[发明专利]温室三层次无线网络测控系统及其分层分簇方法

权利要求书

1.一种温室三层次无线网络测控系统，由高层的基站节点(1)一端连接温室群控制服务器终端(2)、另一端连接中间层的汇聚簇头节点(3)及低层的无线传感器网络节点(4)组成，其特征在于：根据温室空间大小和部署节点分布情况，当低层的无线传感器网络节点(4)数量较多或者位置分布较广时，由低层的传感器网络节点(4)和执行器节点(5)组成低层簇，由低层簇头节点(50)负责簇内信息收集、融合及控制指令下传，并与中间层的汇聚簇头节点(3)近距离无线通信；反之，当节点数量较少或者位置分布较集中时，低层的无线传感器网络不分簇，所有低层的无线传感器网络节点(4)和执行器节点(5)直接与中间层的汇聚簇头节点(3)近距离无线通信。

2.根据权利要求2所述的温室三层次无线网络测控系统，其特征在于：低层的无线传感器网络节点(4)负责周围信息采集，执行器节点(5)或低层簇头节点(50)负责对信息调节的执行机构驱动，其中的执行器节点(5)兼作低层簇头节点(50)负责低层簇内信息收集、融合及控制指令下传，并与中间层的汇聚簇头节点(3)近距离无线通信；

3.根据权利要求1所述的温室三层次无线网络测控系统，其特征在于：低层的无线传感器网络节点(4)由无线ZigBee模块、传感器信息调理电路及温室环境信息检测传感器和电源四部分组成，电源采用太阳能电池板及充电电池或者干电池，并通过定时唤醒或者传感器检测信号变化超出阈值唤醒工作，工作结束后立即进入休眠状态。

4.根据权利要求1所述的温室三层次无线网络测控系统，其特征在于：低层执行器节点(5)或低层簇头节点(50)由无线ZigBee模块、执行机构驱动接口电路及温室环境信息调节执行器和电源四部分组成，电源采用蓄电池或者太阳能电池板及充电电池，始终处于通信接收工作状态，接收控制指令，通过控制执行器调节温室环境。

5.根据权利要求1所述的温室三层次无线网络测控系统，其特征在于：中间层的汇聚簇头节点(3)负责中间层内信息收集、融合及控制指令下传，并与高层的基站节点(1)远距离无线通信；高层的基站节点(1)负责整个温室群内信息收集、融合及控制指令下传，并通过有线串行通信与温室群控制服务器终端(2)通信，由温室群控制服务器终端(2)对整个温室群进行计算机监控和管理。

6.根据权利要求1所述的温室三层次无线网络测控系统，其特征在于：高层基站节点(1)由无线移动通信模块、USB130通用串行总线模块组成，USB130通用串行总线模块一端通过USB串行口与温室群控制服务器终端(2)连接，另一端通过RS-232串行口与无线移动通信模块连接；温室群控制服务器终端(2)通过USB口给无线移动通信模块提供电源。

7.根据权利要求1所述的温室三层次无线网络测控系统，其特征在于：中间层的汇聚簇头节点(3)由无线移动通信模块、无线ZigBee模块和电源三部分组成；无线ZigBee模块与无线移动通信模块通过RS-232串行口连接，电源采用蓄电池或者太阳能电池板及充电电池。

8.一种如权利要求1所述的温室三层次无线网络测控系统的分层分簇方法，包括中间层分层方法和低层分簇方法，其特征在于：依据中间层的汇聚簇头节点(3)成本和运行费用，以及便于信息处理要求，确定配置中间层数量或者一个中间层空间范围；选择中间层的汇聚簇头节点(3)配置位置区域；根据网络低层汇聚簇头节点(50)配置数量和位置对网络信息传输时延、能耗影响，确定分簇数和簇头节点位置。

9.根据权利要求8所述的温室三层次无线网络测控系统的分层分簇方法，其特征在于：根据网络的低层汇聚簇头节点(50)进行分簇，具体步骤如下：

第一步，根据无线传感器网络节点能耗模型和低功耗信息传输距离，确定低层无线传感器网络单个簇最大空间范围为以簇头节点为圆心，半径为低功耗信息传输距离d₀的圆内；

第二步，在无线传感器网络LEACH分簇算法及簇头节点选择方法基础上，对每个簇头节点产生的区域进行预先设定，使得每个区域仅产生一个簇头，在已经分配好的簇区域内，选择能量供给较强，位于该簇区域中心位置附近的执行器节点进行簇头轮换，选择新簇头节点；

第三步，按照低层无线传感器网络簇最大空间范围，建立信息传输能耗与时延模型如下：

单个簇内成员节点能耗W_non-ch是：

W_non-ch＝L*E(elec)+L*ε(fs)*d₁²    (J)            (1)

其中，L是数据包长度；E(elec)是传输和接收器线路的单数据包能量消耗；ε(fs)是低功耗传输能量消耗系数；d₁是簇内成员节点到簇头节点的距离，这个距离小于d₀，因此能量消耗与d₁平方成正比。

簇头节点的能耗W_ch是：

Wch＝L*E(elec)*(N/m-1)+W_f*N/m+L*E(elec)+L*ε(mp)*d₂⁴  (J)    (2)

其中，m是低层汇聚簇头节点数；N表示总节点数；W_f是融合一个数据包所需能量；ε(mp)是非低功耗传输能量消耗系数；d₂是簇头节点到中间层基站节点的平均距离，一般来说这个距离是远大于d₀，因此能量消耗与d₂的4次方成正比。

单个簇内能耗为W_ch+(N/m-1)*W_non-ch(J)。中间层内信息传输总能耗是：

W(m)＝m*(W_ch+(N/m-1)*W_non-ch)    (J)            (3)

假设信息传输一次的时延为T₀(如1ms)，不考虑通信排队造成时延，不同的簇内可以同时进行信息传输。根据分簇的数目m，网络完成一次信息交换所需要的时间是：

T(m)＝T₀*(N/m+m)    (s)            (4)

第四步，应用多目标优化方法，建立网络低层汇聚簇头节点配置优化模型。优化的参数是无线传感器网络中簇头节点数m，优化目标是无线通信数据传输能耗和时延，综合达到最小。

建立如下总体目标优化模型：

Z＝10⁴*w₁*f1(x)+w₂*f2(x)。                    (5)

其中，f1(x)＝W(m)，f2(x)＝T(m)，w₁和w₂是目标能耗和时延权重系数，均在0～1之间，且w₁+w₂＝1。

第五步，根据不同的应用环境和要求，调整目标权重系数w₁，w₂的值，能够得到在不同权重条件下最佳低层汇聚簇头节点数m，以及总体最优目标值Z。以上得到的总体目标优化模型(5)为非线性约束最小优化问题，采用SQP法求解非线性约束优化，通过MATLAB中fmincon()函数来实现。