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      溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)及其分層分簇方法

      文檔序號:7684357閱讀:205來源:國知局
      專利名稱:溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)及其分層分簇方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種能夠?qū)Νh(huán)境等信息進(jìn)行實時檢測與控制的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 及其分層分簇方法,用于溫室設(shè)施。
      背景技術(shù)
      隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,農(nóng)業(yè)大棚、醫(yī)院大樓、賓館或飯店大廈、大會堂、演 播大廳、大型商場超市等現(xiàn)代溫室需要對室內(nèi)各種環(huán)境信息和各種狀況信息進(jìn) 行實時檢測與控制,實現(xiàn)設(shè)施管理和環(huán)境調(diào)控自動化與智能化。
      目前溫室等設(shè)施普遍采用有線測控系統(tǒng),存在問題有大量的信號傳輸線 和動力線導(dǎo)致設(shè)施建造困難,安裝與維護(hù)復(fù)雜,工作量大,成本高,移動作業(yè) 設(shè)備的應(yīng)用受到限制;不能靈活增加或者減少傳感器節(jié)點數(shù)量、調(diào)整節(jié)點位置; 由于溫室等環(huán)境的特殊性,使得布線材料如金屬接頭生銹、滲水,容易受到腐 蝕,系統(tǒng)工作可靠性低。因此,要求溫室等設(shè)施測控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線化,通 過無線網(wǎng)絡(luò)實時檢測系統(tǒng)各種信息,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運作狀態(tài)。
      目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳 感器(或執(zhí)行器)節(jié)點組成,通過無線通信方式形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。它 是應(yīng)用性非常強的技術(shù),不同的應(yīng)用環(huán)境和對象,對時延、可靠性、能耗、健 壯性的要求不盡相同。 一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于能量高效、大規(guī)模節(jié)點部署情 況,因此具有簡單易用、可靠、高性價比、低功耗等特點,但時延大,實時性 往往較弱。國內(nèi)相關(guān)專利有1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微量爆炸物監(jiān)測系統(tǒng)、 裝置及方法(200510126233.7),由監(jiān)控管理中心、監(jiān)控基站和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成 微量爆炸物無線動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),其中監(jiān)控基站使用有線通信與無線通信相結(jié)合 的方法。2、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大型流程工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場級監(jiān)測系統(tǒng) (200610089521.4),包括安裝在設(shè)備上無線傳感器節(jié)點、對數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳 輸?shù)墓歉晒?jié)點、網(wǎng)關(guān),系統(tǒng)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集。以上兩專利僅僅是公開溫室或 者其它設(shè)施環(huán)境無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)初步應(yīng)用方法,沒有涉及如何根據(jù) 溫室特點建立低時延、低功耗、信息傳輸高效的無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。3、支持 IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(200510069176. 3),設(shè)置為多層分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 其下層由構(gòu)成多個簇的普通無線傳感器節(jié)點和下層中心節(jié)點,上層中心節(jié)點計算能力和功率較強,能對下層中心節(jié)點的信息進(jìn)行處理,通過網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)與外 部網(wǎng)絡(luò)互連,將處理后的信息交付骨干網(wǎng)并傳遞給遠(yuǎn)程用戶,網(wǎng)關(guān)上運行IPv4 或IPv6協(xié)議或IPv4/IPv6雙協(xié)議。4、基于自適應(yīng)退避策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 分布式分簇方法(200610026684.8),從節(jié)點的剩余能量入手,每個節(jié)點根據(jù) 剩余電池能量自適應(yīng)地設(shè)置定時器,當(dāng)定時到達(dá)時,節(jié)點自動成為"簇首"并 廣播消息,而其相鄰節(jié)點選擇加入這個簇成為"普通節(jié)點",由此整個網(wǎng)絡(luò)被 劃分為"簇首"和"普通節(jié)點",形成層次性的管理體系。5、無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)的分布式構(gòu)造方法(200610030906.3),分兩個階段實現(xiàn)分布 式的基于最小連通支配集的虛擬骨干網(wǎng),在第一個階段,通過分簇算法構(gòu)建最 大獨立集,將整個節(jié)點集合劃分為簇首以及普通節(jié)點兩個集合,在第二個階段, 尋找網(wǎng)關(guān)節(jié)點將簇首連接起來,形成一個連通支配集。以上三個專利都是應(yīng)用 分層次結(jié)構(gòu)分布式構(gòu)造無線傳感器網(wǎng)絡(luò),減少通信開銷和普通節(jié)點的傳輸功 率,但均沒有結(jié)合溫室結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點,并且基于IP協(xié)議的INTERNET網(wǎng)絡(luò)往 往由于堵塞實時性得不到保證,總的功耗和時延大,不能滿足溫室環(huán)境信息無 線檢測與控制要求。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明針對目前溫室測控系統(tǒng)存在的不足,提供了一種無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng) 及分層分簇方法,在低成本、低功耗、低時延下,高效傳輸信息,實現(xiàn)溫室環(huán) 境等各種信息無線實時檢測與控制。
      本發(fā)明的溫室無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的技術(shù)方案是由高層的基站節(jié)點一端連 接溫室群控制服務(wù)器終端、另一端連接中間層的匯聚簇頭節(jié)點及低層的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成,根據(jù)溫室空間大小和部署節(jié)點分布情況,當(dāng)?shù)蛯拥臒o線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量較多或者位置分布較廣時,由低層的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和執(zhí)行 器節(jié)點組成低層簇,由低層簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息收集、融合及控制指令下傳, 并與中間層的匯聚簇頭節(jié)點近距離無線通信;反之,當(dāng)節(jié)點數(shù)量較少或者位置 分布較集中時,低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不分簇,所有低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點和執(zhí)行器節(jié)點直接與中間層的匯聚簇頭節(jié)點近距離無線通信。
      本發(fā)明所述的溫室無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的分層分簇方法,包括中間層分層方 法和低層分簇方法,依據(jù)中間層的匯聚簇頭節(jié)點成本和運行費用,以及便于信
      息處理要求,確定配置中間層數(shù)量或者一個中間層空間范圍;選擇中間層的匯
      聚簇頭節(jié)點配置位置區(qū)域;根據(jù)網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點配置數(shù)量和位置對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時延、能耗影響,確定分簇數(shù)和簇頭節(jié)點位置。
      本發(fā)明根據(jù)溫室特點構(gòu)建系統(tǒng),應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線移動網(wǎng)絡(luò)等技 術(shù),采用由高層基站節(jié)點及溫室群控制終端、中間層匯聚簇頭節(jié)點、低層無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成三層次無線網(wǎng)絡(luò),依據(jù)節(jié)點成本和運行費用,以及便于信 息處理要求,配置中間層的匯聚簇頭節(jié)點,通過對經(jīng)典LEACH分簇算法及簇頭 節(jié)點的選擇方法改進(jìn),應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法,實現(xiàn)低層匯聚簇頭節(jié)點配置優(yōu)化, 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更系統(tǒng)更科學(xué),有利于降低信息傳輸時延、成本和功耗,提高信息傳 輸效率,系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在溫室,以及大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施,醫(yī)院大樓,賓館或 飯店大廈,大會堂、演播大廳、大型商場超市等其它室內(nèi)環(huán)境,實現(xiàn)信息無線 檢測與控制。


      下面結(jié)合附圖和具體實施方式
      對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖1本發(fā)明溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖; 圖中l(wèi).高層基站節(jié)點,2.溫室群控制服務(wù)器終端,3.中間層的匯聚簇頭 節(jié)點,4.低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,5.低層執(zhí)行器節(jié)點,50.低層匯聚簇頭 節(jié)點。
      圖中的線條表示為+一有線串行通信鏈路, 一 低層之間無線傳感網(wǎng)絡(luò) 鏈路;......中、低層間無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路,,…一高、中層間無線移動通
      信鏈路。
      圖2是圖1中高層基站節(jié)點1和中間層匯聚簇頭節(jié)點3組成結(jié)構(gòu)示意圖, 其中,(a)圖是基站節(jié)點1組成結(jié)構(gòu),(b)圖是中間層匯聚簇頭節(jié)點3組成 結(jié)構(gòu)。
      圖3是圖1中低層節(jié)點組成結(jié)構(gòu)示意圖,其中,(a)圖是低層傳感器節(jié)點 4組成結(jié)構(gòu),(b)圖是低層執(zhí)行器節(jié)點5組成結(jié)構(gòu)。
      圖4是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖,是單個5連棟溫室低層簇區(qū)域劃 分及簇頭節(jié)點配置示意圖。
      具體實施例方式
      如圖1所示,本發(fā)明所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)由高層的基站節(jié) 點1及溫室群控制服務(wù)器終端2、中間層的匯聚簇頭節(jié)點3、低層的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點4和執(zhí)行器節(jié)點5、兼作低層簇頭節(jié)點的執(zhí)行器節(jié)點50組
      7成。
      如圖2(a)所示,本發(fā)明所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)高層的基站 節(jié)點1由無線移動通信模塊(如GPRSModern模塊)11、 USB130通用串行總線模 塊12組成。USB130通用串行總線模塊12 —邊通過USB串行口與溫室群控制 服務(wù)器終端2連接,另一邊通過RS — 232串行口 12與無線移動通信模塊11連接。 由溫室群控制服務(wù)器終端2通過USB 口給無線移動通信模塊提供電源。
      如圖2(b)所示,本發(fā)明所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中間層的匯 聚簇頭節(jié)點3由無線移動通信模塊(如GPRS Modern模塊)31、無線ZigBee模 塊(如CC2430模塊)32和電源33三部分組成。無線ZigBee模塊32與無線 移動通信模塊31通過RS—232串行口連接。電源33采用蓄電池或者小型太陽能 電池板(如SW6060-8A-2946)及充電電池,電池能量較強,既具有無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通信功能,與低層節(jié)點近距離無線通信,又具有無線移動通信功能,與 基站節(jié)點1遠(yuǎn)距離無線通信。
      如圖3 (a)所示,本發(fā)明所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)低層無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點4由無線ZigBee模塊(如CC2430模塊)43、傳感器信 息調(diào)理電路42及溫室環(huán)境信息檢測傳感器41和電源44四部分組成,電源44 采用小型太陽能電池板(如SW6060-8A-2946)及充電電池或者干電池,并通 過定時喚醒或者傳感器檢測信號變化超出閾值喚醒工作,工作結(jié)束后立即進(jìn)入 休眠狀態(tài),節(jié)省能量。
      如圖3(b)所示,本發(fā)明所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)低層的無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器節(jié)點5(或低層簇頭節(jié)點50)由無線ZigBee模塊(如CC2430 模塊)53、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動接口電路52及溫室環(huán)境信息調(diào)節(jié)執(zhí)行器51和電源 54四部分組成,電源54同樣采用蓄電池或者小型太陽能電池板(如 SW6060-8A-2946)及充電電池,電池能量較強,始終處于通信接收工作狀態(tài), 接收控制指令,通過控制執(zhí)行器調(diào)節(jié)溫室環(huán)境,提高系統(tǒng)信息調(diào)節(jié)處理快速性。
      本發(fā)明所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)各部分作用及關(guān)系描述如下 低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點4負(fù)責(zé)周圍信息采集,執(zhí)行器節(jié)點5 (或50) 負(fù)責(zé)對某種信息調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動;低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以組成低層簇, 由其中某執(zhí)行器節(jié)點5兼作低層簇頭節(jié)點50,負(fù)責(zé)低層簇內(nèi)信息收集、融合 及控制指令下傳,并與中間層的匯聚簇頭節(jié)點3近距離無線通信;當(dāng)?shù)蛯訜o線 傳感器網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點數(shù)少(如小于30點),而分布又集中時(如在直徑40m圓內(nèi)), 也可以不分簇,所有低層傳感器節(jié)點4和執(zhí)行器節(jié)點5直接以單跳方式與中間
      8層的匯聚簇頭節(jié)點3近距離無線通信;中間層的匯聚簇頭節(jié)點3,負(fù)責(zé)中間層
      內(nèi)信息收集、融合及控制指令下傳,并與高層的基站節(jié)點1遠(yuǎn)距離無線通信;
      高層的基站節(jié)點1負(fù)責(zé)整個溫室群內(nèi)信息收集、融合及控制指令下傳,并通過
      有線串行通信與溫室群控制服務(wù)器終端2通信,由溫室群控制服務(wù)器終端2 對整個溫室群進(jìn)行計算機(jī)監(jiān)控和管理。
      本發(fā)明所述的溫室無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)分層分簇方法包括中間層分層方法 和低層分簇方法兩方面。
      中間層分層方法是依據(jù)中間層的匯聚簇頭節(jié)點成本和運行費用,以及便
      于信息處理要求,確定配置中間層數(shù)量或者一個中間層空間范圍;根據(jù)中間層 的匯聚簇頭節(jié)點特點,選擇中間層的匯聚簇頭節(jié)點配置位置區(qū)域。
      低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法,是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點配置數(shù)量和 位置對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時延、能耗影響,確定分簇數(shù)和簇頭節(jié)點位置。由于在一 定空間范圍內(nèi), 一方面,配置的低層匯聚簇頭節(jié)點數(shù)愈少,單個簇空間范圍愈 大,匯聚簇頭節(jié)點與一般傳感器節(jié)點之間距離愈大,根據(jù)節(jié)點能耗模型,若采 用單跳方式無線通信,能耗將急劇增加;若采用多跳方式低能耗無線通信,將 導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時延增加。反之配置的匯聚簇頭節(jié)點數(shù)愈多,低層匯聚簇頭節(jié)點 與中間層匯聚簇頭節(jié)點之間距離愈大,將導(dǎo)致其間數(shù)據(jù)傳輸能耗和時延將愈 大。另一方面,低層匯聚簇頭節(jié)點配置位置愈均勻,單個低層簇內(nèi)傳感器節(jié)點 能耗愈均勻,網(wǎng)絡(luò)壽命愈長,并且每個低層簇數(shù)據(jù)傳輸時延愈均勻,整個中間 層內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時延愈小。因此需要對匯聚簇頭節(jié)點配置優(yōu)化,有合適的匯聚簇 頭節(jié)點選擇方法,使得中間層內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸能耗和時延達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。
      本發(fā)明根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗模型和低功耗信息傳輸距離,確定低 層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇最大空間范圍;在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典LEACH分簇算法及 簇頭節(jié)點選擇方法基礎(chǔ)上,結(jié)合溫室執(zhí)行器節(jié)點能量供給較強特點,對LEACH 分簇算法及簇頭節(jié)點的選擇方法進(jìn)行改進(jìn),使得簇頭節(jié)點分布均勻,能量損耗 平衡,最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)的生存時間;根據(jù)改進(jìn)的分簇算法及簇頭節(jié)點的選 擇方法,建立網(wǎng)絡(luò)中間層內(nèi)信息傳輸能耗與時延模型;應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法, 建立網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點配置優(yōu)化模型,通過多目標(biāo)優(yōu)化,得到優(yōu)化目標(biāo)能 耗和時延在一定的權(quán)重下的最優(yōu)低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點數(shù),使得數(shù)據(jù)傳 輸能耗和時延綜合達(dá)到最小。
      本發(fā)明提供的溫室無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)及分層分簇方法,應(yīng)用無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)和無線移動網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),采用由高層基站節(jié)點及溫室群控制終端、中間層匯聚簇頭節(jié)點、低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成三層次無線網(wǎng)絡(luò),依據(jù)節(jié)點成本和 運行費用,以及便于信息處理要求,配置中間層的匯聚簇頭節(jié)點,通過對經(jīng)典 LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點的選擇方法改進(jìn),應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法,實現(xiàn)低層 匯聚簇頭節(jié)點配置優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更系統(tǒng)更科學(xué),有利于降低信息傳輸時延、 成本和功耗,提高信息傳輸效率。系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在溫室,以及大棚等農(nóng)業(yè) 設(shè)施,醫(yī)院大樓,賓館或飯店大廈,大會堂、演播大廳、大型商場超市等其它 室內(nèi)環(huán)境,實現(xiàn)信息無線檢測與控制。
      本發(fā)明溫室無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)分層分簇方法的具體步驟如下-
      (1) 中間層分層方法,主要確定中間層配置數(shù)量或者一個中間層空間范 圍,中間層的匯聚簇頭節(jié)點配置位置區(qū)域,實現(xiàn)中間層的匯聚簇頭節(jié)點配置。 具體步驟如下
      第一步、確定中間層配置數(shù)量或者一個中間層空間范圍。 考慮中間層的匯聚簇頭節(jié)點3成本約是一般傳感器節(jié)點4成本的3倍,盡 管無線移動通信信息傳輸費用很低,但當(dāng)信息量大,傳輸次數(shù)多時,運行費用 相對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較高,因此網(wǎng)絡(luò)中不宜配置太多中間層的匯聚簇頭節(jié)點 3。再考慮單個連棟溫室需要整體協(xié)調(diào)控制,為了便于信息收集、融合處理和 控制指令下傳,按照一個連棟溫室空間范圍(如典型的5連棟溫室夸距10m 長50m,面積約2500m2)為一個中間層區(qū)域,配置 一 個中間層匯聚簇頭節(jié)點3 在該區(qū)域內(nèi),如圖1所示。
      第二步、選擇中間層的匯聚簇頭節(jié)點配置位置區(qū)域。
      由于中間層的匯聚簇頭節(jié)點3采用太陽能充電電池或者蓄電池供電,能量 供應(yīng)較強,無線ZigBee模塊通信32數(shù)據(jù)傳輸距離可以較遠(yuǎn),并且無線移動通 信覆蓋范圍大、實時性強,因此節(jié)點配置位置可以比較靈活,主要考慮選擇光 照充足、空間大小合適的區(qū)域。
      (2) 低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法,包括確定低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇最 大空間范圍、最佳簇頭節(jié)點數(shù)和選擇合適低層簇頭節(jié)點。具體步驟如下
      第一步、確定低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇最大空間范圍。
      根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗模型,低功耗信息傳輸距離d。一般為20m, 為了降低信息傳輸能耗和時延,單個簇最大區(qū)域規(guī)定在以簇頭節(jié)點為圓心,半 徑為d。的圓內(nèi),并以單跳方式通信。
      第二步、網(wǎng)絡(luò)LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點選擇改進(jìn)。
      無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典LEACH分簇算法執(zhí)行過程是周期性的,每輪循環(huán)都會在網(wǎng)絡(luò)中分簇并重新選舉新簇頭。簇頭節(jié)點選擇方法是每個傳感器節(jié)點隨 機(jī)產(chǎn)生o-i之間的一個值,如果某節(jié)點的值小于某一個閥值,那么這個節(jié)點成 為簇頭節(jié)點,選定該簇頭節(jié)點后,通過廣播告知整個網(wǎng)絡(luò)。LEACH分簇算法及 簇頭節(jié)點選擇特點是以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點,將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù) 載平均分配到每個傳感器節(jié)點中,但可能導(dǎo)致產(chǎn)生的簇頭節(jié)點分布不均勻,以 致能量損耗不平衡,從而降低了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。
      為了避免這種情況,對LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點選擇方法進(jìn)行改進(jìn)對 每個簇頭節(jié)點產(chǎn)生的區(qū)域進(jìn)行預(yù)先設(shè)定,使得每個區(qū)域僅產(chǎn)生一個簇頭;在已 經(jīng)分配好的簇區(qū)域內(nèi),選擇能量供給較強,位于該簇區(qū)域中心位置附近的執(zhí)行 器節(jié)點進(jìn)行簇頭輪換,選擇新簇頭節(jié)點,而不是每次在進(jìn)行簇頭選擇時重新劃 分簇,在所有節(jié)點內(nèi)進(jìn)行簇頭輪換,這樣使得簇頭節(jié)點總體分布均勻,充分利 用溫室執(zhí)行器節(jié)點能量供給強特點,簇內(nèi)和簇間能量消耗均衡,最大限度地提 高網(wǎng)絡(luò)的生存時間。
      第三步、網(wǎng)絡(luò)中間層內(nèi)信息傳輸能耗與時延模型建立。
      在以上分簇算法及簇頭節(jié)點選擇方法基礎(chǔ)上,按照低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇 最大空間范圍,建立信息傳輸能耗與時延模型。
      單個簇內(nèi)成員節(jié)點能耗W。。?!?。h是
      <formula>formula see original document page 11</formula>
      其中,L是數(shù)據(jù)包長度;E(elec)是傳輸和接收器線路的單數(shù)據(jù)包能量消
      耗;e (fs)是低功耗傳輸能量消耗系數(shù);山是簇內(nèi)成員節(jié)點到簇頭節(jié)點的距離,
      這個距離小于d。,因此能量消耗與山平方成正比。 簇頭節(jié)點的能耗W。h是
      <formula>formula see original document page 11</formula>
      其中,m是低層匯聚簇頭節(jié)點數(shù);N表示總節(jié)點數(shù);Wf是融合一個數(shù)據(jù)包 所需能量;e (mp)是非低功耗傳輸能量消耗系數(shù);d2是簇頭節(jié)點到中間層基 站節(jié)點的平均距離, 一般來說這個距離是遠(yuǎn)大于d。,因此能量消耗與&的4 次方成正比。
      單個簇內(nèi)能耗為W。h+( N/m-l)*Wn。n—。h (J)。中間層內(nèi)信息傳輸總能耗是 <formula>formula see original document page 11</formula>假設(shè)信息傳輸一次的時延為T。(如lms),不考慮通信排隊造成時延,不同
      的簇內(nèi)可以同時進(jìn)行信息傳輸。根據(jù)分簇的數(shù)目m,網(wǎng)絡(luò)完成一次信息交換所
      需要的時間是T(m)= T。水(N/m+m) (s) (4) 第四步、網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點配置多目標(biāo)優(yōu)化模型建立。 在建立起以上式(3)和(4)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸能耗與時延模型之后,應(yīng)用多 目標(biāo)優(yōu)化方法,建立網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點配置優(yōu)化模型。優(yōu)化的參數(shù)是無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點數(shù)m,優(yōu)化目標(biāo)是無線通信數(shù)據(jù)傳輸能耗和時延,綜合 達(dá)到最小。
      由于W(x)和T(x)單位量綱不同,數(shù)量級不同,因此,要使W(x)和T(x) 值均在同一數(shù)量級下,才能建立總體目標(biāo)優(yōu)化模型。由于能耗與延時相差4 個數(shù)量級,所以建立如下總體目標(biāo)優(yōu)化模型
      Z=104* w一fl(x) +w2*f2(x)。 (5)
      其中,fl(x)=W(m), f2(x)-T(m) , Wl和w2是目標(biāo)能耗和時延權(quán)重系數(shù), 均在0 1之間,且w,+w2=l。
      第五步,網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點配置多目標(biāo)優(yōu)化。
      根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和要求,調(diào)整目標(biāo)權(quán)重系數(shù)W"W2的值,能夠得到在 不同權(quán)重條件下最佳低層匯聚簇頭節(jié)點數(shù)m,以及總體最優(yōu)目標(biāo)值Z。以上得 到的總體目標(biāo)優(yōu)化模型為非線性約束最小優(yōu)化問題,采用SQP法求解非線性約 束優(yōu)化,通過MATLAB中fmincon函數(shù)來實現(xiàn)。
      如圖4所示,以典型單個5連棟溫室為一中間層,作為實例進(jìn)行優(yōu)化。單 棟溫室夸距10m長50m,溫室面積約2500m2,最多約部署120個無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)傳感器節(jié)點4或者執(zhí)行器節(jié)點5,空間大小和部署節(jié)點分布情況如圖4所示。 優(yōu)化參數(shù)是信息傳輸時每個包長 25bytes , E(elec)=50pJ , e (fs)=10pj/packet/m2 , e (mp) =0. 0013 pj/packet/m2. m2 ,簇頭融合每個數(shù)據(jù) 包所消耗的能量Wf=5nJ/packet。權(quán)重系數(shù)w,和W2分別取0. 5和0. 5,多目標(biāo) 優(yōu)化得到最佳簇頭節(jié)點數(shù)為10個。每個簇節(jié)點數(shù)為12個。分簇結(jié)果如圖4 內(nèi)虛線框所示,10個簇分別是Cl到CIO。
      1權(quán)利要求
      1.一種溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),由高層的基站節(jié)點(1)一端連接溫室群控制服務(wù)器終端(2)、另一端連接中間層的匯聚簇頭節(jié)點(3)及低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(4)組成,其特征在于根據(jù)溫室空間大小和部署節(jié)點分布情況,當(dāng)?shù)蛯拥臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(4)數(shù)量較多或者位置分布較廣時,由低層的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(4)和執(zhí)行器節(jié)點(5)組成低層簇,由低層簇頭節(jié)點(50)負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息收集、融合及控制指令下傳,并與中間層的匯聚簇頭節(jié)點(3)近距離無線通信;反之,當(dāng)節(jié)點數(shù)量較少或者位置分布較集中時,低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不分簇,所有低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(4)和執(zhí)行器節(jié)點(5)直接與中間層的匯聚簇頭節(jié)點(3)近距離無線通信。
      2. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),其特征在于低層的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(4)負(fù)責(zé)周圍信息采集,執(zhí)行器節(jié)點(5)或低層簇頭節(jié) 點(50)負(fù)責(zé)對信息調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動,其中的執(zhí)行器節(jié)點(5)兼作低層簇 頭節(jié)點(50)負(fù)責(zé)低層簇內(nèi)信息收集、融合及控制指令下傳,并與中間層的匯 聚簇頭節(jié)點(3)近距離無線通信;
      3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),其特征在于低層的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(4)由無線ZigBee模塊、傳感器信息調(diào)理電路及溫室環(huán) 境信息撿測傳感器和電源四部分組成,電源采用太陽能電池板及充電電池或者 千電池,并通過定時喚醒或者傳感器檢測信號變化超出閾值喚醒工作,工作結(jié) 束后立即進(jìn)入休眠狀態(tài)。
      4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),其特征在于低層執(zhí) 行器節(jié)點(5)或低層簇頭節(jié)點(50)由無線ZigBee模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動接口 電路及溫室環(huán)境信息調(diào)節(jié)執(zhí)行器和電源四部分組成,電源采用蓄電池或者太陽 能電池板及充電電池,始終處于通信接收工作狀態(tài),接收控制指令,通過控制 執(zhí)行器調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。
      5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),其特征在于中間層 的匯聚簇頭節(jié)點(3)負(fù)責(zé)中間層內(nèi)信息收集、融合及控制指令下傳,并與高層 的基站節(jié)點(1)遠(yuǎn)距離無線通信;高層的基站節(jié)點(1)負(fù)責(zé)整個溫室群內(nèi)信息收集、融合及控制指令下傳,并通過有線串行通信與溫室群控制服務(wù)器終端(2)通信,由溫室群控制服務(wù)器終端(2)對整個溫室群迸行計算機(jī)監(jiān)控和管 理。
      6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),其特征在于高層基站節(jié)點(1)由無線移動通信模塊、USB130通用串行總線模塊組成,USB130通用串行總線模塊一端通過USB串行口與溫室群控制服務(wù)器終端(2)連接,另一 端通過RS— 232串行口與無線移動通信模塊連接;溫室群控制服務(wù)器終端(2) 通過USB 口給無線移動通信模塊提供電源。
      7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng),其特征在于中間層 的匯聚簇頭節(jié)點(3)由無線移動通信模塊、無線ZigBee模塊和電源三部分組 成;無線ZigBee模塊與無線移動通信模塊通過RS— 232串行口連接,電源采用蓄電池或者太陽能電池板及充電電池。
      8. —種如權(quán)利要求1所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的分層分簇方法,包 括中間層分層方法和低層分簇方法,其特征在于依據(jù)中間層的匯聚簇頭節(jié)點(3)成本和運行費用,以及便于信息處理要求,確定配置中間層數(shù)量或者一個 中間層空間范圍;選擇中間層的匯聚簇頭節(jié)點(3)配置位置區(qū)域;根據(jù)網(wǎng)絡(luò)低 層匯聚簇頭節(jié)點(50)配置數(shù)量和位置對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時延、能耗影響,確定 分簇數(shù)和簇頭節(jié)點位置。
      9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的分層分簇方法,其特征在于根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的低層匯聚簇頭節(jié)點(50)進(jìn)行分簇,具體步驟如下第一步,根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗模型和低功耗信息傳輸距離,確定 低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單個簇最大空間范圍為以簇頭節(jié)點為圓心,半徑為低功耗信息傳輸距離d。的圓內(nèi);第二步,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點選擇方法基礎(chǔ)上, 對每個簇頭節(jié)點產(chǎn)生的區(qū)域進(jìn)行預(yù)先設(shè)定,使得每個區(qū)域僅產(chǎn)生一個簇頭,在已 經(jīng)分配好的簇區(qū)域內(nèi),選擇能量供給較強,位于該簇區(qū)域中心位置附近的執(zhí)行 器節(jié)點進(jìn)行簇頭輪換,選擇新簇頭節(jié)點;第三步,按照低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇最大空間范圍,建立信息傳輸能耗與時延模型如下單個簇內(nèi)成員節(jié)點能耗Wn。。-。h是W國—ch=L*E(elec)+L* £ (fs)求山2 (J) (1)其中,L是數(shù)據(jù)包長度;E(elec)是傳輸和接收器線路的單數(shù)據(jù)包能量消耗;e (fs)是低功耗傳輸能量消耗系數(shù);山是簇內(nèi)成員節(jié)點到簇頭節(jié)點的距離,這個距離小于d。,因此能量消耗與山平方成正比。 簇頭節(jié)點的能耗W。h是Wch=L*E(elec)*(N/ra-l)+Wf*N/m+L*E(elec)+L* e (mp)*d24 (J) (2) 其中,m是低層匯聚簇頭節(jié)點數(shù);N表示總節(jié)點數(shù);Wf是融合一個數(shù)據(jù)包所需能量;e (mp)是非低功耗傳輸能量消耗系數(shù);d2是簇頭節(jié)點到中間層基站節(jié) 點的平均距離, 一般來說這個距離是遠(yuǎn)大于d。,因此能量消耗與d2的4次方成 正比。單個簇內(nèi)能耗為W。h+( N/m-l)*Wn。n-。h (J)。中間層內(nèi)信息傳輸總能耗是 W (m) =m*(Wch+(N/m-l)*Wn。n—ch) (J) (3) 假設(shè)信息傳輸一次的時延為T。(如lms),不考慮通信排隊造成時延,不同的簇內(nèi)可以同時進(jìn)行信息傳輸。根據(jù)分簇的數(shù)目m,網(wǎng)絡(luò)完成一次信息交換所需要的時間是T(m)= T。 * (N/m+m) ( s) (4) 第四步,應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法,建立網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點配置優(yōu)化模型。優(yōu)化的參數(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點數(shù)m,優(yōu)化目標(biāo)是無線通信數(shù)據(jù)傳輸能耗和時延,綜合達(dá)到最小。建立如下總體目標(biāo)優(yōu)化模型Z=10、 w,fl(x) +w2*f2(x)。 (5) 其中,fl(x)=W(m), f2(x)=T(m) , w:和W2是目標(biāo)能耗和時延權(quán)重系數(shù),均在0 1之間,且W!+W2二l 。第五步,根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和要求,調(diào)整目標(biāo)權(quán)重系數(shù)1,W2的值,能夠得到在不同權(quán)重條件下最佳低層匯聚簇頭節(jié)點數(shù)m,以及總體最優(yōu)目標(biāo)值Z。以 上得到的總體目標(biāo)優(yōu)化模型(5)為非線性約束最小優(yōu)化問題,采用SQP法求解 非線性約束優(yōu)化,通過MATLAB中fmincon()函數(shù)來實現(xiàn)。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種溫室三層次無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)及分層分簇方法,綜合應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線移動網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),由高層基站節(jié)點及溫室群控制終端、中間層匯聚簇頭節(jié)點、低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成三層次無線網(wǎng)絡(luò),依據(jù)節(jié)點成本和運行費用,以及便于信息處理要求,配置中間層的匯聚簇頭節(jié)點,通過對經(jīng)典LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點的選擇方法改進(jìn),應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法,實現(xiàn)低層匯聚簇頭節(jié)點配置優(yōu)化,有利于降低信息傳輸時延、成本和功耗,提高信息傳輸效率,系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在溫室,以及大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施,醫(yī)院大樓,賓館或飯店大廈,大會堂、演播大廳、大型商場超市等其它室內(nèi)環(huán)境,實現(xiàn)信息無線檢測與控制。
      文檔編號H04L12/28GK101651584SQ20081001975
      公開日2010年2月17日 申請日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
      發(fā)明者鋒 張, 張世慶, 張衛(wèi)華, 張夏蓉, 張西良, 李伯全, 李萍萍, 毛翠云, 王新忠, 王紀(jì)章, 胡永光, 袁俊杰 申請人:江蘇大學(xué)
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