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(shí)時(shí)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(huì)堂、演 播大廳、大型商場超市等現(xiàn)代溫室需要對(duì)室內(nèi)各種環(huán)境信息和各種狀況信息進(jìn) 行實(shí)時(shí)檢測與控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)施管理和環(huán)境調(diào)控自動(dòng)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(hào)傳輸線 和動(dòng)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(dòng)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(diǎn)數(shù)量、調(diào)整節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)各種信息，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)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(jià)微型傳 感器(或執(zhí)行器)節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。它 是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)，不同的應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象，對(duì)時(shí)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(diǎn)部署情 況，因此具有簡單易用、可靠、高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)，但時(shí)延大，實(shí)時(shí)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(diǎn)構(gòu)成 微量爆炸物無線動(dòng)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(jí)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(diǎn)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳 輸?shù)墓歉晒?jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)建立低時(shí)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(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 其下層由構(gòu)成多個(gè)簇的普通無線傳感器節(jié)點(diǎn)和下層中心節(jié)點(diǎn)，上層中心節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和功率較強(qiáng)，能對(duì)下層中心節(jié)點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)的剩余能量入手，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù) 剩余電池能量自適應(yīng)地設(shè)置定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)到達(dá)時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)成為"簇首"并 廣播消息，而其相鄰節(jié)點(diǎn)選擇加入這個(gè)簇成為"普通節(jié)點(diǎn)"，由此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被 劃分為"簇首"和"普通節(jié)點(diǎn)"，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(gè)階段實(shí)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(gè)階段，通過分簇算法構(gòu)建最 大獨(dú)立集，將整個(gè)節(jié)點(diǎn)集合劃分為簇首以及普通節(jié)點(diǎn)兩個(gè)集合，在第二個(gè)階段， 尋找網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將簇首連接起來，形成一個(gè)連通支配集。以上三個(gè)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(diǎn)的傳輸功 率，但均沒有結(jié)合溫室結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)，并且基于IP協(xié)議的INTERNET網(wǎng)絡(luò)往 往由于堵塞實(shí)時(shí)性得不到保證，總的功耗和時(shí)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(duì)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(shí)延下，高效傳輸信息，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán) 境等各種信息無線實(shí)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)及低層的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，根據(jù)溫室空間大小和部署節(jié)點(diǎn)分布情況，當(dāng)?shù)蛯拥臒o線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多或者位置分布較廣時(shí)，由低層的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行 器節(jié)點(diǎn)組成低層簇，由低層簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)近距離無線通信；反之，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少或者位置 分布較集中時(shí)，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(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)直接與中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)成本和運(yùn)行費(fèi)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(gè)中間層空間范圍；選擇中間層的匯
聚簇頭節(jié)點(diǎn)配置位置區(qū)域；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)低層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)配置數(shù)量和位置對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時(shí)延、能耗影響，確定分簇?cái)?shù)和簇頭節(jié)點(diǎn)位置。
本發(fā)明根據(jù)溫室特點(diǎn)構(gòu)建系統(tǒng)，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等技 術(shù)，采用由高層基站節(jié)點(diǎn)及溫室群控制終端、中間層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)、低層無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成三層次無線網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)節(jié)點(diǎn)成本和運(yùn)行費(fèi)用，以及便于信 息處理要求，配置中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)經(jīng)典LEACH分簇算法及簇頭 節(jié)點(diǎn)的選擇方法改進(jìn)，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)低層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)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(shí)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(huì)堂、演播大廳、大型商場超市等其它室內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)信息無線 檢測與控制。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)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(diǎn)，2.溫室群控制服務(wù)器終端，3.中間層的匯聚簇頭 節(jié)點(diǎn)，4.低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，5.低層執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，50.低層匯聚簇頭 節(jié)點(diǎn)。
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(dòng)通
信鏈路。
圖2是圖1中高層基站節(jié)點(diǎn)1和中間層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)3組成結(jié)構(gòu)示意圖， 其中，(a)圖是基站節(jié)點(diǎn)1組成結(jié)構(gòu)，(b)圖是中間層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)3組成 結(jié)構(gòu)。
圖3是圖1中低層節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)圖是低層傳感器節(jié)點(diǎn) 4組成結(jié)構(gòu)，(b)圖是低層執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)5組成結(jié)構(gòu)。
圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，是單個(gè)5連棟溫室低層簇區(qū)域劃 分及簇頭節(jié)點(diǎn)配置示意圖。
具體實(shí)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(diǎn)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(diǎn)3、低層的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)4和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)5、兼作低層簇頭節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)1由無線移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)3由無線移動(dòng)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(dòng)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(qiáng)，既具有無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通信功能，與低層節(jié)點(diǎn)近距離無線通信，又具有無線移動(dòng)通信功能，與 基站節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)喚醒或者傳感器檢測信號(hào)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(diǎn)5(或低層簇頭節(jié)點(diǎn)50)由無線ZigBee模塊(如CC2430 模塊)53、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)，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(diǎn)4負(fù)責(zé)周圍信息采集，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)5 (或50) 負(fù)責(zé)對(duì)某種信息調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；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(diǎn)5兼作低層簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)少(如小于30點(diǎn))，而分布又集中時(shí)(如在直徑40m圓內(nèi))， 也可以不分簇，所有低層傳感器節(jié)點(diǎn)4和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)5直接以單跳方式與中間
8層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)3近距離無線通信；中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)1遠(yuǎn)距離無線通信；
高層的基站節(jié)點(diǎn)1負(fù)責(zé)整個(gè)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(duì)整個(gè)溫室群進(jìn)行計(jì)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(diǎn)成本和運(yùn)行費(fèi)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(gè)中間層空間范圍；根據(jù)中間層 的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)，選擇中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)配置數(shù)量和 位置對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時(shí)延、能耗影響，確定分簇?cái)?shù)和簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)愈少，單個(gè)簇空間范圍愈 大，匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)與一般傳感器節(jié)點(diǎn)之間距離愈大，根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(shí)延增加。反之配置的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)愈多，低層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn) 與中間層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)之間距離愈大，將導(dǎo)致其間數(shù)據(jù)傳輸能耗和時(shí)延將愈 大。另一方面，低層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)配置位置愈均勻，單個(gè)低層簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn) 能耗愈均勻，網(wǎng)絡(luò)壽命愈長，并且每個(gè)低層簇?cái)?shù)據(jù)傳輸時(shí)延愈均勻，整個(gè)中間 層內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延愈小。因此需要對(duì)匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)配置優(yōu)化，有合適的匯聚簇 頭節(jié)點(diǎn)選擇方法，使得中間層內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸能耗和時(shí)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(diǎn)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(diǎn)選擇方法基礎(chǔ)上，結(jié)合溫室執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)能量供給較強(qiáng)特點(diǎn)，對(duì)LEACH 分簇算法及簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇方法進(jìn)行改進(jìn)，使得簇頭節(jié)點(diǎn)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(shí)間；根據(jù)改進(jìn)的分簇算法及簇頭節(jié)點(diǎn)的選 擇方法，建立網(wǎng)絡(luò)中間層內(nèi)信息傳輸能耗與時(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)數(shù)，使得數(shù)據(jù)傳 輸能耗和時(shí)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，采用由高層基站節(jié)點(diǎn)及溫室群控制終端、中間層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)、低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成三層次無線網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)節(jié)點(diǎn)成本和 運(yùn)行費(fèi)用，以及便于信息處理要求，配置中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)經(jīng)典 LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇方法改進(jìn)，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)低層 匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)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(shí)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(huì)堂、演播大廳、大型商場超市等其它 室內(nèi)環(huán)境，實(shí)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(gè)中間層空間范 圍，中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)配置位置區(qū)域，實(shí)現(xiàn)中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)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(gè)中間層空間范圍。 考慮中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)3成本約是一般傳感器節(jié)點(diǎn)4成本的3倍，盡 管無線移動(dòng)通信信息傳輸費(fèi)用很低，但當(dāng)信息量大，傳輸次數(shù)多時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用 相對(duì)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(diǎn) 3。再考慮單個(gè)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(gè)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(gè)中間層區(qū)域，配置 一 個(gè)中間層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)配置位置區(qū)域。
由于中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)3采用太陽能充電電池或者蓄電池供電，能量 供應(yīng)較強(qiáng)，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(dòng)通 信覆蓋范圍大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)和選擇合適低層簇頭節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)延，單個(gè)簇最大區(qū)域規(guī)定在以簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(huì)在網(wǎng)絡(luò)中分簇并重新選舉新簇頭。簇頭節(jié)點(diǎn)選擇方法是每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨 機(jī)產(chǎn)生o-i之間的一個(gè)值，如果某節(jié)點(diǎn)的值小于某一個(gè)閥值，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成 為簇頭節(jié)點(diǎn)，選定該簇頭節(jié)點(diǎn)后，通過廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。LEACH分簇算法及 簇頭節(jié)點(diǎn)選擇特點(diǎn)是以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù) 載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，但可能導(dǎo)致產(chǎn)生的簇頭節(jié)點(diǎn)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(shí)間。
為了避免這種情況，對(duì)LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點(diǎn)選擇方法進(jìn)行改進(jìn)對(duì) 每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的區(qū)域進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，使得每個(gè)區(qū)域僅產(chǎn)生一個(gè)簇頭；在已 經(jīng)分配好的簇區(qū)域內(nèi)，選擇能量供給較強(qiáng)，位于該簇區(qū)域中心位置附近的執(zhí)行 器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇頭輪換，選擇新簇頭節(jié)點(diǎn)，而不是每次在進(jìn)行簇頭選擇時(shí)重新劃 分簇，在所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行簇頭輪換，這樣使得簇頭節(jié)點(diǎn)總體分布均勻，充分利 用溫室執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)能量供給強(qiáng)特點(diǎn)，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(shí)間。
第三步、網(wǎng)絡(luò)中間層內(nèi)信息傳輸能耗與時(shí)延模型建立。
在以上分簇算法及簇頭節(jié)點(diǎn)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(shí)延模型。
單個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)能耗W。。?！?。h是
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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(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離，
這個(gè)距離小于d。，因此能量消耗與山平方成正比。 簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)；N表示總節(jié)點(diǎn)數(shù)；Wf是融合一個(gè)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(diǎn)到中間層基 站節(jié)點(diǎn)的平均距離， 一般來說這個(gè)距離是遠(yuǎn)大于d。，因此能量消耗與&的4 次方成正比。
單個(gè)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(shí)延為T。(如lms)，不考慮通信排隊(duì)造成時(shí)延，不同
的簇內(nèi)可以同時(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)m，優(yōu)化目標(biāo)是無線通信數(shù)據(jù)傳輸能耗和時(shí)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(jí)不同，因此，要使W(x)和T(x) 值均在同一數(shù)量級(jí)下，才能建立總體目標(biāo)優(yōu)化模型。由于能耗與延時(shí)相差4 個(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)。
如圖4所示，以典型單個(gè)5連棟溫室為一中間層，作為實(shí)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(gè)無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)4或者執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)5，空間大小和部署節(jié)點(diǎn)分布情況如圖4所示。 優(yōu)化參數(shù)是信息傳輸時(shí)每個(gè)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(gè)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(diǎn)數(shù)為10個(gè)。每個(gè)簇節(jié)點(diǎn)數(shù)為12個(gè)。分簇結(jié)果如圖4 內(nèi)虛線框所示，10個(gè)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(diǎn)(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(diǎn)(3)及低層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(4)組成，其特征在于根據(jù)溫室空間大小和部署節(jié)點(diǎn)分布情況，當(dāng)?shù)蛯拥臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(4)數(shù)量較多或者位置分布較廣時(shí)，由低層的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(4)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)(5)組成低層簇，由低層簇頭節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)(3)近距離無線通信；反之，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少或者位置分布較集中時(shí)，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(diǎn)(4)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)(5)直接與中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)(4)負(fù)責(zé)周圍信息采集，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)(5)或低層簇頭節(jié) 點(diǎn)(50)負(fù)責(zé)對(duì)信息調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其中的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)(5)兼作低層簇 頭節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)(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(diǎn)(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(shí)喚醒或者傳感器檢測信號(hào)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(diǎn)(5)或低層簇頭節(jié)點(diǎn)(50)由無線ZigBee模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)(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(diǎn)(1)遠(yuǎn)距離無線通信；高層的基站節(jié)點(diǎn)(1)負(fù)責(zé)整個(gè)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(duì)整個(gè)溫室群迸行計(jì)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(diǎn)(1)由無線移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)(3)由無線移動(dòng)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(dòng)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(diǎn)(3)成本和運(yùn)行費(fèi)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(gè) 中間層空間范圍；選擇中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)(3)配置位置區(qū)域；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)低 層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)(50)配置數(shù)量和位置對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時(shí)延、能耗影響，確定 分簇?cái)?shù)和簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(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(diǎn)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(gè)簇最大空間范圍為以簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)選擇方法基礎(chǔ)上， 對(duì)每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的區(qū)域進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，使得每個(gè)區(qū)域僅產(chǎn)生一個(gè)簇頭，在已 經(jīng)分配好的簇區(qū)域內(nèi)，選擇能量供給較強(qiáng)，位于該簇區(qū)域中心位置附近的執(zhí)行 器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇頭輪換，選擇新簇頭節(jié)點(diǎn)；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(shí)延模型如下單個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離，這個(gè)距離小于d。，因此能量消耗與山平方成正比。 簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)；N表示總節(jié)點(diǎn)數(shù)；Wf是融合一個(gè)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(diǎn)到中間層基站節(jié) 點(diǎn)的平均距離， 一般來說這個(gè)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(gè)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(shí)延為T。(如lms)，不考慮通信排隊(duì)造成時(shí)延，不同的簇內(nèi)可以同時(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)m，優(yōu)化目標(biāo)是無線通信數(shù)據(jù)傳輸能耗和時(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，由高層基站節(jié)點(diǎn)及溫室群控制終端、中間層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)、低層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成三層次無線網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)節(jié)點(diǎn)成本和運(yùn)行費(fèi)用，以及便于信息處理要求，配置中間層的匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)經(jīng)典LEACH分簇算法及簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇方法改進(jìn)，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)低層匯聚簇頭節(jié)點(diǎn)配置優(yōu)化，有利于降低信息傳輸時(shí)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(huì)堂、演播大廳、大型商場超市等其它室內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)信息無線檢測與控制。
文檔編號(hào)H04L12/28GK101651584SQ20081001975
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:江蘇大學(xué)