農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可再生能源節(jié)點部署方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可再生能源節(jié)點部署方法及系統(tǒng)，涉及農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，其中，包括：在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行普通電池節(jié)點部署，根據(jù)預(yù)設(shè)成本和普通電池節(jié)點數(shù)量確定待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量，遍歷所述普通電池節(jié)點，將最大的期望可節(jié)約能耗所對應(yīng)的普通電池節(jié)點作為待替換節(jié)點，將其替換為可再生能源節(jié)點，并將所述待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量減1，判斷所述待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量是否為0，若是，結(jié)束流程，否則部署下一個可再生能源節(jié)點。由此上述方法解決了現(xiàn)有技術(shù)農(nóng)田監(jiān)測應(yīng)用中預(yù)設(shè)成本約束的問題，且最大限度的延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。
【專利說明】農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可再生能源節(jié)點部署方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可 再生能源節(jié)點部署方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,簡稱WSN)能夠方便、精確地獲 取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實時環(huán)境信息，已成為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有農(nóng)田無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用電池供電方式，存在嚴(yán)重的能量約束，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大規(guī)模 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用瓶頸之一。另外，在農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，存在無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多、部署面積大和分布不均等問題，使得電池更換十分麻煩。因此，能量 供給問題成為制約農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的首要問題。
[0003] 近年來，可再生能源節(jié)點成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的新思路，例如引入農(nóng)田環(huán)境 中的太陽能、風(fēng)能等資源來解決農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量供給的問題?，F(xiàn)有技術(shù)的可再生 能源節(jié)點部署方法中，先針對普通電池節(jié)點進(jìn)行部署，再通過將部署后的主要節(jié)點進(jìn)行可 再生能源節(jié)點替換，完成可再生能源節(jié)點的部署。
[0004] 然而，上述方法只是簡單定性分析了能耗問題，并沒有進(jìn)行可再生能源節(jié)點的位 置與網(wǎng)絡(luò)能耗關(guān)聯(lián)分析，得出最佳可再生能源節(jié)點位置；另外，現(xiàn)有技術(shù)沒有對可再生能源 節(jié)點的數(shù)量進(jìn)行限制，均按需要配備，并沒有考慮預(yù)設(shè)成本約束問題，無法進(jìn)行實際應(yīng)用； 最后，農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并非越多越好，現(xiàn)有技術(shù)并沒考慮到新增一個可再生能源 節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)生命周期的邊際收益如何，是否存在成本與網(wǎng)絡(luò)壽命間的均衡點問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署方法及系 統(tǒng)，解決了農(nóng)田監(jiān)測應(yīng)用中預(yù)設(shè)成本約束的問題，且最大限度的延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0006] -方面，本發(fā)明提供一種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署方法，包括：
[0007] S1、在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署普通電池節(jié)點；
[0008] S2、根據(jù)預(yù)設(shè)成本和普通電池節(jié)點的數(shù)量確定待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量；
[0009] S3、遍歷所述普通電池節(jié)點，計算將遍歷到的當(dāng)前普通電池節(jié)點替換為可再生能 源節(jié)點時其對周邊普通電池節(jié)點的期望可節(jié)約能耗，將最大的期望可節(jié)約能耗所對應(yīng)的普 通電池節(jié)點作為待替換節(jié)點；
[0010] S4、將所述待替換節(jié)點替換為可再生能源節(jié)點，并將所述待部署可再生能源節(jié)點 數(shù)量減1，判斷所述待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量是否為〇,若是，則結(jié)束流程，否則返回步驟 S3〇
[0011] 可選地，所述步驟S3中，所述期望可節(jié)約能耗通過下式計算，
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可再生能源節(jié)點部署方法，其特征在于，包括： 51、 在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署普通電池節(jié)點； 52、 根據(jù)預(yù)設(shè)成本和普通電池節(jié)點的數(shù)量確定待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量； 53、 遍歷所述普通電池節(jié)點，計算將遍歷到的當(dāng)前普通電池節(jié)點替換為可再生能源節(jié) 點時其對周邊普通電池節(jié)點的期望可節(jié)約能耗，將最大的期望可節(jié)約能耗所對應(yīng)的普通電 池節(jié)點作為待替換節(jié)點； 54、 將所述待替換節(jié)點替換為可再生能源節(jié)點，并將所述待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量 減1，判斷所述待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量是否為〇,若是，則結(jié)束流程，否則返回步驟S3。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中，所述期望可節(jié)約能耗通過 下式計算，
其中，EsaVei為當(dāng)前普通電池節(jié)點i對應(yīng)的期望可節(jié)約能耗，Ph為當(dāng)前普通電池節(jié)點 i的第j個周邊普通電池節(jié)點的期望能耗，
叫為當(dāng) 前普通電池節(jié)點i的節(jié)點度，1為當(dāng)前普通電池節(jié)點i的第j個周邊普通電池節(jié)點的節(jié)點 度，1為當(dāng)前普通電池節(jié)點i采集上傳的數(shù)據(jù)長度，Rs為普通電池節(jié)點的通信半徑，ε fs為 普通電池節(jié)點進(jìn)行半徑Rs內(nèi)通信時的衰減因子，ε mp為普通電池節(jié)點與其他可再生能源節(jié) 點或匯聚節(jié)點通信時的衰減因子，E&為當(dāng)前普通電池節(jié)點i內(nèi)部處理電路的功耗，(^為當(dāng) 前普通電池節(jié)點i的第j個周邊普通電池節(jié)點到匯聚節(jié)點的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中，將所述最大的期望可節(jié)約 能耗所對應(yīng)的普通電池節(jié)點作為待替換節(jié)點具體包括： 判斷所述最大的期望可節(jié)約能耗所對應(yīng)的普通電池節(jié)點是否唯一，若是，則將所述最 大的期望可節(jié)約能耗所對應(yīng)的普通電池節(jié)點作為待替換節(jié)點；否則選取所述最大的可期望 節(jié)約能耗對應(yīng)的普通電池節(jié)點中與匯聚節(jié)點距離最遠(yuǎn)的一個作為待替換節(jié)點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3與所述步驟S4之間，還包括： A101 :將所述待替換節(jié)點作為簇首，采用動態(tài)成簇方法生成可再生能源簇； A102 :若所述可再生能源簇存在孤島節(jié)點，對所述待替換節(jié)點位置進(jìn)行調(diào)整。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟A102中，對所述待替換可再生能 源節(jié)點位置進(jìn)行調(diào)整具體包括： 遍歷所述待電池節(jié)點的鄰居節(jié)點，尋找包含所有孤島節(jié)點的鄰居節(jié)點集合Vl ; 若所述鄰居節(jié)點集合Vl中只有一個鄰居節(jié)點，將該鄰居節(jié)點作為新的待替換節(jié)點，并 執(zhí)行步驟S4,否則尋找所述鄰居節(jié)點集合Vl中期望可節(jié)約能耗最大的鄰居節(jié)點集合v2 ; 若所述鄰居節(jié)點集合v2中只有一個鄰居節(jié)點，將該鄰居節(jié)點作為新的待替換節(jié)點，并 執(zhí)行步驟S4,否則尋找所述鄰居節(jié)點集合v2中可達(dá)鄰居節(jié)點數(shù)量最大的鄰居節(jié)點集合v3 ; 若所述鄰居節(jié)點集合v3中只有一個鄰居節(jié)點，將該鄰居節(jié)點作為新的待替換節(jié)點，并 執(zhí)行步驟S4,否則尋找所述鄰居節(jié)點集合v3中與所述待替換節(jié)點距離最近的鄰居節(jié)點，將 該鄰居節(jié)點作為新的待替換節(jié)點。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟S3與所述步驟S4之 間，還包括： 計算將所述待替換節(jié)點替換為可再生能源節(jié)點時的邊際收益，判斷所述邊際收益是否 不大于預(yù)設(shè)值；若是，則直接結(jié)束流程，否則執(zhí)行步驟S4 ; 其中，所述邊際收益根據(jù)EL^f_和ELaftCT計算獲得，ELbef_為所述待替換節(jié)點的網(wǎng)絡(luò) 期望壽命，ELaftCT為將所述待替換節(jié)點替換為可再生能源節(jié)點時的網(wǎng)絡(luò)期望壽命。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述邊際收益通過下式計算， ELmr ELbefore ELafter 其中
^為普通電池節(jié)點的初始能量，En為待替換節(jié)點的期 望能耗，EmS將所述待替換節(jié)點替換為可再生能源節(jié)點時的期望能耗，所述節(jié)點m為除所述 待替換節(jié)點之外的其他節(jié)點中期望能耗最高的節(jié)點。
8. -種農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可再生能源節(jié)點部署系統(tǒng)，其特征在于，包括： 普通電池節(jié)點部署單元，用于在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署普通電池節(jié)點； 確定單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)成本和普通電池節(jié)點的數(shù)量確定待部署可再生能源節(jié)點數(shù) 量； 待替換單元，用于遍歷所述普通電池節(jié)點，計算將遍歷到的當(dāng)前普通電池節(jié)點替換為 可再生能源節(jié)點時其對周邊普通電池節(jié)點的期望可節(jié)約能耗，將最大的期望可節(jié)約能耗所 對應(yīng)的普通電池節(jié)點作為待替換節(jié)點； 第一判定單元，用于將所述待替換節(jié)點替換為可再生能源節(jié)點，并將所述待部署可再 生能源節(jié)點數(shù)量減1，判斷所述待部署可再生能源節(jié)點數(shù)量是否為0。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括： 生成單元，用于將所述待替換節(jié)點作為簇首，采用動態(tài)成簇方法生成可再生能源簇； 調(diào)整單元，若所述可再生能源簇存在孤島節(jié)點，用于對所述待替換節(jié)點位置進(jìn)行調(diào)整。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括： 第二判斷單元，用于計算將所述待替換節(jié)點替換為可再生能源節(jié)點時的邊際收益，判 斷所述邊際收益是否不大于預(yù)設(shè)值。
【文檔編號】H04W16/18GK104219683SQ201410411868
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】繆祎晟, 吳華瑞, 李飛飛, 李慶學(xué), 馬為紅 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心