无线地下传感器节点部署方法、装置及存储介质

1.本技术属于无线通信领域，具体涉及一种无线地下传感器节点部署方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.无线地下传感器网络(wireless underground sensornetworks,wusn)在土壤信息监测中，整个传感器节点被完全埋藏在地下土壤中，地上接收节点通过同频率无线方式接收采集节点采集到的土壤信息。相应的，无线地下传感器节点的部署，是无线传感器网络工作的基础，直接影响信息监测的准确性和时效性，涉及到网络覆盖、连接和能量消耗几个方面。
3.目前，该领域已经出现了一些研究成果，例如针对待部署区域，采用无线地下传感器随机部署的方式等。然而，上述方法会导致网络的覆盖率较低，进而影响各个节点之间的连通性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种无线地下传感器节点部署方法、装置及存储介质，可以提高网络的覆盖率，以及提升各个节点之间的连通性。
5.本技术的实施例是这样实现的：
6.第一方面，本技术实施例提供一种无线地下传感器节点部署方法，用于确定监测区域下的无线地下传感器节点的点位部署，所述监测区域为三角形区域，所述方法包括：获取所述三角形区域的边长信息；根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形；将每个所述相似三角形的顶点确定为所述无线地下传感器节点的点位。通过该方法，可以提高网络的覆盖率，以及提升各个节点之间的连通性。
7.结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形，包括：针对所述三角形区域的每条边，构建与之平行且间隔预设距离值的直线；其中，构建的三条直线所围成的辅助三角形位于所述三角形区域内；将所述辅助三角形的其中一个底边等分成n段；n为正整数；通过所述其中一个底边的每个等分点，分别构建平行于所述辅助三角形的其他两条边的平行线；将所有平行线相交后所形成的三角形确定为所述相似三角形。
8.结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，按照上述方式所确定出的所述无线地下传感器节点的个数为：其中，n为所述所述无线地下传感器节点的个数。
9.结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，基于以下公式确定n的值：
10.11.其中，l是所述三角形区域中与所述其中一个底边平行的底边的边长，r为所述无线地下传感器节点的感应半径；a为所述三角形区域中与所述其中一个底边平行的底边相对的顶角，c为所述三角形区域中，与所述顶角相邻的角。
12.第二方面，本技术实施例提供一种无线地下传感器节点部署装置，用于确定监测区域下的无线地下传感器节点的点位部署，所述监测区域为三角形区域，所述装置包括：获取模块、拆分模块以及确定模块。
13.获取模块，用于获取所述三角形区域的边长信息；
14.拆分模块，用于根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形；
15.确定模块，用于将每个所述相似三角形的顶点确定为所述无线地下传感器节点的点位。
16.结合第二方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述拆分模块，用于针对所述三角形区域的每条边，构建与之平行且间隔预设距离值的直线；其中，构建的三条直线所围成的辅助三角形位于所述三角形区域内；将所述辅助三角形的其中一个底边等分成n段；n为正整数；通过所述其中一个底边的每个等分点，分别构建平行于所述辅助三角形的其他两条边的平行线；将所有平行线相交后所形成的三角形确定为所述相似三角形。
17.结合第二方面实施例，在一种可能的实施方式中，按照上述方式所确定出的所述无线地下传感器节点的个数为：其中，n为所述所述无线地下传感器节点的个数。
18.结合第二方面实施例，在一种可能的实施方式中，基于以下公式确定n的值：
[0019][0020]
其中，l是所述三角形区域中与所述其中一个底边平行的底边的边长，r为所述无线地下传感器节点的感应半径；a为所述三角形区域中与所述其中一个底边平行的底边相对的顶角，c为所述三角形区域中，与所述顶角相邻的角。
[0021]
第三方面，本技术实施例还提供一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器连接；所述存储器用于存储程序；所述处理器调用存储于所述存储器中的程序，以执行上述第一方面实施例和/或结合第一方面实施例的任一种可能的实施方式提供的方法。
[0022]
第四方面，本技术实施例还提供一种非易失性计算机可读取存储介质(以下简称及存储介质)，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被计算机运行时执行上述第一方面实施例和/或结合第一方面实施例的任一种可能的实施方式提供的方法。
[0023]
本技术的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例而了解。本技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本技术的主旨。
[0025]
图1示出本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
[0026]
图2示出本技术实施例提供的一种无线地下传感器节点部署方法的流程图。
[0027]
图3示出本技术实施例提供的一种监测区域的划分示意图。
[0028]
图4示出本技术实施例提供的一种覆盖率比较示意图。
[0029]
图5示出本技术实施例提供的一种连通度比较示意图。
[0030]
图6示出本技术实施例提供的一种无线地下传感器节点部署装置的结构框图。
[0031]
图标：100-电子设备；110-处理器；120-存储器；400-无线地下传感器节点部署装置；410-获取模块；420-拆分模块；430-确定模块。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
[0033]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0034]
再者，本技术中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
[0035]
此外，针对现有技术中的无线地下传感器节点部署方案所存在的缺陷(会导致网络的覆盖率较低，进而影响各个节点之间的连通性)是申请人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述缺陷的发现过程以及在下文中本技术实施例针对上述缺陷所提出的解决方案，都应该被认定为是申请人对本技术做出的贡献。
[0036]
为了解决上述问题，本技术实施例提供一种无线地下传感器节点部署方法、装置及存储介质，可以提高网络的覆盖率，以及提升各个节点之间的连通性。
[0037]
该技术可采用相应的软件、硬件以及软硬结合的方式实现。以下对本技术实施例进行详细介绍。
[0038]
首先，参照图1来描述用于运行本技术实施例的无线地下传感器节点部署方法、装置的电子设备100。
[0039]
可选的，电子设备100，可以是，但不限于个人电脑(personal computer，pc)、智能手机、平板电脑、移动上网设备(mobile internet device，mid)、个人数字助理、服务器等
设备。其中，服务器可以是，但不限于网络服务器、数据库服务器、云端服务器等。
[0040]
其中，电子设备100可以包括：处理器110、存储器120。
[0041]
应当注意，图1所示的电子设备100的组件和结构只是示例性的，而非限制性的，根据需要，电子设备100也可以具有其他组件和结构。例如，在一些情况下，电子设备100还可以包括扬声器。扬声器可以与处理器110连接，且扬声器可以用于在接收到用户的发声指令时，发出与词汇对应的读音。
[0042]
处理器110、存储器120以及其他可能出现于电子设备100的组件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，处理器110、存储器120以及其他可能出现的组件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
[0043]
存储器120用于存储程序，例如存储有后文出现的无线地下传感器节点部署方法对应的程序或者后文出现的无线地下传感器节点部署装置。可选的，当存储器120内存储有无线地下传感器节点部署装置时，无线地下传感器节点部署装置包括至少一个可以以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器120中的软件功能模块。
[0044]
可选的，无线地下传感器节点部署装置所包括软件功能模块也可以固化在电子设备100的操作系统(operating system，os)中。
[0045]
处理器110用于执行存储器120中存储的可执行模块，例如无线地下传感器节点部署装置包括的软件功能模块或计算机程序。当处理器110在接收到执行指令后，可以执行计算机程序，例如执行：获取所述三角形区域的边长信息；根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形；将每个所述相似三角形的顶点确定为所述无线地下传感器节点的点位。
[0046]
当然，本技术任一实施例所揭示的方法都可以应用于处理器110中，或者由处理器110实现。
[0047]
下面将针对本技术所提供的无线地下传感器节点部署方法进行介绍。
[0048]
请参阅图2，本技术实施例提供一种应用于上述电子设备100的无线地下传感器节点部署方法，用于确定监测区域下的无线地下传感器节点的点位部署，在农业信息监测中，由于山地等一些特殊自然环境的限制，监测区域选取为近地表土壤下的一个三角形区域，因此，在本技术实施例中，所涉及到的监测区域均为三角形区域。
[0049]
在初始阶段，无线地下传感器节点按照本方案所涉及到的无线地下传感器节点部署方法，部署在监测区域，随后，这些无线地下传感器节点被固定埋藏在近地表土壤，无线地下传感器节点的深度为普通作物根系处50cm。无线地下传感器节点在部署后能通过自身的定位系统获知自身坐标，并传送给地上接收节点进行汇聚。
[0050]
至于部署在监测区域下的无线地下传感器节点，其感知模型一般设置为布尔模型。
[0051]
值得指出的是，在本技术实施例中，整个无线地下传感器节点被完全埋藏在地下土壤中，与之对应的地上接收节点通过同频率无线方式，例如wifi、蓝牙、zigbee、lora等，接收无线地下传感器节点所采集到的土壤信息。
[0052]
在由各个无线地下传感器节点所形成的无线地下传感器网络中，无线地下传感器节点一旦被部署后不能移动。地上接收节点可以在垂直和水平方向上任意移动。
[0053]
下面将结合图2对其所包含的步骤进行说明。
[0054]
步骤s110：获取所述三角形区域的边长信息。
[0055]
其中，三角形区域的边长信息即为三角形区域每条边的长度信息，以及三角形区域的各条边所形成的夹角信息。
[0056]
步骤s120：根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形。
[0057]
本技术实施例中，为了保证三角形区域满足任意一点至少被一个无线地下传感器的感知范围覆盖，即无缝覆盖，采用相似三角形的网格部署方式，把三角形监测区域划分成相似的三角形网格，如图3所示。
[0058]
具体的，在执行步骤s120，及根据所述根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形时，可以包括：
[0059]
针对该三角形区域的每条边，构建与之平行且间隔预设距离值的直线；其中，构建的三条直线所围成的辅助三角形位于所述三角形区域内，如图3所示，图3中由虚线所构成的三角形即为辅助三角形。
[0060]
在确定出辅助三角形之后，将辅助三角形的其中一个底边等分成n段。其中，n为正整数。
[0061]
至于n的确定方式，在一些实施方式中，可以基于以下公式确定n的值：
[0062][0063]
其中，l是三角形区域中，与辅助三角形中的被等分成n段的底边平行的底边的边长，例如图3中的bc的长，r为无线地下传感器节点的感应半径；a为三角形区域中与辅助三角形中的被等分成n段的底边平行的底边相对的顶角，c为所述三角形区域中，与所述顶角相邻的角。例如当三角形区域中与辅助三角形中的被等分成n段的底边平行的底边为图3中的bc时，a即为图3中的∠a；c即为图3中的∠c。
[0064]
后续，再通过其中一个底边的每个等分点，分别构建平行于辅助三角形的其他两条边的平行线；那么所有平行线相交后所形成的多个三角形即为相似三角形。
[0065]
步骤s130：将每个所述相似三角形的顶点确定为所述无线地下传感器节点的点位。
[0066]
如此设置之后，每个相似三角形的顶点即为一个无线地下传感器节点的点位所在之处。
[0067]
根据相似三角形的性质可知，各个相似三角形每行所部署的无线地下传感器节点的个数呈现等差数列，也即最终需要部署的无线地下传感器节点的个数n满足：其中，n为最终所需要部署的无线地下传感器节点的个数。
[0068]
现假设无线地下传感器节点的感知半径为r，无线地下传感器节点的通信半径为rc。
[0069]
那么按照上述方式所确定出的无线地下传感器节点的点位，实际部署无线地下传感器节点之后，针对监测区域，即三角形区域而言，其所涵盖的范围内的每个区域均能够被至少一个无线地下传感器节点监测到，相较于现有技术中的随机部署无线地下传感器节点
的方式，可以提高网络的覆盖率。
[0070]
现在根据农业特殊环境应用，采用随机部署和本方案所涉及到的部署方式，来针对监测区域部署无线地下传感器节点进行比较。
[0071]
比较过程中，主要从网络的覆盖率和无线地下传感器节点的连通度两个方面进行仿真。
[0072]
实验过程中，假设无线地下传感器网络周期性地采集并上传数据，一个周期定义为节点采集并成功上传一次数据。为消除随机误差，仿真实验数据采用20次以上实验计算所得的平均值。
[0073]
在仿真实验中，目标监测区域为底边l长500m，高h为400m的任意三角形，无线地下传感器节点的感知半径r为50m，通信半径40m≤rc≤100m。
[0074]
假设无线地下传感器节点和接收节点运行消耗为e，发送放大器的消耗为e，无线地下传感器节点向距离为d的接收节点发送数据包，数据包长度为lbit，无线地下传感器节点的发送能耗s＝l(e+rd2)，接收节点接收能耗r＝le。采用matlab仿真平台进行实验，e＝50nj/bit，r＝100pj/bit/m2，l＝1024。
[0075]
网络的覆盖率p是无线地下传感器网络中,无线地下传感器节点所感知的区域面积之和与目标范围(即监测区域)面积之和的比值，如以下公式：
[0076][0077]
其中，u为无线地下传感器节点i的感知范围，n是节点总数目，a为目标区域的总面积。
[0078]
在三角形的监测区域内，通过随机部署和相似三角形部署两种方式显示了网络的覆盖率，其比较结果如图4所示。
[0079]
从图4中可以看出，网络的覆盖率随节点数目增加而增大，但增加的趋势会逐步减缓。本技术实施例所提供的部署方法保证了无线地下传感器节点在目标监测区域的均匀分布，所以，其性能优于随机部署。
[0080]
当部署节点数目少于300时，本技术实施例所提供的部署方式的网络覆盖率平均比随机部署覆盖率高20％，随着节点数目增多至400时，本技术实施例所提供的部署方式的网络覆盖率几乎达到100％。
[0081]
由于相似三角形部署方式的覆盖率始终能保证三角形的监测区域的无缝覆盖，所以根据三角形监测区域构造的和监测区域相似的三角形网格，不会产生边界的漏洞问题。
[0082]
此外，在近地表土壤信息监测中，在随机部署和相似三角形部署(即本技术实施例所提供的部署方式)这两种不同方式的节点部署下，网络连通度如图5所示。
[0083]
从图5中可以看出，对于随机部署和相似三角形部署，增加节点数目都提高了网络连通度。而对于相同的监测区域，采用相似三角形部署算法能够使得更少的节点数目就可以达到网络的全连通。由图5可知，无线地下传感器节点数目达到300时，网络连通度已达到100％，比随机部署方式，网络连通度几乎提高了三分之二，因此，通过本技术实施例所提供的无线地下传感器节点部署方法，还可以提升各个节点之间的连通性。
[0084]
如图6所示，本技术实施例还提供一种无线地下传感器节点部署装置400，用于确定监测区域下的无线地下传感器节点的点位部署，所述监测区域为三角形区域，无线地下
传感器节点部署装置400可以包括：获取模块410、拆分模块420以及确定模块430。
[0085]
获取模块410，用于获取所述三角形区域的边长信息；
[0086]
拆分模块420，用于根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形；
[0087]
确定模块430，用于将每个所述相似三角形的顶点确定为所述无线地下传感器节点的点位。
[0088]
在一种可能的实施方式中，其特征在于，所述拆分模块420，用于针对所述三角形区域的每条边，构建与之平行且间隔预设距离值的直线；其中，构建的三条直线所围成的辅助三角形位于所述三角形区域内；将所述辅助三角形的其中一个底边等分成n段；n为正整数；通过所述其中一个底边的每个等分点，分别构建平行于所述辅助三角形的其他两条边的平行线；将所有平行线相交后所形成的三角形确定为所述相似三角形。
[0089]
在一种可能的实施方式中，按照上述方式所确定出的所述无线地下传感器节点的个数为：，其中，n为所述所述无线地下传感器节点的个数。
[0090]
结合第二方面实施例，在一种可能的实施方式中，基于以下公式确定n的值：
[0091][0092]
其中，l是所述三角形区域中与所述其中一个底边平行的底边的边长，r为所述无线地下传感器节点的感应半径；a为所述三角形区域中与所述其中一个底边平行的底边相对的顶角，c为所述三角形区域中，与所述顶角相邻的角。
[0093]
本技术实施例所提供的无线地下传感器节点部署装置400，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
[0094]
此外，本技术实施例还提供一种及存储介质，该及存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机运行时，执行如上述的无线地下传感器节点部署方法所包含的步骤。
[0095]
综上所述，本发明实施例提出的无线地下传感器节点部署方法、装置及存储介质，用于确定监测区域下的无线地下传感器节点的点位部署，所述监测区域为三角形区域，所述方法包括：获取所述三角形区域的边长信息；根据所述边长信息，将所述三角形区域均分为多个相似三角形；将每个所述相似三角形的顶点确定为所述无线地下传感器节点的点位。通过该方法，可以提高网络的覆盖率，以及提升各个节点之间的连通性。
[0096]
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0097]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一
部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0098]
另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0099]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个及存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，笔记本电脑,服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0100]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。