本發(fā)明屬于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，確切來說是涉及一種利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對有毒氣體的監(jiān)測方法，通過監(jiān)控處于無規(guī)則動態(tài)變化中的氣體邊界來實(shí)現(xiàn)對整個氣體目標(biāo)的監(jiān)測。

技術(shù)背景

近年來，隨著傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks,wsns)在工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對連續(xù)目標(biāo)的監(jiān)測是當(dāng)中最常見的應(yīng)用領(lǐng)域之一。連續(xù)目標(biāo)通常分布在較廣的區(qū)域，其形狀會發(fā)生動態(tài)的無規(guī)則變化，例如，可能會擴(kuò)散或收縮，體積增大或減小，如有毒氣體、海面漂浮油體等。不同于質(zhì)點(diǎn)狀的單體目標(biāo)所具有的固定大小，規(guī)模較小的特點(diǎn)，對于連續(xù)目標(biāo)的監(jiān)測相比于單體目標(biāo)而言較為復(fù)雜，它涉及到不同節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，由此會產(chǎn)生大規(guī)模的網(wǎng)內(nèi)通信，從而給能量有限的傳感器節(jié)點(diǎn)帶來極大的負(fù)擔(dān)。因此，如何利用能量等資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對連續(xù)目標(biāo)的高效監(jiān)測是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。

當(dāng)前階段基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有毒氣體監(jiān)測方法中普遍存在的共同挑戰(zhàn)是：

(1)、大多數(shù)監(jiān)測方法為了識別氣體邊界，需利用大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行龐大的信息交互，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗過大；

(2)、為了將采集的氣體信息及時上傳，同時能耗更少，一般來說，均是通過選取部分代表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、存儲及上傳的方式，而每次代表節(jié)點(diǎn)的選舉過程也是能量消耗過快的元兇之一；

(3)、對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)未作出合理化設(shè)置，可能導(dǎo)致監(jiān)測過程局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)密度較低，從而導(dǎo)致該區(qū)域監(jiān)測精度較低，或者該部分區(qū)域監(jiān)測密度較高，從局部篩選節(jié)點(diǎn)過程，信息交互量較大，局部能耗很高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決當(dāng)前存在于有毒氣體監(jiān)測方案中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗過大與監(jiān)測的精度較低兩點(diǎn)問題，提出了一種通過構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)以提高精度，利用均勻網(wǎng)格匯聚監(jiān)測信息以降低開銷的有毒氣體監(jiān)測方法，該方法既能保證監(jiān)測的高精確性，同時也能優(yōu)化監(jiān)測過程的能量開銷。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種從構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)角度考慮的有毒氣體監(jiān)測方案，該方案包括四個階段：

(1)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段：從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量開支的角度對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)定了sleep/awake調(diào)度策略；

(2)、有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段：首先，利用感知信息更新確定出邊界未感知節(jié)點(diǎn)，然后，選擇出距離對應(yīng)邊界感知節(jié)點(diǎn)距離較近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)；

(3)、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段：該階段在考慮氣體邊界圖形失真與非失真情形下在不同邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn)；

(4)、數(shù)據(jù)上傳階段：利用均勻網(wǎng)格思想，網(wǎng)格選取相應(yīng)頭節(jié)點(diǎn)，匯聚網(wǎng)格內(nèi)所有虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息，并利用不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)上傳信息。

為了實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測，常規(guī)的方法是利用客觀存在的實(shí)際節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)信息去描述氣體的邊界信息，而本發(fā)明創(chuàng)新性的從構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)的角度出發(fā)，考慮利用實(shí)際存在的邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的信息提取，從而構(gòu)建出距離目標(biāo)邊界更近的虛擬節(jié)點(diǎn)，以該類虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置信息表示的氣體邊界具有更高的精確度。

同時，本發(fā)明首次從構(gòu)建均勻網(wǎng)格的角度，對采集的目標(biāo)邊界信息進(jìn)行匯聚、存儲與上傳，僅僅通過選取的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，以此來減少遠(yuǎn)距離通信的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，最終降低了監(jiān)測開銷。

節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段的具體步驟為：

2a.初始時刻節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)，感知監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域是否存在目標(biāo)出現(xiàn)，以及可能出現(xiàn)的對應(yīng)區(qū)域。同時，任意節(jié)點(diǎn)u與其所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)nu之間互相發(fā)送探測數(shù)據(jù)包，提前建立好鄰居信息表；

2b.在步驟2a的基礎(chǔ)之上，節(jié)點(diǎn)周期性的于偵聽與睡眠狀態(tài)間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)時，若能夠感知到目標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會立即轉(zhuǎn)變?yōu)閍wake狀態(tài)；反之，若節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)卻無法感知到目標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)會立即進(jìn)入sleep狀態(tài)，從而進(jìn)入下一周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)備階段；

2c.當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)能感知到目標(biāo)，則處于活動狀態(tài)，立即與其周圍所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，告知一跳鄰居其自身能感知目標(biāo)，同時依據(jù)當(dāng)前周期內(nèi)建立的鄰居信息表，喚醒部分未感知到目標(biāo)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法感知到目標(biāo)并且節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中不存在感知節(jié)點(diǎn)時，節(jié)點(diǎn)才會重新進(jìn)入sleep狀態(tài)。

上述節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度具有以下特征：

特征1.節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)均設(shè)置為偵聽，該方式的好處在于能夠于初始階段對全網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)出現(xiàn)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，同時該模式下，節(jié)點(diǎn)無需與周圍鄰居通信，較為節(jié)能；

特征2.一旦某一節(jié)點(diǎn)被目標(biāo)覆蓋，則該節(jié)點(diǎn)會立即通知其下一跳中未被目標(biāo)覆蓋的鄰居節(jié)點(diǎn)，提前喚醒該鄰居節(jié)點(diǎn)，以此來提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，相應(yīng)的也能降低監(jiān)測時延；

特征3.當(dāng)目標(biāo)離開某一節(jié)點(diǎn)，或者某一節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測到目標(biāo)，但該節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)中不存在未被感知的節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)均被設(shè)置為睡眠狀態(tài)，以此來最大化的節(jié)省監(jiān)測能耗。

節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置完畢后，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)。隨著氣體的出現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)也將隨之發(fā)生變化，此處首先介紹如何實(shí)現(xiàn)動態(tài)氣體目標(biāo)的邊界識別，有毒氣體的邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段具體步驟為：

3a.首先確定出所有的候選邊界節(jié)點(diǎn)，候選邊界節(jié)點(diǎn)的選擇分為感知階段與更新階段，其中感知階段表示感知?dú)怏w是否出現(xiàn)及可能出現(xiàn)的狀態(tài)，更新階段即節(jié)點(diǎn)鄰居信息表更新，根據(jù)感知與更新信息過程篩選出的候選邊界節(jié)點(diǎn)，將為邊界節(jié)點(diǎn)的正確選擇提供依據(jù)；

其中，節(jié)點(diǎn)鄰居信息表更新即節(jié)點(diǎn)提前建立好自身的鄰居信息表，表中記錄有節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，信息內(nèi)容主要是節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)的id以及節(jié)點(diǎn)的地理位置，該信息表會依據(jù)監(jiān)測周期進(jìn)行更新；

3b.在步驟3a的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的確定，首先，邊界感知節(jié)點(diǎn)依據(jù)其自身的地理位置坐標(biāo)及鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)信息，對不同id號的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歐式距離的遍歷排序計(jì)算。假設(shè)一邊界感知節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)為(xu,yu)，其對應(yīng)的鄰居cbn集合中一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為vi(xi,yi)，則節(jié)點(diǎn)u、v間對應(yīng)的歐式距離為：u所對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)vu為滿足以下節(jié)點(diǎn)集合中歐式距離等式方程所確定的節(jié)點(diǎn)，具體節(jié)點(diǎn)集合方程為

上述有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段的特征為：

特征1.利用節(jié)點(diǎn)存有的一跳鄰居信息列表中的信息提前確定出候選邊界節(jié)點(diǎn)；

特征2.該鄰居信息列表會進(jìn)行周期性更新，以確保消息的準(zhǔn)確性以及實(shí)時性；

特征3.本發(fā)明在候選邊界節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的精選，精選的方式是利用某一邊界感知節(jié)點(diǎn)所有對應(yīng)的邊界未感知節(jié)點(diǎn)，對邊界未感知節(jié)點(diǎn)到該邊界感知節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行遍歷，選擇出距離最近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為該邊界感知節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)；

特征4.對氣體邊界附近的節(jié)點(diǎn)做了更近一步的細(xì)分，主要劃分為了邊界感知節(jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn)；

特征5.一旦某一區(qū)域的邊界感知節(jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn)確定后，本發(fā)明僅利用該類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以節(jié)省能耗，同時，僅通過邊界未感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的篩選。

邊界節(jié)點(diǎn)確定完畢后，將進(jìn)行虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建，虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程有兩種情形：

情形1.不考慮邊界失真時，僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn)，以提高監(jiān)測的精確度。假設(shè)節(jié)點(diǎn)a的地理位置坐標(biāo)為(xa,ya)，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)為(xi,yi)，則對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為同理，在不考慮邊界形狀失真時，對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為：

情形2.考慮目標(biāo)邊界形狀失真：考慮邊界失真時，不僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn)，同時為了解決網(wǎng)絡(luò)中局部區(qū)域密度較低可能導(dǎo)致目標(biāo)局部圖形失真性較大，從而在兩鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn)之間又構(gòu)建了虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn)，然后在虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建出虛擬邊界節(jié)點(diǎn)。

若實(shí)際節(jié)點(diǎn)a(xa,ya)、c(xc,yc),則進(jìn)一步引入的虛擬感知節(jié)點(diǎn)p坐標(biāo)為：若i(xi,yi),j(xj,yj)，則p→i新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為則p→j新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為

其中，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)u1與u2為一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，真實(shí)目標(biāo)邊界線位于節(jié)點(diǎn)u1、u2之間，假設(shè)兩節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地理位置坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2)，兩節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的連線與真實(shí)連續(xù)目標(biāo)邊界線的交點(diǎn)坐標(biāo)為(xτ,yτ)。

若分別以兩節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)得到的誤差歐式距離分別為與則各自監(jiān)測的平均誤差分別為與由于兩節(jié)點(diǎn)u1與u2等概率被選為邊界節(jié)點(diǎn)，則在僅存在兩種事件的條件下有ρ1＝ρ2＝0.5，因此，結(jié)合節(jié)點(diǎn)各自的監(jiān)測誤差，依據(jù)等概率思想得到的平均誤差距離而此時通過構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為其距離真實(shí)邊界線交點(diǎn)(xτ,yτ)的歐式距離

容易得出ξd_vr≤γd_error,當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)u1與u2靠近為同一地理坐標(biāo)位置這一極限情況存在時等號方可成立，因此，當(dāng)取邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)邊界非感知節(jié)點(diǎn)間的虛擬節(jié)點(diǎn)位置時，可以達(dá)到更好的監(jiān)測精度。

虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程有以下特征：

特征1.虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程，僅僅需要邊界感知節(jié)點(diǎn)利用其保存有的所有一跳鄰居邊界未感知節(jié)點(diǎn)信息即可，無需再進(jìn)行通信，從而能夠進(jìn)一步節(jié)省監(jiān)測開銷；

特征2.虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的地理位置等信息，直接保存于用于計(jì)算的邊界感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，無需再進(jìn)行信息的匯聚。

虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息確定完畢后，將對所有監(jiān)測信息進(jìn)行聚合并上傳，數(shù)據(jù)上傳階段的具體步驟為：

5a.網(wǎng)格劃分：

首先，于監(jiān)測區(qū)域中選取一參考地理位置坐標(biāo)(x0,y0)，將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干小型、虛擬且均勻的正方形網(wǎng)格，任一網(wǎng)格單元的邊長尺寸大小為α，每個網(wǎng)格單元擁有自身的網(wǎng)格坐標(biāo)cgrid，每個節(jié)點(diǎn)依據(jù)自身地理位置坐標(biāo)(x,y)，可由式得出其所在網(wǎng)格的坐標(biāo)cgrid(a,b)；

其次，每個網(wǎng)格單元均擁有自身的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)的選取依據(jù)如下機(jī)制：給網(wǎng)格單元cgrid(a,b)中坐標(biāo)為(x,y)的節(jié)點(diǎn)都分配一個倒計(jì)時器，倒計(jì)時時間設(shè)置為

其中r_center代表節(jié)點(diǎn)i距離網(wǎng)格單元中心位置的距離，eresidual_i代表節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。此處主要考慮的選取因素是：①盡可能選取最靠近網(wǎng)格中心位置的節(jié)點(diǎn)；②網(wǎng)格cgrid(a,b)中的頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能擁有最大的剩余能量，網(wǎng)格cgrid(a,b)中心點(diǎn)坐標(biāo)

則節(jié)點(diǎn)(x,y)距離所在網(wǎng)格cgrid(a,b)中心的距離：

在對應(yīng)cgrid(a,b)中，節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時時間結(jié)束的順序會在對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)洪泛，發(fā)送頭消息通知報(bào)告包，如果節(jié)點(diǎn)u于倒計(jì)時結(jié)束前已接收到來自其它節(jié)點(diǎn)傳來的此類通知包，則節(jié)點(diǎn)u會取消自身頭消息的通知洪泛，并且保存所接收的頭節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)；

5b.數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)：在數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)階段，首先，邊界感知節(jié)點(diǎn)確定了自身所在的單元格信息；然后，將邊界感知節(jié)點(diǎn)儲存的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)位置信息匯聚給各自所在的單元格頭節(jié)點(diǎn)，頭節(jié)點(diǎn)對相關(guān)信息進(jìn)行整合，并發(fā)送一個反饋信息包給對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的邊界感知節(jié)點(diǎn)，代表其已接收到消息包并確認(rèn)信息未丟失；最后，對收集的數(shù)據(jù)包進(jìn)行上傳，上傳路由的原則是：只在不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，無其余類型的節(jié)點(diǎn)參與，網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)u_ghd選擇下一跳當(dāng)中距離sink節(jié)點(diǎn)所在單元格位置最近的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)v_ghd進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，此處v_ghd可理解為wsns中的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

與現(xiàn)有連續(xù)目標(biāo)監(jiān)測方法相比，本發(fā)明所具有的積極效果是：

(1)以虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置信息為核心思想：虛擬節(jié)點(diǎn)在vnoe中的特點(diǎn)為：①無需參與通信，能量開銷為0；②雖然非實(shí)際存在，但仍然具有實(shí)際的地理位置坐標(biāo)(距目標(biāo)邊界更近)、節(jié)點(diǎn)id號等信息，信息保存于用于構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)的鄰居感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，以此來節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期；

(2)監(jiān)測區(qū)域局部密度較低時，目標(biāo)邊界的準(zhǔn)確還原策略：vnoe算法構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)，除了節(jié)省能耗與提高監(jiān)測精度外，還有一個目的是防止用于監(jiān)測目標(biāo)的wsns中存在局部稀疏的情況下，此部分區(qū)域目標(biāo)邊界圖形形狀無法被準(zhǔn)確還原。根據(jù)實(shí)際的邊界感知節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，適當(dāng)增大其感知半徑，尋找周邊鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn)，當(dāng)超過vnoe設(shè)定的閾值，則在兩個相鄰的、實(shí)際存在的邊界感知節(jié)點(diǎn)之間引入虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn)，這樣設(shè)計(jì)的目的是有效還原出連續(xù)目標(biāo)的邊界線形狀(無規(guī)則多邊形特性)；

(3)從信息匯聚、傳遞的角度設(shè)計(jì)路由策略：采用構(gòu)建網(wǎng)格思想，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量高和距網(wǎng)格中心的距離近兩點(diǎn)原則，于每個均勻網(wǎng)格中選出一個頭節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)格中所有虛擬節(jié)點(diǎn)的信息直接匯總到對應(yīng)的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)，然后利用貪婪算法，僅需網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間相互通信，最終將聚合消息包發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)，大大降低了通信開銷。

附圖說明

如圖1為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度示意圖；

如圖2為候選邊界節(jié)點(diǎn)選擇示意圖；

如圖3為邊界節(jié)點(diǎn)選擇示意圖；

如圖4為考慮邊界失真分析示意圖；

如圖5為基于網(wǎng)格劃分的數(shù)據(jù)匯聚與上傳示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于虛擬節(jié)點(diǎn)的有毒氣體監(jiān)測方法，包括以下四個階段：

(1)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段：從節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量開支的角度對節(jié)點(diǎn)設(shè)定了sleep/awake調(diào)度策略；

(2)、有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段：首先，利用感知信息更新確定出邊界未感知節(jié)點(diǎn)，然后，選擇出距離對應(yīng)邊界感知節(jié)點(diǎn)距離較近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)；

(3)、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段：該階段在考慮氣體邊界圖形失真與非失真情形下在不同邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn)；

(4)、數(shù)據(jù)上傳階段：利用均勻網(wǎng)格思想，網(wǎng)格選取相應(yīng)頭節(jié)點(diǎn)，匯聚網(wǎng)格內(nèi)所有虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息，并利用不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)上傳信息。

上述步驟(1)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段的具體步驟為：

(2a)、初始時刻節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)，感知監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域是否存在目標(biāo)出現(xiàn)，以及可能出現(xiàn)的對應(yīng)區(qū)域。同時，任意節(jié)點(diǎn)u與其所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)nu之間互相發(fā)送探測數(shù)據(jù)包，提前建立好鄰居信息表；

(2b)、在步驟(2a)的基礎(chǔ)之上，節(jié)點(diǎn)周期性的于偵聽與睡眠狀態(tài)間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)時，若能夠感知到目標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會立即轉(zhuǎn)變?yōu)閍wake狀態(tài)；反之，若節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)卻無法感知到目標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)會立即進(jìn)入sleep狀態(tài)，從而進(jìn)入下一周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)備階段；

(2c)、當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)能感知到目標(biāo)，則處于活動狀態(tài)，立即與其周圍所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，告知一跳鄰居其自身能感知目標(biāo)，同時依據(jù)當(dāng)前周期內(nèi)建立的鄰居信息表，喚醒部分未感知到目標(biāo)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法感知到目標(biāo)并且節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中不存在感知節(jié)點(diǎn)時，節(jié)點(diǎn)才會重新進(jìn)入sleep狀態(tài)。

上述步驟(1)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)調(diào)度設(shè)置階段具有以下特征：

特征1、節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)均設(shè)置為偵聽，該方式的好處在于能夠于初始階段對全網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)出現(xiàn)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，同時該模式下，節(jié)點(diǎn)無需與周圍鄰居通信，較為節(jié)能；

特征2、一旦某一節(jié)點(diǎn)被目標(biāo)覆蓋，則該節(jié)點(diǎn)會立即通知其下一跳中未被目標(biāo)覆蓋的鄰居節(jié)點(diǎn)，提前喚醒該鄰居節(jié)點(diǎn)，以此來提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，相應(yīng)的也能降低監(jiān)測時延；

特征3、當(dāng)目標(biāo)離開某一節(jié)點(diǎn)，或者某一節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測到目標(biāo)，但該節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)中不存在未被感知的節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)均被設(shè)置為睡眠狀態(tài)，以此來最大化的節(jié)省監(jiān)測能耗。

上述步驟(2)中有毒氣體的邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段具體步驟為：

(3a)、首先確定出所有的候選邊界節(jié)點(diǎn)，候選邊界節(jié)點(diǎn)的選擇分為感知階段與更新階段，其中感知階段表示感知?dú)怏w是否出現(xiàn)及可能出現(xiàn)的狀態(tài)，更新階段即節(jié)點(diǎn)鄰居信息表更新，根據(jù)感知與更新信息過程篩選出的候選邊界節(jié)點(diǎn)，將為邊界節(jié)點(diǎn)的正確選擇提供依據(jù)；

(3b)、在步驟(3a)的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的確定，首先，邊界感知節(jié)點(diǎn)依據(jù)其自身的地理位置坐標(biāo)及鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)信息，對不同id號的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歐式距離的遍歷排序計(jì)算。假設(shè)一邊界感知節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)為(xu,yu)，其對應(yīng)的鄰居cbn集合中一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為vi(xi,yi)，則節(jié)點(diǎn)u、v間對應(yīng)的歐式距離為：u所對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)vu為滿足以下節(jié)點(diǎn)集合中歐式距離等式方程所確定的節(jié)點(diǎn)，具體節(jié)點(diǎn)集合方程為

上述的有毒氣體邊界處節(jié)點(diǎn)選擇階段的特征為：

特征1、利用節(jié)點(diǎn)存有的一跳鄰居信息列表中的信息提前確定出候選邊界節(jié)點(diǎn)；

特征2、該鄰居信息列表會進(jìn)行周期性更新，以確保消息的準(zhǔn)確性以及實(shí)時性；

特征3、本發(fā)明在候選邊界節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的精選，精選的方式是利用某一邊界感知節(jié)點(diǎn)所有對應(yīng)的邊界未感知節(jié)點(diǎn)，對邊界未感知節(jié)點(diǎn)到該邊界感知節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行遍歷，選擇出距離最近的邊界未感知節(jié)點(diǎn)作為該邊界感知節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)；

特征4、對氣體邊界附近的節(jié)點(diǎn)做了更近一步的細(xì)分，主要劃分為了邊界感知節(jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn)；

特征5、一旦某一區(qū)域的邊界感知節(jié)點(diǎn)與邊界未感知節(jié)點(diǎn)確定后，本發(fā)明僅利用該類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以節(jié)省能耗，同時，僅通過邊界未感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邊界節(jié)點(diǎn)的篩選。

上述步驟(3)中虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段的特征為：

特征1、不考慮邊界失真時，僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn)，以提高監(jiān)測的精確度；

特征2、考慮邊界失真時，不僅利用邊界感知節(jié)點(diǎn)與其對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建虛擬邊界節(jié)點(diǎn)，同時為了解決網(wǎng)絡(luò)中局部區(qū)域密度較低可能導(dǎo)致目標(biāo)局部圖形失真性較大，從而在兩鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn)之間又構(gòu)建了虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn)，然后在虛擬邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建出虛擬邊界節(jié)點(diǎn)；

特征3、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建過程，僅僅需要邊界感知節(jié)點(diǎn)利用其保存有的所有一跳鄰居邊界未感知節(jié)點(diǎn)信息即可，無需再進(jìn)行通信，從而能夠進(jìn)一步節(jié)省監(jiān)測開銷；

特征4、虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的地理位置等信息，直接保存于用于計(jì)算的邊界感知節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，無需再進(jìn)行信息的匯聚。

上述步驟(3)中虛擬邊界節(jié)點(diǎn)構(gòu)建階段分為兩種情形：

情形1.不考慮目標(biāo)邊界形狀失真：假設(shè)節(jié)點(diǎn)a的地理位置坐標(biāo)為(xa,ya)，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)為(xi,yi)，則對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為同理，在不考慮邊界形狀失真時，對應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)地理位置的坐標(biāo)為：

情形2.考慮目標(biāo)邊界形狀失真：若實(shí)際節(jié)點(diǎn)a(xa,ya)、c(xc,yc),則進(jìn)一步引入的虛擬感知節(jié)點(diǎn)p坐標(biāo)為：若i(xi,yi),j(xj,yj)，則p→i新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為則p→j新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為

其中，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)u1與u2為一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，真實(shí)目標(biāo)邊界線位于節(jié)點(diǎn)u1、u2之間，假設(shè)兩節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地理位置坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2)，兩節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的連線與真實(shí)連續(xù)目標(biāo)邊界線的交點(diǎn)坐標(biāo)為(xτ,yτ)。

若分別以兩節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)得到的誤差歐式距離分別為與則各自監(jiān)測的平均誤差分別為與由于兩節(jié)點(diǎn)u1與u2等概率被選為邊界節(jié)點(diǎn)，則在僅存在兩種事件的條件下有ρ1＝ρ2＝0.5，因此，結(jié)合節(jié)點(diǎn)各自的監(jiān)測誤差，依據(jù)等概率思想得到的平均誤差距離而此時通過構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為其距離真實(shí)邊界線交點(diǎn)(xτ,yτ)的歐式距離

容易得出ξd_vr≤γd_error,當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)u1與u2靠近為同一地理坐標(biāo)位置這一極限情況存在時等號方可成立，因此，當(dāng)取邊界感知節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)邊界非感知節(jié)點(diǎn)間的虛擬節(jié)點(diǎn)位置時，可以達(dá)到更好的監(jiān)測精度。

上述步驟(4)中數(shù)據(jù)上傳階段的具體步驟為：

(5a)、網(wǎng)格劃分：首先，于監(jiān)測區(qū)域中選取一參考地理位置坐標(biāo)(x0,y0)，將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干小型、虛擬且均勻的正方形網(wǎng)格，任一網(wǎng)格單元的邊長尺寸大小為α，每個網(wǎng)格單元擁有自身的網(wǎng)格坐標(biāo)cgrid，每個節(jié)點(diǎn)依據(jù)自身地理位置坐標(biāo)(x,y)，可由式得出其所在網(wǎng)格的坐標(biāo)cgrid(a,b)；

其次，每個網(wǎng)格單元均擁有自身的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)的選取依據(jù)如下機(jī)制：給網(wǎng)格單元cgrid(a,b)中坐標(biāo)為(x,y)的節(jié)點(diǎn)都分配一個倒計(jì)時器，倒計(jì)時時間設(shè)置為

其中r_center代表節(jié)點(diǎn)i距離網(wǎng)格單元中心位置的距離，eresidual_i代表節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。此處主要考慮的選取因素是：①盡可能選取最靠近網(wǎng)格中心位置的節(jié)點(diǎn)；②網(wǎng)格cgrid(a,b)中的頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能擁有最大的剩余能量，網(wǎng)格cgrid(a,b)中心點(diǎn)坐標(biāo)

則節(jié)點(diǎn)(x,y)距離所在網(wǎng)格cgrid(a,b)中心的距離：

在對應(yīng)cgrid(a,b)中，節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時時間結(jié)束的順序會在對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)洪泛，發(fā)送頭消息通知報(bào)告包，如果節(jié)點(diǎn)u于倒計(jì)時結(jié)束前已接收到來自其它節(jié)點(diǎn)傳來的此類通知包，則節(jié)點(diǎn)u會取消自身頭消息的通知洪泛，并且保存所接收的頭節(jié)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)。

(5b)、數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)：在數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)階段，首先，邊界感知節(jié)點(diǎn)確定了自身所在的單元格信息；然后，將邊界感知節(jié)點(diǎn)儲存的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)位置信息匯聚給各自所在的單元格頭節(jié)點(diǎn)，頭節(jié)點(diǎn)對相關(guān)信息進(jìn)行整合，并發(fā)送一個反饋信息包給對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的邊界感知節(jié)點(diǎn)，代表其已接收到消息包并確認(rèn)信息未丟失；最后，對收集的數(shù)據(jù)包進(jìn)行上傳，上傳路由的原則是：只在不同網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，無其余類型的節(jié)點(diǎn)參與，網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)u_ghd選擇下一跳當(dāng)中距離sink節(jié)點(diǎn)所在單元格位置最近的網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)v_ghd進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，此處v_ghd可理解為wsns中的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

如圖1所示，初始時刻節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)，感知監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域是否存在目標(biāo)出現(xiàn)，以及可能出現(xiàn)的對應(yīng)區(qū)域。節(jié)點(diǎn)周期性的于偵聽與睡眠狀態(tài)間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)時，若能夠感知到目標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會立即轉(zhuǎn)變?yōu)閍wake狀態(tài)；反之，若節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽狀態(tài)卻無法感知到目標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)會立即進(jìn)入sleep狀態(tài)，從而進(jìn)入下一周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)備階段。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)能感知到目標(biāo)，則處于活動狀態(tài)。倘若節(jié)點(diǎn)處于sleep或awake狀態(tài)過程中出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量耗盡及故障等情況，則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入死亡狀態(tài)，無法再進(jìn)行新一輪周期性的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

如圖2所示，假設(shè)目標(biāo)為一單方向擴(kuò)散的連續(xù)目標(biāo)，目標(biāo)局部的單向邊界線(圖中虛線)由t0時刻擴(kuò)散至t1時刻的過程中，節(jié)點(diǎn)m發(fā)送evt-msg(id,s)消息包給節(jié)點(diǎn)e，節(jié)點(diǎn)e會依據(jù)建立的鄰居消息表進(jìn)行數(shù)據(jù)更新并加入感知，同時認(rèn)定自身為邊界未感知節(jié)點(diǎn)，從而被判定為候選邊界節(jié)點(diǎn)；從時刻t1至?xí)r刻t2的過程中，目標(biāo)將逐漸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)e，則此時節(jié)點(diǎn)e會發(fā)送相應(yīng)evt-msg(id,s)給鄰居節(jié)點(diǎn)m與x，同時認(rèn)定自身為邊界未感知節(jié)點(diǎn)，在此時間段被識別為候選邊界節(jié)點(diǎn)；同理在目標(biāo)邊界線由t2進(jìn)入t3過程中，節(jié)點(diǎn)s收到p、q發(fā)來的evt-msg(id,s)，同時更新自己作為邊界未感知節(jié)點(diǎn)，同樣被判定為候選邊界節(jié)點(diǎn)。

如圖3所示，波浪線代表當(dāng)前采樣周期目標(biāo)的局部邊界線，其中，a、b等實(shí)心節(jié)點(diǎn)代表邊界感知節(jié)點(diǎn)，i、o等非實(shí)心節(jié)點(diǎn)代表cbn，三角形節(jié)點(diǎn)i、j、l、m、o代表使用歐式距離規(guī)則遍歷排序選出的邊界節(jié)點(diǎn)。例如a、b、e、f、h等節(jié)點(diǎn)對應(yīng)只有一個候選邊界鄰居節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)i通過候選邊界節(jié)點(diǎn)判定規(guī)則被識別為候選邊界節(jié)點(diǎn)后，其會發(fā)送一個確認(rèn)反饋包消息給鄰居節(jié)點(diǎn)a，節(jié)點(diǎn)a依據(jù)所接收的消息包計(jì)算與節(jié)點(diǎn)i的歐式距離，計(jì)算完成后發(fā)送一個bn節(jié)點(diǎn)確認(rèn)包bn_ctpi_msg給歐式距離最近的節(jié)點(diǎn)，對節(jié)點(diǎn)a而言即為節(jié)點(diǎn)i，同時，依據(jù)地理位置坐標(biāo)開始虛擬邊界節(jié)點(diǎn)信息構(gòu)建的準(zhǔn)備過程。對于節(jié)點(diǎn)g，其會同時接收到來自節(jié)點(diǎn)m與n的候選邊界節(jié)點(diǎn)識別確認(rèn)包，則利用上述規(guī)則進(jìn)行遍歷排序，排序結(jié)果會相應(yīng)的傳送給m與n，而由于歐式距離規(guī)則選出的m節(jié)點(diǎn)具有更優(yōu)的距離，因此，在節(jié)點(diǎn)g傳來的消息包中會包含邊界節(jié)點(diǎn)信息確認(rèn)指標(biāo)符號bn_sbl。

如圖4所示，a→c→e間采樣的邊界信息與真實(shí)邊界線之間存在明顯圖形失真現(xiàn)象(未引入節(jié)點(diǎn)p前)。而e→g→h間節(jié)點(diǎn)較為密集，所以并不存在明顯失真現(xiàn)象。a→c段，在兩稀疏鄰居邊界感知節(jié)點(diǎn)a與c之間引入新的虛擬感知節(jié)點(diǎn)，若實(shí)際節(jié)點(diǎn)a(xa,ya)、c(xc,yc),則進(jìn)一步引入的虛擬感知節(jié)點(diǎn)p坐標(biāo)為：若i(xi,yi),j(xj,yj)，則p→i新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為則p→j新構(gòu)建的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)地理位置坐標(biāo)為

如圖5所示，圖中黑色實(shí)心圓點(diǎn)代表連續(xù)目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)，空心圓點(diǎn)代表通過本章算法選出的虛擬邊界節(jié)點(diǎn)，星型節(jié)點(diǎn)代表各自網(wǎng)格內(nèi)的頭節(jié)點(diǎn)，三角形節(jié)點(diǎn)代表sink節(jié)點(diǎn)，x0代表初始劃分虛擬網(wǎng)格時選取的參考節(jié)點(diǎn)，實(shí)線箭頭代表將各自網(wǎng)格中虛擬邊界節(jié)點(diǎn)的信息匯聚到網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)，虛線箭頭代表各網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由過程，(2,2)等代表網(wǎng)格的坐標(biāo)。