CN107948315B - 一种物联网区域覆盖控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网区域覆盖控制方法及系统。该方法包括：获取节点集群中的源节点信息和目标节点信息；搭建连通性能符合预设条件的数据传输路径；计算每个数据传输路径的能量消耗，筛选出最低能耗路径；判断最低能耗路径的能量消耗是否满足第一阈值；若满足，控制数据沿最低能耗路径传输；若不满足，则判断是否存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径；若存在一条，则控制数据沿该数据传输路径传输；若存在两条或两条以上，则选择最优数据传输路径作为最优传输路径进行数据传输；若不存在，则在所有数据传输路径中选择最优数据传输路径进行数据传输。本发明的方法及系统，可以使物联网区域覆盖范围大，稳定性高。

Description

一种物联网区域覆盖控制方法及系统

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种物联网区域覆盖控制方法及系统。

背景技术

目前的区域覆盖控制方法研究大多集中在无线传感器网络领域。然而无线传感器网络仅仅是物联网的一部分，属于物联网中的无线个域网。由于无线传感器网络属于无线个域网，而物联网的覆盖范围至少相当于城域网或者广域网的覆盖范围，因此从覆盖范围的角度考虑，物联网的区域覆盖方法与无线传感器网络的区域覆盖方法存在较大差异。而且无线传感器网络所需覆盖的范围小，连通度和覆盖度很容易达到要求，因此能耗低是无线传感器网络主要考虑的因素，然而物联网由于包含各种异构网络，各种异构网络对发射功率的要求不同，对发射功率的调整可以直接影响物联网的覆盖范围和各个异构网络之间的通信干扰，因此在对物联网进行功率控制时主要考虑的是在保证覆盖范围的同时降低通信干扰。基于上述无线传感器网络和物联网本质的不同，若将无线传感器网络的覆盖控制方法应用于物联网中很容易出现覆盖范围小和通信干扰较大等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种物联网区域覆盖控制方法及系统，使得物联网区域覆盖范围较大，且稳定性高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种物联网区域覆盖控制方法，包括：

获取节点集群中准备发送数据的源节点信息和最终接收所述数据的目标节点信息；所述节点集群为属于频率同属于同一个频段的物联网节点组成的集群；

利用元胞遗传算法建立网络模型，搭建连通性能符合预设条件的数据传输路径，所述数据传输路径为由所述源节点将数据发送到所述目标节点过程中所需经过的物联网节点构成的通信链路；

计算每个所述数据传输路径完成数据传输所需要的能量消耗；

筛选出能量消耗最低的数据传输路径，标记为最低能耗路径；

判断最低能耗路径的能量消耗是否满足第一阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示满足，则控制所述数据沿所述最低能耗路径传输；

若所述第一判断结果表示不满足，则对判断所述数据传输路径中是否存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示存在一条误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则控制所述数据沿误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径传输；

若所述第二判断结果表示存在两条或两条以上误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输；

若所述第二判断结果表示不存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在所有所述数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输。

可选的，确定所述节点集群的方法包括：

获取物联网覆盖范围和所述覆盖范围内的物联网节点信息；

利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域；

在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群。

可选的，所述利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域，具体包括：

将所述物联网覆盖范围连接成多边形；

对所述多边形进行单调划分，使所述多边形划分成多个单调多边形；所述单调多边形为每个内角均小于180度的多边形；

利用三角剖分算法对每个所述单调多边形进行三角剖分，得到多个三角子区域。

可选的，所述在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群，具体包括：

逐个对各个三角子区域顶点进行频段标记，使同属于一条边的两个顶点所对应的频段为不同的频段；

将频段与所述三角子区域所对应的频段相同的物联网节点中与所述三角子区域顶点距离最近的物联网节点标记为扫频节点；所述扫频节点用于向周围发送扫频信号；

控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，得到节点集群；所述节点集群包括所述扫频节点和信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点。

可选的，所述控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，得到节点集群，具体包括：

获取所述扫频节点接收到的反馈信号；

将所述扫频节点与发送所述反馈信号的物联网节点标记为同一个节点集群；

筛选出所述三角子区域内的独立物联网节点；所述独立物联网节点为所述三角子区域内除所述节点集群内的物联网节点以外的物联网节点；

控制所述独立物联网节点向周围发送广播信号，当所述广播信号被节点集中的任意一个物联网节点接收时，将所述独立物联网节点划分到所述节点集群；当所述广播信号无法被节点集群中的物联网节点接收时，将所述独立物联网节点标记为扫频节点。

本发明还公开了一种物联网区域覆盖控制系统，包括：

起止节点获取模块，用于获取节点集群中准备发送数据的源节点信息和最终接收所述数据的目标节点信息；

路径搭建模块，用于利用元胞遗传算法建立网络模型，搭建连通性能符合预设条件的数据传输路径，所述数据传输路径为由所述源节点将数据发送到所述目标节点过程中所需经过的物联网节点构成的通信链路；

能耗计算模块，用于计算每个所述数据传输路径完成数据传输所需要的能量消耗；

最低能耗筛选模块，用于筛选出能量消耗最低的数据传输路径，标记为最低能耗路径；

第一判断模块，用于判断最低能耗路径的能量消耗是否满足第一阈值，得到第一判断结果；

第一执行模块，用于若所述第一判断结果表示满足，则控制所述数据沿所述最低能耗路径传输；

第二判断模块，用于若所述第一判断结果表示不满足，则对判断所述数据传输路径中是否存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，得到第二判断结果；

第二执行模块，用于若所述第二判断结果表示存在一条误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则控制所述数据沿误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径传输；若所述第二判断结果表示存在两条或两条以上误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输；若所述第二判断结果表示不存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在所有所述数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输。

可选的，该物联网区域覆盖控制系统还包括节点集群确定模块，所述节点集群确定模块用于确定所述节点集群；所述节点集群确定模块具体包括：

节点获取子模块，用于获取物联网覆盖范围和所述覆盖范围内的物联网节点信息；

三角划分子模块，用于利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域；

集群确定子模块，用于在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群；

功率控制子模块，用于利用元胞遗传算法对每个所述节点集群进行覆盖功率控制。

可选的，所述三角划分子模块，具体包括：

边缘连接单元，用于将所述物联网覆盖范围连接成多边形；

单调划分单元，用于对所述多边形进行单调划分，使所述多边形划分成多个单调多边形；所述单调多边形为每个内角均小于180度的多边形；

三角剖分单元，用于利用三角剖分算法对每个所述单调多边形进行三角剖分，得到多个三角子区域。

可选的，所述集群确定子模块，具体包括：

频段标记单元，用于逐个对各个三角子区域顶点进行频段标记，使同属于一条边的两个顶点所对应的频段为不同的频段；

扫频节点确定单元，用于将频段与所述三角子区域所对应的频段相同的物联网节点中与所述三角子区域顶点距离最近的物联网节点标记为扫频节点；所述扫频节点用于向周围发送扫频信号；

集群划分单元，用于控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，得到节点集群；所述节点集群包括所述扫频节点和信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点。

可选的，所述集群划分单元，具体包括：

反馈获取子单元，用于获取所述扫频节点接收到的反馈信号；

集群标记子单元，用于将所述扫频节点与发送所述反馈信号的物联网节点标记为同一个节点集群；

独立节点筛选子单元，用于筛选出所述三角子区域内的独立物联网节点；所述独立物联网节点为所述三角子区域内除所述节点集群内的物联网节点以外的物联网节点；

独立节点标记子单元，用于控制所述独立物联网节点向周围发送广播信号，当所述广播信号被节点集中的任意一个物联网节点接收时，将所述独立物联网节点划分到所述节点集群；当所述广播信号无法被节点集群中的物联网节点接收时，将所述独立物联网节点标记为扫频节点。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的物联网区域覆盖控制方法及系统，首先利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域，从而将大范围的功率控制转变为多个小范围的功率控制的集合，从而能够实现大范围的功率控制；然后在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群，从而使每个节点集群都能完成信号的传播，保证了信号传播的通畅；最后利用元胞遗传算法对每个所述节点集群进行覆盖功率控制，从而能够降低异构节点之间的干扰，提高信号传输的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明物联网区域覆盖控制方法实施例的方法流程图；

图2为本发明确定节点集群的方法实施例的方法流程图；

图3为本发明确定所述节点集群的方法实施例的物联网覆盖范围形成的多边形的示意图；

图4为本发明确定节点集群的方法实施例的单调划分的方法示意图；

图5为本发明确定所述节点集群的方法实施例的三角剖分形成的区域结构图；

图6为本发明确定所述节点集群的方法实施例的确定扫频节点后未确定集群时的物联网分别结构示意图；

图7为本发明确定所述节点集群的方法实施例的节点集群发现过程的示意图；

图8为本发明确定所述节点集群的方法实施例的独立物联网节点的节点集群选择过程的示意图；

图9为本发明物联网区域覆盖控制系统实施例的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明物联网区域覆盖控制方法实施例的方法流程图。

参见图1，该物联网区域覆盖控制方法，包括：

步骤101：获取节点集群中准备发送数据的源节点信息和最终接收所述数据的目标节点信息；所述节点集群为属于频率同属于同一个频段的物联网节点组成的集群；

步骤102：利用元胞遗传算法建立网络模型，搭建连通性能符合预设条件的数据传输路径，所述数据传输路径为由所述源节点将数据发送到所述目标节点过程中所需经过的物联网节点构成的通信链路；

该步骤102主要基于连通模型、通信模型和网络模型搭建数据传输路径。

(1)连通模型：

连通模型用于表示物联网节点在物联网中的传播信号的能力。本发明的连通模型可以用以下公式表示：

其中，S为物联网节点的连通度，n为物联网节点数，S_i为任一物联网节点的连通度。

(2)通信模型：

物联网中异构网络结构不同，所以传输对象的信号带宽也不尽相同。每个物联网节点必须能够感知信号的带宽，用以完成对网络的选择和信号的传输。当被物联网覆盖范围内被监测对象不在物联网节点的通信范围之内时，物联网节点则不能感知到被监测对象，因此需要考虑发射功率对接收节点的影响。

根据电磁波传播理论，当电磁波在自由空间中传播时，如果发射节点与接收节点在视距范围内，则可用自由空间传播模型预测接收信号的强度。如果发射节点的信源发射功率为P_T，r为发射节点与接收节点之间的距离，则发射接点与接收节点之间的信号功率关系为：

其中，P_R为接收节点的接收功率，λ为载波波长，A_T为发射节点的天线的增益，A_R为接收节点的天线的增益，m为信道衰落系数。

(3)网络模型

该网络模型基于元胞遗传算法。

定义C为物联网节点的集合，C＝{c₁,c₂,...,c_n}，其中n为物联网节点的数量。C中任意源节点与目标节点间的所有通信链路构成了元胞空间L，L＝{L_k＝(c₁,...,c_i,...,c_j,...,c_n)|c_i,c_j∈C,c_i≠c_j,i,j＝1,2,...,n,k∈Z}。

定义S为物联网节点状态的集合，S＝{s₁,s₂,s₃}，其中S1表示物联网节点处于工作状态，S2表示物联网节点处于等待状态，S3表示物联网节点处于空闲状态；处于工作状态的物联网节点为中心元胞节点(Center Cell，CC)，处于等待状态的物联网节点为邻居元胞节点(Neighbor Cell，NC),处于空闲状态的无聊网节点为空闲元胞节点(Idle Cell，IC)。

基于上述定义，网络模型的更新准则如下:

Step1：在通信过程中，链路的建立原则为：

(1)假设CC有效范围内存在IC，CC随机选择一个IC作为数据转发节点；

(2)假设CC有效范围内不存在IC，但存在NC，则CC随机选择一个NC作为数据转发节点；

(3)假设CC有效范围内既不存在IC，也不存在NC，此时CC附近的所有元胞节点均处在工作状态，则CC将数据存储到缓存中，当CC接收到有效范围内的任意一个元胞节点发送的数据释放的消息后，选择该已释放消息的元胞节点作为数据转发节点。

Step2：构建数据传输路径。通过以下公式选择符合要求的数据传输路径：

N＝{L_k*|difference(L_k1-L_k2)≥d,L_k1,L_k2∈L_k}

其中，N为满足要求的数据传输路径的集合。difference(L_k1-L_k2)为两节点间不同通信路径的差异。d表示差异阈值。

步骤103：计算每个所述数据传输路径完成数据传输所需要的能量消耗；

利用公式N_b＝N_h+N_c+N_d计算物联网节点传输数据包的比特数，其中N_b为物联网节点传输数据包的比特数，N_h为报头的比特数，N_c为经过编码后的编码比特数，N_d为数据比特数；

利用公式

计算数据传输路径中第t个物联网节点传输比特数为N_b的的数据时能量消耗；其中E(t)为第t个物联网节点的能量消耗，

为数据传输路径中第t个物联网节点传输1bit数据所消耗的能量；

利用公式

计算将数据从源节点传输到目标节点所消耗的能量；其中E_p为端到端通信时数据传输路径的总能量消耗，q为传输路径中的物联网节点的数量；

步骤104：筛选出能量消耗最低的数据传输路径，标记为最低能耗路径；

步骤105：判断最低能耗路径的能量消耗是否满足第一阈值，得到第一判断结果；

最低能耗路径的能量消耗为E_min，E_th为端到端通信所需要的有效能量消耗阈值。若公式E_min≤E_th成立，则表示最低能耗路径的能量消耗满足第一阈值，若公式E_min≤E_th不成立，则表示最低能耗路径的能量消耗不满足第一阈值。

步骤106：若所述第一判断结果表示满足，即E_min≤E_th，则控制所述数据沿所述最低能耗路径传输；

步骤107：若所述第一判断结果表示不满足，即E_min＞E_th，则对判断所述数据传输路径中是否存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，得到第二判断结果；

判断误包率是否满足预设阈值的过程如下：

利用公式PER_L＝1-(1-PER_EC)(1-PER_l)≤PER_th判断误包率是否满足预设阈值，若公式成立，则表示误包率满足预设阈值，若公式不成立，则表示误包率不满足预设阈值。其中PER_L为端到端通信总误包率，PER_EC为物理层经过编码差错控制的链路误包率，PER_l为互联网误包率，PER_th为端到端通信所要求的有效误包率阈值。

判断时间延迟是否满足预设阈值的过程如下：

利用公式T_p＝∑(T_q+T_c)+T_l计算端到端传输总时延，其中T_p为端到端传输总时延，T_q为链路中某物联网节点进行信息申请和等待发送时间，T_c为信息转发执行时间，T_l为互联网传输时间，设β为时间延迟的目标概率，T_th为端到端通信所要求的有效时间阈值，如果T_p≤T_th的概率P(T_p≤T_th)≥β，则表示时间延迟满足预设阈值。

步骤108：若所述第二判断结果表示存在一条误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则控制所述数据沿误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径传输；

步骤109：若所述第二判断结果表示存在两条或两条以上误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输；

步骤110：若所述第二判断结果表示不存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在所有所述数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输。

本发明的该实施例所采用的权重分配算法如下：

令w_E+w_PER+w_T＝1，通过优化算法求取

选取结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，并使最优传输路径之外的物联网节点处于睡眠状态。其中w_E为能量消耗的权重，w_PER为误包率的权重，w_T为时间延迟的权重。

本发明还公开了一种确定所述节点集群的方法。为了提高物联网节点的覆盖效率，必须对物联网节点进行合理部署，即对物联网覆盖范围进行科学的区域划分。而划分的目的是为基于信号频谱的集群确定选择出合适的扫频节点。这样不仅可以降低拓扑控制的成本，还能通过最少的链路节点获取最大的路由效率。本发明以物联网覆盖区域外部多边形顶点结构为基准，通过三角剖分的形式，将网络覆盖区域划分为若干子域，然后将子域顶点处的节点定义为扫频节点。

图2为本发明确定节点集群的方法实施例的方法流程图。

参见图2，该确定节点集群的方法具体包括：

步骤201：获取物联网覆盖范围和所述覆盖范围内的物联网节点信息。

步骤202：利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域。该步骤包括形成多边形、单调划分和三角剖分三个过程。

1、形成多边形：

图3为本发明确定所述节点集群的方法实施例的物联网覆盖范围形成的多边形的示意图。

参见图3，在划分之前首先需要将所述物联网覆盖范围连接成多边形。

2、单调划分：

图4为本发明确定节点集群的方法实施例的单调划分的方法示意图。

参见图4，当物联网覆盖范围形成的多边形不是单调多边形时，需要对该多边形进行单调划分。目的是通过引入对角线消除多边形不规则情况下引起的拐点。拐点即为内角大于180度的多边形顶点。如图中点p为一拐点，与其连接的两条多边形的边为向下方向，则此时需构造一条以p为起点，向上连接的对角线，该对角线将原多边形分为2部分，此时p则不再属于拐点，其属于划分后两个小多边形共有的一个顶点。基于上述原理对多边形进行单调划分，使多边形形成多个单调多边形的组合，使得多边形不再具有拐点。所述单调多边形为每个内角均小于180度的多边形。

3、三角剖分：

图5为本发明确定所述节点集群的方法实施例的三角剖分形成的区域结构图。

参见图5，本发明采用三角剖分算法对每个所述单调多边形进行三角剖分。本发明采用的三角剖分的算法如下：

经过三角剖分后，得到多个三角子区域。

步骤203：在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群。该步骤包括确定扫频节点和确定节点集群两个过程。

1、确定扫频节点

本发明采用染色方案确定扫频节点。

为了最大限度的在该子集中找到尽可能少的节点完成区域覆盖任务，使用红、黄、绿三种颜色给子集中的所有节点进行染色。染色方案需满足由任何边连接的两个节点，所染的颜色不能相同，当遇到中间只有一个点的内置多边形为单数边时将其中一条单边顶点染成绿色。每种颜色表示一个频段标记，染色方案形成即完成频段标记的过程，完成后，每个三角子区域的三角形顶点均对应一个频段。

然后将频段与所述三角子区域所对应的频段相同的物联网节点中与所述三角子区域顶点距离最近的物联网节点标记为扫频节点；所述扫频节点用于向周围发送扫频信号。

2、确定节点集群

过程包括：控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号；获取所述扫频节点接收到的反馈信号；将所述扫频节点与发送所述反馈信号的物联网节点标记为同一个节点集群；所述节点集群包括所述扫频节点和信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点；筛选出所述三角子区域内的独立物联网节点；所述独立物联网节点为所述三角子区域内除所述节点集群内的物联网节点以外的物联网节点；控制所述独立物联网节点向周围发送广播信号，当所述广播信号被节点集中的任意一个物联网节点接收时，将所述独立物联网节点划分到所述节点集群；当所述广播信号无法被节点集群中的物联网节点接收时，将所述独立物联网节点标记为扫频节点。

具体说明如下：

首先定义兴趣驱动的概念。所谓兴趣驱动，是将网络中同时具有如下特征的节点称为同类兴趣驱动节点：描述共同的需求网络行为、具有共同的性能指标参数和表达共同的附加功能请求。

就需求网络行为而言，可以指能量消耗需求或时间同步精度需求；就性能指标参数而言，广义讲可以指传输信号的类型，如视频、图像或语音等，或者是允许多种类型信号同时传输对于指标参数的要求；就附加功能请求而言，可以指是否需要与互联网或移动通信网络相联等。

当确定扫频节点后，控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，从而发现具有共同兴趣驱动的物联网节点，得到节点集群。其目的是将具有共同兴趣驱动的节点划分到统一的通信范围中，本发明将满足该通信范围所代表的区域内的所有物联网节点定义为一个集群。

图6为本发明确定所述节点集群的方法实施例的确定扫频节点后未确定集群时的物联网分别结构示意图。

参见图6，当扫频节点确定后，所有物联网节点仍然处于独立的分布状态，并没有形成以兴趣驱动为目标的节点集群。其中1为第一频段扫频节点，2为第二频段扫频节点，3为第一频段物联网节点，4为第二频段物联网节点，5为第三频段物联网节点。

图7为本发明确定所述节点集群的方法实施例的节点集群发现过程的示意图。

参见图7，此时不同类型的扫频节点开始以不同频率发射扫频信号，寻找共同兴趣驱动的同类型节点，当扫频节点周围的非扫频节点的物联网节点接收到与其同频段的扫频信号时，确定兴趣类型，并向该扫频节点发送应答信号，等待扫频节点确认后加入到属于该频段且同兴趣的节点集群当中。比如第一频段扫频节点1发射扫频信号，第一频段物联网节点3接收到第一频段的扫频信号后，向第一频段扫频节点1发送应答信号，第一频段扫频节点1接收到应答信号后将第一频段物联网节点3划分到同一节点集群中。第二频段物联网节点4由于不属于第一频段，无法接收到第一频段扫频节点1发送的扫频信号，因此，不会与第一频段扫频节点划分到同一节点集群中。同样，第二频段扫频节点2将第二频段物联网节点4划分到同一节点集群中。第三频段物联网节点5接收不到任何扫频信号，无法划分到第一频段扫频节点1的节点集群中，也无法划分到第二频段扫频节点2的节点集群中。

图8为本发明确定所述节点集群的方法实施例的独立物联网节点的节点集群选择过程的示意图。

参见图8，经过扫频节点扫频结束后，第三频段物联网节点5依然未发现合适的节点集群，该第三频段物联网节点5被称为独立物联网节点。此时该独立物联网节点主动成为扫频节点，开始发射第三频段的扫频信号，寻找具有共同兴趣驱动的节点集群。当有共同兴趣驱动的物联网节点收到该扫频信号时，该物联网节点将该消息传送到所属的节点集群中的扫频节点，扫频节点将独立物联网节点加入该节点集群。若没有共同兴趣驱动的物联网节点收到该扫频信号，则该独立物联网节点以扫频节点的身份存在于物联网覆盖区域中。

图9为本发明物联网区域覆盖控制系统实施例的系统结构图。

参见图9，该物联网区域覆盖控制系统，包括：

起止节点获取模块901，用于获取节点集群中准备发送数据的源节点信息和最终接收所述数据的目标节点信息；

路径搭建模块902，用于利用元胞遗传算法建立网络模型，搭建连通性能符合预设条件的数据传输路径，所述数据传输路径为由所述源节点将数据发送到所述目标节点过程中所需经过的物联网节点构成的通信链路；

能耗计算模块903，用于计算每个所述数据传输路径完成数据传输所需要的能量消耗；

最低能耗筛选模块904，用于筛选出能量消耗最低的数据传输路径，标记为最低能耗路径；

第一判断模块905，用于判断最低能耗路径的能量消耗是否满足第一阈值，得到第一判断结果；

第一执行模块906，用于若所述第一判断结果表示满足，则控制所述数据沿所述最低能耗路径传输；

第二判断模块907，用于若所述第一判断结果表示不满足，则对判断所述数据传输路径中是否存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，得到第二判断结果；

第二执行模块908，用于若所述第二判断结果表示存在一条误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则控制所述数据沿误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径传输；若所述第二判断结果表示存在两条或两条以上误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输；若所述第二判断结果表示不存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在所有所述数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输。

该物联网区域覆盖控制系统还包括节点集群确定模块，所述节点集群确定模块用于确定所述节点集群；所述节点集群确定模块具体包括：

节点获取子模块，用于获取物联网覆盖范围和所述覆盖范围内的物联网节点信息；

三角划分子模块，用于利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域；

集群确定子模块，用于在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群；

功率控制子模块，用于利用元胞遗传算法对每个所述节点集群进行覆盖功率控制。

所述三角划分子模块，具体包括：

边缘连接单元，用于将所述物联网覆盖范围连接成多边形；

单调划分单元，用于对所述多边形进行单调划分，使所述多边形划分成多个单调多边形；所述单调多边形为每个内角均小于180度的多边形；

三角剖分单元，用于利用三角剖分算法对每个所述单调多边形进行三角剖分，得到多个三角子区域。

可选的，所述集群确定子模块，具体包括：

频段标记单元，用于逐个对各个三角子区域顶点进行频段标记，使同属于一条边的两个顶点所对应的频段为不同的频段；

扫频节点确定单元，用于将频段与所述三角子区域所对应的频段相同的物联网节点中与所述三角子区域顶点距离最近的物联网节点标记为扫频节点；所述扫频节点用于向周围发送扫频信号；

集群划分单元，用于控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，得到节点集群；所述节点集群包括所述扫频节点和信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点。

可选的，所述集群划分单元，具体包括：

反馈获取子单元，用于获取所述扫频节点接收到的反馈信号，

集群标记子单元，用于将所述扫频节点与发送所述反馈信号的物联网节点标记为同一个节点集群；

独立节点筛选子单元，用于筛选出所述三角子区域内的独立物联网节点；所述独立物联网节点为所述三角子区域内除所述节点集群内的物联网节点以外的物联网节点；

独立节点标记子单元，用于控制所述独立物联网节点向周围发送广播信号，当所述广播信号被节点集中的任意一个物联网节点接收时，将所述独立物联网节点划分到所述节点集群；当所述广播信号无法被节点集群中的物联网节点接收时，将所述独立物联网节点标记为扫频节点。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种物联网区域覆盖控制方法，其特征在于，包括：

获取节点集群中准备发送数据的源节点信息和最终接收所述数据的目标节点信息；所述节点集群为属于频率同属于同一个频段的物联网节点组成的集群；

利用元胞遗传算法建立网络模型，搭建连通性能符合预设条件的数据传输路径，所述数据传输路径为由所述源节点将数据发送到所述目标节点过程中所需经过的物联网节点构成的通信链路；

计算每个所述数据传输路径完成数据传输所需要的能量消耗；

筛选出能量消耗最低的数据传输路径，标记为最低能耗路径；

判断最低能耗路径的能量消耗是否满足第一阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示满足，则控制所述数据沿所述最低能耗路径传输；

若所述第一判断结果表示不满足，则对判断所述数据传输路径中是否存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示存在一条误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则控制所述数据沿误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径传输；

若所述第二判断结果表示存在两条或两条以上误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输；

若所述第二判断结果表示不存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在所有所述数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输。

2.根据权利要求1所述的一种物联网区域覆盖控制方法，其特征在于，确定所述节点集群的方法包括：

获取物联网覆盖范围和所述覆盖范围内的物联网节点信息；

利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域；

在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群。

3.根据权利要求2所述的一种物联网区域覆盖控制方法，其特征在于，所述利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域，具体包括：

将所述物联网覆盖范围连接成多边形；

对所述多边形进行单调划分，使所述多边形划分成多个单调多边形；所述单调多边形为每个内角均小于180度的多边形；

利用三角剖分算法对每个所述单调多边形进行三角剖分，得到多个三角子区域。

4.根据权利要求2所述的一种物联网区域覆盖控制方法，其特征在于，所述在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群，具体包括：

逐个对各个三角子区域顶点进行频段标记，使同属于一条边的两个顶点所对应的频段为不同的频段；

将频段与所述三角子区域所对应的频段相同的物联网节点中与所述三角子区域顶点距离最近的物联网节点标记为扫频节点；所述扫频节点用于向周围发送扫频信号；

控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，得到节点集群；所述节点集群包括所述扫频节点和信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点。

5.根据权利要求4所述的一种物联网区域覆盖控制方法，其特征在于，所述控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，得到节点集群，具体包括：

获取所述扫频节点接收到的反馈信号；

将所述扫频节点与发送所述反馈信号的物联网节点标记为同一个节点集群；

筛选出所述三角子区域内的独立物联网节点；所述独立物联网节点为所述三角子区域内除所述节点集群内的物联网节点以外的物联网节点；

控制所述独立物联网节点向周围发送广播信号，当所述广播信号被节点集中的任意一个物联网节点接收时，将所述独立物联网节点划分到所述节点集群；当所述广播信号无法被节点集群中的物联网节点接收时，将所述独立物联网节点标记为扫频节点。

6.一种物联网区域覆盖控制系统，其特征在于，包括：

起止节点获取模块，用于获取节点集群中准备发送数据的源节点信息和最终接收所述数据的目标节点信息；

路径搭建模块，用于利用元胞遗传算法建立网络模型，搭建连通性能符合预设条件的数据传输路径，所述数据传输路径为由所述源节点将数据发送到所述目标节点过程中所需经过的物联网节点构成的通信链路；

能耗计算模块，用于计算每个所述数据传输路径完成数据传输所需要的能量消耗；

最低能耗筛选模块，用于筛选出能量消耗最低的数据传输路径，标记为最低能耗路径；

第一判断模块，用于判断最低能耗路径的能量消耗是否满足第一阈值，得到第一判断结果；

第一执行模块，用于若所述第一判断结果表示满足，则控制所述数据沿所述最低能耗路径传输；

第二判断模块，用于若所述第一判断结果表示不满足，则对判断所述数据传输路径中是否存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，得到第二判断结果；

第二执行模块，用于若所述第二判断结果表示存在一条误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则控制所述数据沿误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径传输；若所述第二判断结果表示存在两条或两条以上误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输；若所述第二判断结果表示不存在误包率和时间延迟均满足预设阈值的数据传输路径，则在所有所述数据传输路径中根据权重分配算法选择能量消耗、误包率和时间延迟综合结果最小的数据传输路径作为最优传输路径，控制所述数据沿所述最优传输路径传输。

7.根据权利要求6所述的一种物联网区域覆盖控制系统，其特征在于，还包括节点集群确定模块，用于确定所述节点集群；所述节点集群确定模块具体包括：

节点获取子模块，用于获取物联网覆盖范围和所述覆盖范围内的物联网节点信息；

三角划分子模块，用于利用三角剖分算法将所述物联网覆盖范围进行区域划分，得到多个三角子区域；

集群确定子模块，用于在每个所述三角子区域内，利用扫频的方式将属于同一频段的物联网节点确定为一个节点集群；

功率控制子模块，用于利用元胞遗传算法对每个所述节点集群进行覆盖功率控制。

8.根据权利要求7所述的一种物联网区域覆盖控制系统，其特征在于，所述三角划分子模块，具体包括：

边缘连接单元，用于将所述物联网覆盖范围连接成多边形；

单调划分单元，用于对所述多边形进行单调划分，使所述多边形划分成多个单调多边形；所述单调多边形为每个内角均小于180度的多边形；

三角剖分单元，用于利用三角剖分算法对每个所述单调多边形进行三角剖分，得到多个三角子区域。

9.根据权利要求7所述的一种物联网区域覆盖控制系统，其特征在于，所述集群确定子模块，具体包括：

频段标记单元，用于逐个对各个三角子区域顶点进行频段标记，使同属于一条边的两个顶点所对应的频段为不同的频段；

扫频节点确定单元，用于将频段与所述三角子区域所对应的频段相同的物联网节点中与所述三角子区域顶点距离最近的物联网节点标记为扫频节点；所述扫频节点用于向周围发送扫频信号；

集群划分单元，用于控制每个所述扫频节点向周围发送扫频信号，从而确定信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点，得到节点集群；所述节点集群包括所述扫频节点和信号频率在所述扫频节点的频段范围内的物联网节点。

10.根据权利要求9所述的一种物联网区域覆盖控制系统，其特征在于，所述集群划分单元，具体包括：

反馈获取子单元，用于获取所述扫频节点接收到的反馈信号；

集群标记子单元，用于将所述扫频节点与发送所述反馈信号的物联网节点标记为同一个节点集群；

独立节点筛选子单元，用于筛选出所述三角子区域内的独立物联网节点；所述独立物联网节点为所述三角子区域内除所述节点集群内的物联网节点以外的物联网节点；

独立节点标记子单元，用于控制所述独立物联网节点向周围发送广播信号，当所述广播信号被节点集中的任意一个物联网节点接收时，将所述独立物联网节点划分到所述节点集群；当所述广播信号无法被节点集群中的物联网节点接收时，将所述独立物联网节点标记为扫频节点。

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