基于正三角形剖分的传感器网络快速k-覆盖判定算法研究
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密 惠 保
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资料介绍：
传感器网络简介
2.1.1 传感器网络的概念
传感器网络是由一组传感器以Ad-Hoc方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者[5]。
从定义可以看出，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的3个基本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地变化。节点间以Ad-Hoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。
传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件构成[1-3]（如图2.1所示）。电源为传感器提供正常工作所必需的能源；感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号；处理部件负责协调节点各部分的工作；通信部件负责与其他传感器或观察者的通信；软件则为传感器提供必要的软件支持。
传感器网络的核心技术
以数据为中心的传感器网络的基本思想是：把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标[5]。传感器网络以数据为中心的特点使得其设计方法不同于其他计算机网络（包括Internet）。传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，为用户或观察者提供一个有效的感知数据空间或感知数据库管理和处理系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术。感知数据管理与处理技术包括感知网络数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合，融为一体，而不是像目前其他网络设计那样分而治之。只有这样才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感器网络系统。
2.2 传感器网络的应用
2.2.1 环境的检测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，2002年英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连接互联网，掌握缅因州“大鸭岛”上的气候，以此来评价一种海燕巢的条件。2003年第二季度，他们换用150个安有D型微型电池的第二代传感器，来评估这些鸟巢的条件。同时，无线传感器网络可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。另外，传感器网络技术它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 think58好，好think58 [资料来源：http://www.THINK58.com]
2.2.2 医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域同样可以大展身手。它可以用于病区移动查房、床边护理、呼叫通信、护理监控、药库管理等方面。
罗彻斯特大学的科学家利用无线传感器技术创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具、电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的进行家庭生活。利用无线通信将传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理，而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
其他应用
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。 [版权所有：http://think58.com]
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。比如，微型传感器网络最终可以将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相联接，实现远距离的跟踪和检测。家庭采用无线传感器网络负责家电协同工作，进行安全调控，并且可以节省电能。另外，用户可以根据自己的个人喜好，可以利用传感器网络设置智能生活环境，如依据传感器检测数据来调节室内光线强度、音乐声音，以形成惬意的房间氛围。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
2.3传感器网络面临的挑战
传感器网络除了具有Ad-Hoc网络特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。这些特点向我们提出了一系列挑战性问题[5]：
(1)通信能力有限
传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，传感器之间的通信断接频繁。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是面临的挑战之一。
(2)电源能量有限
传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要比执行计算更消耗电能。传感器传输1位信息所需要的电能足以执行3000条计算指令。如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是面临的第2个挑战。
(3)计算能力有限
由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是面临的第3个挑战。
(4)传感器数量大、分布范围广
传感器的数量与用户数量比通常也非常大。传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。这是面临的第4个挑战。
(5)网络动态性强
传感器网络具有很强的动态性。网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。传感器网络必须具有可重构和自调整性。这是面临的第5个挑战。
(6)大规模分布式触发器
很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度控制。这样，很多传感器具有了回控装置和控制软件。我们称回控装置和控制软件为触发器。成千上万的动态触发器的管理是面临的第6个挑战。
(7)感知数据流巨大
传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的实时性流式数据，而每个传感器仅仅具有有限的计算资源，很难处理巨大的实时数据流。这就需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。这是面临的第7个挑战。
2.1.1 传感器网络的概念
传感器网络是由一组传感器以Ad-Hoc方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者[5]。
从定义可以看出，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的3个基本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地变化。节点间以Ad-Hoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。
传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件构成[1-3]（如图2.1所示）。电源为传感器提供正常工作所必需的能源；感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号；处理部件负责协调节点各部分的工作；通信部件负责与其他传感器或观察者的通信；软件则为传感器提供必要的软件支持。
传感器网络的核心技术
think58 [来源：http://think58.com]
以数据为中心的传感器网络的基本思想是：把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标[5]。传感器网络以数据为中心的特点使得其设计方法不同于其他计算机网络（包括Internet）。传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，为用户或观察者提供一个有效的感知数据空间或感知数据库管理和处理系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术。感知数据管理与处理技术包括感知网络数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合，融为一体，而不是像目前其他网络设计那样分而治之。只有这样才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感器网络系统。
2.2 传感器网络的应用
2.2.1 环境的检测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，2002年英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连接互联网，掌握缅因州“大鸭岛”上的气候，以此来评价一种海燕巢的条件。2003年第二季度，他们换用150个安有D型微型电池的第二代传感器，来评估这些鸟巢的条件。同时，无线传感器网络可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。另外，传感器网络技术它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 think58好，好think58 [资料来源：http://www.THINK58.com]
2.2.2 医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域同样可以大展身手。它可以用于病区移动查房、床边护理、呼叫通信、护理监控、药库管理等方面。
罗彻斯特大学的科学家利用无线传感器技术创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具、电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的进行家庭生活。利用无线通信将传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理，而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
其他应用
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。 [版权所有：http://think58.com]
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。比如，微型传感器网络最终可以将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相联接，实现远距离的跟踪和检测。家庭采用无线传感器网络负责家电协同工作，进行安全调控，并且可以节省电能。另外，用户可以根据自己的个人喜好，可以利用传感器网络设置智能生活环境，如依据传感器检测数据来调节室内光线强度、音乐声音，以形成惬意的房间氛围。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
2.3传感器网络面临的挑战
传感器网络除了具有Ad-Hoc网络特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。这些特点向我们提出了一系列挑战性问题[5]：
(1)通信能力有限
传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，传感器之间的通信断接频繁。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是面临的挑战之一。
本文来自think58 [资料来源：http://think58.com]
(2)电源能量有限
传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要比执行计算更消耗电能。传感器传输1位信息所需要的电能足以执行3000条计算指令。如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是面临的第2个挑战。
(3)计算能力有限
由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理，是面临的第3个挑战。
(4)传感器数量大、分布范围广
传感器的数量与用户数量比通常也非常大。传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。这是面临的第4个挑战。
(5)网络动态性强
传感器网络具有很强的动态性。网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。传感器网络必须具有可重构和自调整性。这是面临的第5个挑战。
(6)大规模分布式触发器
内容来自think58
[资料来源：http://www.THINK58.com]
很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度控制。这样，很多传感器具有了回控装置和控制软件。我们称回控装置和控制软件为触发器。成千上万的动态触发器的管理是面临的第6个挑战。
(7)感知数据流巨大
传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的实时性流式数据，而每个传感器仅仅具有有限的计算资源，很难处理巨大的实时数据流。这就需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。这是面临的第7个挑战。