专利名称：基于无线传感器网络的三维测试空间阵节点动态部署方法
技术领域：
本发明涉及一种三维测试空间阵节点动态部署方法，属于人工智能技术领 域中的集群式节点阵形控制技术。
背景技术：
无线传感器网络是一类信息采集节点数量众多，适合于场信号多点信息采 集的应用。如何有效组织数量众多的节点协同工作是无线传感器网络一个重要 的课题，无线传感器网络节点如何展开工作是每个传感器网络都要面临的基本 问题，因而节点的部署问题是无线传感器网络的应用基础问题之一。目前，基 于无线传感器网络的阵形部署问题均是针对二维面或准二维面情形进行的，而 针对三维空间阵形的部署理论及算法还相当不完善。现有的基于无线传感器网 络的阵形部署方法基本上都是采用人工部署或随机自动抛撒部署(如炮射、空 投抛撒等)，这些方法存在的问题是效率低，节点密度不可控，不具备节点位 置动态调整的能力，不具备三维空间内部署的能力，自动化程度有限，阵形不 易控制等。
为实现对移动的测试对象进行跟踪测试和对三维空间内的空间场信息测 试，必须有一种不同于传统无线传感器网络的部署方法才能解决移动式三维空 间无线观lj试网络的节点部署问题。

发明内容
本发明的目的是为克服己有方法的缺陷，为解决三维空间内测试节点的阵 形部署问题，提出一种基于无线传感器网络的三维测试空间阵节点动态部署方 法。
为了实现移动式无线三维测试网络的节点自动动态部署，本发明主要针对 三维空间内具有移动性的测试对象进行跟踪测试，以获得网络高效率、节点密 度均匀、通讯可靠的测试区域覆盖率，解决三维空间无线测试系统的节点阵形 部署难题。网络的三维测试空间阵节点动态部署方法，其硬件平台是基于无线传感器测试网络的系统。该平台包括有空中飞行数据采集节点、地面数据采集节点、移动数据处理网关和人机交互控制台。其中，空中飞行数据采集节点具备空中移动和悬停能力；地面数据采集节点具备移动能力；移动数据处理网关用于指令发送、收集和处理网络数据。
采用本发明方法对上述系统进行节点动态部署，其步骤如下
步骤一、完成系统测试任务分配。
首先，由人机交互控制台制定测试任务的大小、类型及测试地点，并将制定好的测试任务发送给移动数据处理网关。之后，移动数据处理网关接收测试任务后，将任务分解并分配给各参与节点。最后，移动数据处理网关以无线通信的方式向各参与节点发布测试任务指令。
歩骤二、规划出各节点的部署最优路径
各节点接收到测试任务后，先获取自身本地GPS信息(节点当前所处位置)，再根据目的地GPS信息(任务中要求到达的位置)进行路径规划。当节点行进过程中，遇到障碍物或其它节点时，节点进行避障处理。
步骤二、部署网络测试空间三维阵形
经步骤二之后，各节点均运动到测试地点。此时，各节点根据计算结果进行阵形部署，形成一个三维空间测试阵。所有节点经组合成单元基阵后再拼组为完整阵形。若任务发生变化或测试对象改变了地点，要求节点阵形作出调整时，则各节点将重新进行三维空间阵形部署，从而实现动态部署或跟踪测试。
有益效果
本发明方法解决了移动式无线三维测试网络的节点空间阵形动态部署问题，改善了无线传感器网络采用人工部署效率低下和自动化程度不高的状况，避免了使用传统方法如采用炮射或空投抛撒等随机部署方法导致存在节点密度不可控，测试范围和测试空间不可调整等局面。本发明对推动无线传感器网络走向实用化起着重要的支撑作用。采用本发明的三维空间动态部署方法，效率高、能耗低，自动化程度高，且节点密度可控，形成了具有移动特性的三维测试空间阵形，完全能够满足针对固定或移动式目标的测试需求。


图1为本发明方法的流程图2为基于立体单元基阵的三维空间阵形的形成示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作 进一步的详细描述。
图1为三维测试空间阵节点动态部署的示意图。图中，节点是构成立体单 元基阵的基本元素；立体单元基阵则是构成完整二维测试空间的元素。
本发明涉及的方法主要由系统测试任务分配、节点的部署最优路径规划和 网络测试空间三维阵形部署三个步骤组成。
其中，系统测试任务分配和节点的部署最优路径规划均是为网络测试空间 三维阵形部署做准备工作。系统测试任务分配是在节点的部署最优路径规划执 行之前完成；网络测试空间三维阵形部署是在节点的部署最优路径规划之后执 行，是三维空间阵形的核心内容和最终节点部署效果的体现。
图2为移动式三维空间无线测试网络空间阵部署的流程图，具体描述如下
步骤一系统测试任务分配
首先，由人机交互控制台制定测试任务的大小、类型及任务的目的地，并 将制定好的测试任务发送给移动数据处理网关。
之后，移动数据处理网关按任务的大小及节点的数量进行任务分配，决定 参与任务的节点。具体方式是采用合同法，移动数据处理网关根据各节点完 成任务的能力发起任务竞标，由此确定参与完成任务的节点。
最后，移动数据处理网关以无线通信的方式向各参与节点发布测试任务指 令，通知各中标节点参与三维空间阵测试任务。
步骤二、规划节点的部署最优路径
各节点接收到测试任务后，先获取自身本地GPS信息(节点当前所处位置)， 再根据目的地GPS信息(任务中要求到达的位置)进行路径规划。当节点行进
过程中，遇到障碍物或其它节点时，节点进行避障处理。
各节点接收到测试任务后，先获取自身本地GPS信息，再根据完成任务所 需的目的地GPS信息进行路径规划。具体方式是各节点采用优化蚁群算法，找到完成任务所需代价最小的路径作为其移动路径，由此降低各节点能量的消耗。各节点间通过黑板机制进行环境信息的共享，实现导航。
当节点行进过程中遇到障碍物或其它节点时，节点通过采用绕墙策略，由此进行规避以防止陷入陷阱。
步骤三、部署网络测试空间三维阵形
经步骤二之后，各节点均运动到测试地点。各节点以一定立体几何形状组合成立体单元基阵，然后，各立体单元基阵再构成一个完整的三维空间测试阵。
若任务发生变化或测试对象改变了地点，要求节点阵形作出调整时，则各节点将重新进行三维空间阵形部署，从而实现动态部署或跟踪测试。步骤三的具体实现过程
首先，进行立体单元基阵计算。根据节点部署密度的需求及通讯质量状况，确定立体单元基阵的类型、大小。然后，采用"吸弓l-排斥"原子模型，节点进行自由组合并得到立体单元基阵。
采用"吸引-排斥"原子模型，其原理如下调整节点l和节点2之间的距离/。调整/时，以通讯丢包率和传感器测试范围为准绳。当通讯丢包率小于2%时，则认为此时两个节点之间的通讯质量很可靠，节点间应当相互"排斥"，以加大通讯距离；当通讯丢包率大于5%时，认为此时两个节点之间的通讯质量接近最差极限，节点间应当相互"吸引"，以縮小通讯距离；当通讯丢包率处于2%~5%之间时，认为是可靠通讯范围，此时，再以传感器探测范围为第二标准进行位置调整。假定传感器最大探测距离为s米，则将节点间的距离调整为s米，这样可使两个节点间的通讯质量得到保证，同时，探测范围也到达最大。按此标准进行其它节点部署，可以得到通讯质量可靠，测试空间最大的无线测试系统。
正多边形立体的部署算法过程如下1)锚节点及基准直线的选择。
任选择节点群中的一个节点作为锚节点b。，再选择一个距离锚节点最近的节点作为节点bp 二者之间确定一条基准直线/7，其余节点以锚节点和基准直线为部署基准在二维面内进行位置计算。
锚节点b。和节点b,的距离调整采用"吸引-排斥"原子模型方法进行，确定多边形边长//。2) 其余节点的位置计算。
以边长为基准直线，选择距离节点b,最近的节点b2。节点b,和节点b2 的部署目标位置点的连线构成一条直线/2，该直线与基准直线//之间的夹角为正 多边形的内角^方向按逆时针向为正向进行节点部署。节点b,和节点b2之间 的距离调整按"吸引-排斥"原子模型方法进行，得到正多边形第二边/2。
再以同样的方法可确定正多边形立体的其余顶点(即节点)、边/。及边长。 其中，
/尸/2=."=/ (1)
3) 确定正多边形立方体的高。
以锚节点b,为起点以2)所述的多边形为底面，按"吸引-排斥"原子模型 方法确定上底面的锚节点t,和下底面锚节点b,之间的距离/2 (即正立方体的高 度)。这里，
/2=/尸/2=...= / (2)
4) 立方体单元基阵的部署。
在3)的基础上，按2)的方法进行上底面内的多边形顶点计算和部署，从 而完成立方体单元基阵的部署。
5) 完整三维空间测试阵的部署。
以4)所得到立方体单元基阵为部署单元，以"吸引-排斥"原子模型方法 进行立方体单元基阵的拼结，最终完成整个三维空间测试阵的部署。
最后，当要进行节点密度的调整或有新节点加入时，空间阵按步骤三的方 法重新进行部署。
以正立方体为例说明计算立体单元基阵的过程
1)选择节点群中的一个节点作为锚节点，再任选一个距离最近的节点作为 第二个节点，二者之间确定一条基准直线，其余节点以锚节点和基准直线为部 署基准在二维面内进行位置计算。
采用"吸引-排斥"原子模型，调整锚节点和第二个节点的距离//。调整// 时，以通讯丢包率和传感器测试范围为准绳。当通讯丢包率小于2%时，认为此 时两个节点之间的通讯质量很可靠，节点间应当相互"排斥"，以加大通讯距离； 当通讯丢包率大于5%时，认为此时两个节点之间的通讯质量接近最差，节点间 应当相互"吸引"，以縮小通讯距离；当通讯丢包率处于2%~5%之间时，认为是可靠通讯范围，此时，再以传感器探测范围为第二标准。例如传感器最大探 测距离为20米，节点间的距离应当调整为20米，这样可使两个节点间的通讯 质量得到保证，同时，探测范围也到达最大。按此标准进行其它节点部署，可 以得到通讯质量可靠，测试空间最大的无线测试系统。
2) 优先选择距离基准直线最近的节点为第三个节点。以基准直线为基线， 第三个节点的部署目标位置点和锚节点确定一条直线。该直线与基准肓线形成 --夹角《=45° ，采用"吸引-排斥"原子模型，调整第三个节点和锚节点之间的 距离6。其中，/ 满足如下关系
/2 =// sin " (1)
此时，还应当保证第三个节点和锚节点之间的通讯丢包率处于2% 5%之间， 如果不满足关系式(1),则调整/;和6到更小位以满足，式。
3) 逆时针向选择距离第三个节点最近的节点为第四个节点。采用"吸引-排斥"原子模型，按l)所述的方法确定第四个节点的位置。
此时，部署完成了如图3中所示的CELL1部署，再以CELL1为基准面和 上述锚节点为基准，以正立方体的边按CELL1的部署方法进行上底面的部署， 最终完成立体单元基阵的计算和部署。
其次，用"吸引-排斥"原子模型，以正立方体单元基阵为部署单元，按立 方体单元基阵的方法进行计算和部署，可完成各立体单元基阵的组合以得到完 整的三维空间阵形，如图1所示。
权利要求
1、一种基于无线传感器网络的三维测试空间阵节点动态部署方法，其特征在于步骤如下步骤一、完成系统测试任务分配首先，由人机交互控制台制定测试任务的大小、类型及测试地点，并将制定好的测试任务发送给移动数据处理网关；之后，移动数据处理网关接收测试任务后，将任务分解并分配给各参与节点；最后，移动数据处理网关以无线通信的方式向各参与节点发布测试任务指令；步骤二、规划出各节点的部署最优路径各节点接收到测试任务后，先获取自身本地GPS信息，再根据目的地GPS信息进行路径规划；当节点行进过程中，遇到障碍物或其它节点时，节点进行避障处理；步骤三、部署网络测试空间三维阵形经步骤二之后，各节点均运动到测试地点；此时，各节点进行阵形部署，形成一个三维空间测试阵；所有节点经组合成单元基阵后再拼组为完整阵形；若任务发生变化或测试对象改变了地点，要求节点阵形作出调整时，则各节点将重新进行三维空间阵形部署。
2、 如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的三维测试空间阵节点动态部署方法，其特征在于部署网络测试空间三维阵形的方法如下首先，进行立体单元基阵计算，根据节点部署密度的需求及通讯质量状况，确定立体单元基阵的类型、大小；然后，采用"吸引-排斥"原子模型，节点进行自由组合并得到立体单元基阵；采用"吸引-排斥"原子模型，其原理如下调整节点1和节点2之间的距离/;调整/时，以通讯丢包率和传感器测试范围为准绳，当通讯丢包率小于2%时，则认为此时两个节点之间的通讯质量很可靠，节点间应当相互"排斥"，以加大通讯距离；当通讯丢包率大于5%时，认为此时两个节点之间的通讯质量接近最差极限，节点间应当相互"吸引"，以縮小通讯距离；当通讯丢包率处于2%~5%之间时，认为是可靠通讯范围；此时，再以传感器探测范围为第二标准进行位置调整，假定传感器的最大探测距离为s米，则将节点间的距离调整为s米，按此标准进行其它节点部署；正多边形立体的部署算法过程如下1) 锚节点及基准直线的选择任选择节点群中的一个节点作为锚节点b。，再选择一个距离锚节点最近的节点作为节点bp 二者之间确定一条基准直线/;，其余节点以锚节点和基准直线为部署基准在二维面内进行位置计算；锚节点b。和节点b,的距离调整采用上述"吸引-排斥"原子模型方法进行，确定多边形边长2) 其余节点的位置计算以边长//为基准直线，选择距离节点b,最近的节点b2，节点b,和节点b2的部署目标位置点的连线构成一条直线/2，该直线与基准直线//之间的夹角为正多边形的内角《，方向按逆时针向为正向进行节点部署；节点b,和节点b2之间的距离调整按"吸引-排斥"原子模型方法进行，得到正多边形第二边/2;再以同样的方法确定正多边形立体的其余顶点、边4及边长，其中/尸6=…=z"3) 确定正多边形立方体的高以锚节点b,为起点，以2)所述的多边形为底面，按"吸引-排斥"原子模型方法确定上底面的锚节点^和下底面锚节点b,之间的距离/2，这里/7=/尸/2=…=44) 立方体单元基阵的部署在3)的基础上，按2)的方法进行上底面内的多边形顶点计算和部署，从而完成立方体单元基阵的部署；5) 完整三维空间测试阵的部署以4)所得到立方体单元基阵为部署单元，以"吸引-排斥"原子模型方法进行立方体单元基阵的拼结，最终完成整个三维空间测试阵的部署；当要进行节点密度的调整或有新节点加入时，空间阵按步骤三的方法重新进行部署。
全文摘要
本发明涉及一种基于无线传感器网络的三维测试空间阵节点动态部署方法，属于集群式节点的阵形控制领域。本方法主要由系统测试任务分配、节点的部署最优路径规划和网络测试空间三维阵形部署三步骤组成，采用基于“吸引-排斥”原子模型进行节点三维空间阵形部署。本发明方法在对三维空间内具有运动特性的测试对象进行跟踪测试时，具有效率高、自动化高度高、节点密度均匀、通讯质量可靠、三维特性、动态可调节点部署等优点。
文档编号G01S13/72GK101458333SQ20081022735
公开日2009年6月17日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者萍 宋, 李科杰, 漆光平 申请人:北京理工大学