消息，通过HELLO_MSG消息告知邻居阅读器其自身阅读器的信息，同时收集邻居阅读器的信息，从而建立传感区域邻居列表；
步骤(2)处于检测区域中的任何一个定向阅读器如果收到邻居阅读器发送的HELLO_MSG消息，则更新自身阅读器中的邻居列表直至检测区域中所有定向阅读器不再收到HELLO_MSG消息，进入步骤(3)；否则，直接进入步骤(3)；
步骤(3)进行周界测试，具体如下：
每个定向阅读器根据传感区域绕圆的周界扫描确定是否存在一个可见的传感区域，如果定向阅读器通过了周界测试，则进入步骤(4)；否则进入步骤(5)；
步骤(4)调整定向阅读器的方向，得到最有益传感区域，然后向邻居阅读器发送Pose_ADV_MSG消息，邻居阅读器接收到该消息后则更新其邻居列表完成自动定向，然后进入步骤(7)；
步骤(5)进行邻居间距离测试，具体的：
从0°到360°扫描周界所有传感区域，如果该定向阅读器与其邻居阅读器存在重叠的传感区域，则该定向阅读器就通过扫描可见传感区域计算 其自身与各邻居阅读器之间的距离，从而找到最大的重叠的传感区域，然后进入步骤(4)；否则如果该定向阅读器与其邻居阅读器不存在重叠的传感区域，则进入步骤(6)；
所述的可见传感区域是指没有障碍物覆盖的区域；
步骤(6)障碍物距离测试，如果一个定向阅读器没有通过周界测试和邻居间距离测试，则表示有向该阅读器不存在可见传感区域。此时计算该定向阅读器与障碍物之间的距离，通过距离判断可见传感区域的大小，选择可见传感区域最大的邻居阅读器；使被障碍物阻塞的传感区域最小化从而保持可见传感区域的最大化；
步骤(7)将所有定向阅读器标记为未选中；
步骤(8)定向阅读器选取一个目标点t，然后向该定向阅读器对应的没有被选中的所有邻居阅读器发送一个利益值询问消息，通知这些邻居阅读器覆盖目标点t。如果其中有邻居阅读器覆盖了目标点t，则询问这些邻居阅读器的最大利益值；若邻居阅读器收到这些利益值查询消息并且其状态为没有被选择，则根据每条利益值查询消息将其对应的利益值发送给请求的定向阅读器；如果邻居阅读器有回应，则进入步骤(9)；否则返回失败，结束阅读。
步骤(9)选择拥有最大利益值的邻居阅读器，并且向该邻居阅读器发送一个选择请求消息；
步骤(10)若该邻居阅读器收到选择请求消息并且该邻居阅读器的状态为没有被选中，则将该邻居阅读器状态标记为选中并告知附近覆盖同一目标点的定向阅读器该定向阅读器被选中；
所述的选择请求消息是指定向阅读器发送的希望该邻居阅读器覆盖指定目标点的请求；
步骤(11)重复步骤(7)-(10)直到所有目标点都被k覆盖；
本发明有益效果如下：
本发明所提供的基于分布式自动定向算法和分布式贪心算法得到最小k覆盖集问题的可行解的方法主要由以下功能模块组成：分布式FoV(传感区域)检测模块和分布式贪心算法模块。
分布式FoV检测模块主要包括3个连续步骤的测试，分别为边界测试，邻居距离测试以及障碍物距离测试。通过这3个步骤的测试就能够实现d-RFID(定向阅读器)的自动定向，在这3个步骤的测试的基础上提出了一种基于启发式算法的分布式FoV检测算法。当算法运行结束，检测区域中的每个d-RFID都完成了自动定向，使自己的覆盖可见区域最大化，并且覆盖竟可能多的目标点，实现最大化覆盖；
分布式贪心算法模块是迭代的，在每次迭代中，它将所有的d-RFID在之前的迭代中都视作没有被选择。对于每个d-RFID，该算法将考虑它的覆盖范围内的所有的目标点，使其能够覆盖最大数量的目标点，而这些目标点在之前都没有被k覆盖。当所有的目标点都被k覆盖(被至少k个所选择的d-RFID覆盖)，该算法运行结束；
本发明提供的RFID网络中实现k覆盖的方法可有效解决障碍环境下的k覆盖问题需要解决的两个问题，第一个问题是如何使阅读器能够有效的调整覆盖方向从而躲避障碍物实现最大化覆盖，第二个问题是在第一个问题的基础上如何实现k覆盖。
附图说明
图1阅读器s1的周界测试；
图2阅读器s1的邻居距离测试；
图3阅读器s1的障碍物距离测试。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
首先给相关概念定义及符号说明：
d-RFID：定向阅读器；
目标点：位于二维平面中的检测区域中的标签，我们用d-RFID去覆盖这些点，完成覆盖任务；
自动定向：一个d-RFID能够根据需要自动调整覆盖方向；
FoV：一个d-RFID的传感区域；
si：第i个定向阅读器；
si的FoV，其中θi表示扇形覆盖区域的顶角；
其次，RFID网络中实现k覆盖的阅读器部署方法，通过基于分布式自动定向算法和分布式贪心算法得到最小k覆盖集问题的可行解的方法，具体的两个算法的实现步骤包括如下：
步骤(1)建立传感区域邻居列表；
具体的：处于检测区域中的所有定向阅读器均向其邻居阅读器发送HELLO_MSG消息，通过HELLO_MSG消息告知邻居阅读器其自身阅读器的信息，同时收集邻居阅读器的信息，从而建立传感区域邻居列表；
步骤(2)处于检测区域中的任何一个定向阅读器如果收到邻居阅读器发送的HELLO_MSG消息，则更新自身阅读器中的邻居列表直至检测区域中所有定向阅读器不再收到HELLO_MSG消息，进入步骤(3)；否则，直接进入步骤(3)；
步骤(3)进行周界测试，具体如下：
每个定向阅读器根据传感区域绕圆的周界扫描确定是否存在一个可见的传感区域，如图1所示，该图表示的是阅读器s1的传感区域。从图中可以看出在s1的传感区域的覆盖圆周中存在2个障碍物，并且这两个障碍物离阅读器的距离都很近，所以该障碍物有可能阻塞s1的覆盖区域。第一个障碍物的两条切线与圆周的交点为A,B。第二个障碍物的两条切线与圆周的交点为C,D。所以，阅读器s1就可以确定是否存在其中，或 表示一个可见的传感区域。那么就可以得到区域和区域被障碍物阻挡。如果定向阅读器通过了周界测试，则进入步骤(4)；否则进入步骤(5)；
步骤(4)调整定向阅读器的方向，得到最有益传感区域，然后向邻居阅读器发送Pose_ADV_MSG消息，邻居阅读器接收到该消息后则更新其邻居列表完成自动定向，然后进入步骤(7)；
步骤(5)进行邻居间距离测试，具体的：
从0°到360°扫描周界所有传感区域，如果该定向阅读器与其邻居阅读器存在重叠的传感区域，则该定向阅读器就通过扫描可见传感区域计算其自身与各邻居阅读器之间的距离，从而找到最大的重叠的传感区域，图2是阅读器s1的传感区域圆周和它的邻居。因为存在障碍物，区域被 阻塞，邻居阅读器之间的重叠区域为通过上述对周界测试的分析知阅读器s1没有通过周界测试，但是它能够通过邻居距离测试，因为区域(逆时针方向)是可见的，并且s1的所有邻居s2,s3,s4,s5中s5与s1距离最近，所以说明s5与s1之间存在最大可能的重叠的传感区域，它们之间的距离记作:d15。然后进入步骤(4)；否则如果该定向阅读器与其邻居阅读器不存在重叠的传感区域，则进入步骤(6)；
所述的可见传感区域是指没有障碍物覆盖的区域；
步骤(6)障碍物距离测试，如果一个定向阅读器没有通过周界测试和邻居间距离测试，则表示有向该阅读器不存在可见传感区域。如图3，阅读器s1的周围有4个障碍物。因为在周界中不存在可见区域大于θ，所以最终阅读器s1不存在可见传感区域。然而，通过计算定向阅读器与障碍物之间的距离，最小化的被障碍物阻塞的传感区域能够保持可见传感区域的最大化。这里，与邻居距离测试相似，与阅读器s1较近的障碍物就意味着存在较大的被阻塞的传感区域。在上述这种情况下，定向阅读器通过扫描周界找到最有益的区域θ，从而最大化可见传感区域。需要注意的是传感区域可能不会完全被阻塞。图中，在阅读器s1的覆盖圆周中区域和区域都是可见区域，但是这两个区域都小于θ。在这种情况下，对于一个定向阅读器的传感区域将包含这些小的可见区域。如图中，阅读器s1的传感区域将包括可见区域和与障碍物距离较远的阻塞区域。此时计算该定向阅读器与障碍物之间的距离，通过距离判断可见传感区域的大小，选择可见传感区域最大的邻居阅读器；使被障碍物阻塞的传感区域最小化从而保持可见传感区域的最大化；
步骤(7)将所有定向阅读器标记为未选中；
步骤(8)定向阅读器选取一个目标点t，然后向该定向阅读器对应的没有被选中的所有邻居阅读器发送一个利益值询问消息，通知这些邻居阅读器覆盖目标点t。如果其中有邻居阅读器覆盖了目标点t，则询问这些邻居阅读器的最大利益值；若邻居阅读器收到这些利益值查询消息并且其状态为没有被选择，则根据每条利益值查询消息将其对应的利益值发送给请求的定向阅读器；如果邻居阅读器有回应，则进入步骤(9)； 否则返回失败，结束阅读。
步骤(9)选择拥有最大利益值的邻居阅读器，并且向该邻居阅读器发送一个选择请求消息；
步骤(10)若该邻居阅读收到选择请求消息并且该邻居阅读器的状态为没有被选中，则将该邻居阅读器状态标记为选中并告知附近覆盖同一目标点的定向阅读器该定向阅读器被选中；
所述的选择请求消息是指定向阅读器发送的希望该邻居阅读器覆盖指定目标点的请求；
步骤(11)重复步骤(7)-(10)直到所有目标点都被k覆盖。

Claims (1)

1.RFID网络中实现k覆盖的阅读器部署方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1)建立传感区域邻居列表
具体的：处于检测区域中的所有定向阅读器均向其邻居阅读器发送HELLO_MSG消息，通过HELLO_MSG消息告知邻居阅读器其自身阅读器的信息，同时收集邻居阅读器的信息，从而建立传感区域邻居列表；
步骤(2)处于检测区域中的任何一个定向阅读器如果收到邻居阅读器发送的HELLO_MSG消息，则更新自身阅读器中的邻居列表直至检测区域中所有定向阅读器不再收到HELLO_MSG消息，进入步骤(3)否则，直接进入步骤(3)；
步骤(3)进行周界测试，具体如下：
每个定向阅读器根据传感区域绕圆的周界扫描确定是否存在一个可见的传感区域，如果定向阅读器通过了周界测试，则进入步骤(4)否则进入步骤(5)；
步骤(4)调整定向阅读器的方向，得到最有益传感区域，然后向邻居阅读器发送Pose_ADV_MSG消息，邻居阅读器接收到该消息后则更新其邻居列表完成自动定向，然后进入步骤(7)；
步骤(5)进行邻居间距离测试，具体的：
从0°到360°扫描周界所有传感区域，如果该定向阅读器与其邻居阅读器存在重叠的传感区域，则该定向阅读器就通过扫描可见传感区域计算其自身与各邻居阅读器之间的距离，从而找到最大的重叠的传感区域，然后进入步骤(4)否则如果该定向阅读器与其邻居阅读器不存在重叠的传感区域，则进入步骤(6)；
所述的可见传感区域是指没有障碍物覆盖的区域；
步骤(6)障碍物距离测试，如果一个定向阅读器没有通过周界测试和邻居间距离测试，则表示有向该阅读器不存在可见传感区域。此时计算该定向阅读器与障碍物之间的距离，通过距离判断可见传感区域的大小，选择可见传感区域最大的邻居阅读器使被障碍物阻塞的传感区域最小化从而保持可见传感区域的最大化；
步骤(7)将所有定向阅读器标记为未选中；
步骤(8)定向阅读器选取一个目标点t，然后向该定向阅读器对应的没有被选中的所有邻居阅读器发送一个利益值询问消息，通知这些邻居阅读器覆盖目标点t。如果其中有邻居阅读器覆盖了目标点t，则询问这些邻居阅读器的最大利益值若邻居阅读器收到这些利益值查询消息并且其状态为没有被选择，则根据每条利益值查询消息将其对应的利益值发送给请求的定向阅读器；如果邻居阅读器有回应，则进入步骤(9)否则返回失败，结束阅读。
步骤(9)选择拥有最大利益值的邻居阅读器，并且向该邻居阅读器发送一个选择请求消息；
步骤(10)若该邻居阅读收到选择请求消息并且该邻居阅读器的状态为没有被选中，则将该邻居阅读器状态标记为选中并告知附近覆盖同一目标点的定向阅读器该定向阅读器被选中；
所述的选择请求消息是指定向阅读器发送的希望该邻居阅读器覆盖指定目标点的请求；
步骤(11)重复步骤(7)-(10)直到所有目标点都被k覆盖。
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