[發明專利]基于無線傳感器網絡的智能樓宇能耗監測系統

無效

• 申請號: 201110044579.8
• 申請日: 2011-02-24
• 公開（公告）號: CN102176149A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 馮遠靜;樂浩成;陶沁沁;王彬;王哲進
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

1.基于無線傳感器網絡的智能樓宇能耗監測系統，其特征在于：包括數據采集模塊、Zigbee無線拓撲結構、數據中心；

所述數據采集模塊包括數據采集器，所述數據采集器設置在建筑大樓的每層樓，用于采集每層樓每個房間配設的樓宇智能設備能耗的數據信號；

所述數據采集器連接到Zigbee無線拓撲結構上，所述Zigbee無線拓撲結構包括Zigbee遠程節點和Zigbee中心節點，每幢建筑大樓布設有一個對應的所述Zigbee遠程節點，所述Zigbee遠程節點用于將從數據采集器接收到的數據信號轉發到所述Zigbee中心節點；

所述Zigbee中心節點將接收到的數據信號傳輸到數據中心，所述數據中心包括服務器端、客戶端，所述服務器端包括建筑能耗分析系統，所述建筑能耗分析系統用于實時分析和精確診斷每幢建筑大樓的能耗，將結果傳輸給客戶端并在客戶端顯示；

所述Zigbee遠程節點和所述Zigbee中心節點是基于競爭機制的無線傳感器網絡分簇路由算法布局；所述基于競爭機制的無線傳感器網絡分簇路由算法如下：

1)簇頭選擇機制

基于競爭機制的無線傳感器網絡分簇路由算法在簇頭選擇時，將剩余能量高于網絡平均能量設定值的節點成為候選簇頭，定義節點競爭為候選簇頭的條件：

Eres＞＝a·Eave????(1)

在每一輪的簇建立之前，節點都查看其當前剩余能量Eres和上一輪末網絡平均剩余能量Eave，當Eres＞＝a·Eave時，此節點產生隨機數，參與簇頭競爭；反之，當Eres＜a·Eave時，節點能量有限，則節點就處于休眠狀態，不參與簇頭競爭，直至簇頭選擇結束，其中a為候選簇頭競爭系數，范圍為(0，1]之間，a·Eave為網絡平均能量設定值；

再建立擬物力模型，對簇頭個數和簇內負載加以優化，在擬物力模型中，假設在每一輪簇建立過程中，把已產生的簇頭節點看作通信半徑為R的“簇頭圓盤”，設參與簇頭選擇并未被“簇頭圓盤”覆蓋的候選節點對其鄰近的“簇頭圓盤”具有吸引力，而已經被“簇頭圓盤”覆蓋的候選節點受“屏蔽效應”的影響對“簇頭圓盤”不具有吸引力，定義參與簇頭選擇的第k個候選節點v_k對已產生的第i個“簇頭圓盤”S_i的擬物力函數如下：

fik=R2dik2,vk∉Σn=1NSn,dik>R0,else---(2)]]>

其中d_ik表示候選節點和“簇頭圓盤”圓心之間的距離，R²充當“簇頭圓盤”的質量，N為已選出來簇頭個數，表示只有未被覆蓋的候選節點才能對“簇頭圓盤”產生引力；

在參考擬物力模型下，對簇頭選擇閾值T(n)引入擬物力進行約束，改進后的閾值計算公式為：

T′′(n)=p1-p·[rmod(1/p)]·exp(-R2/dik2)---(3)]]>

2)簇形成過程

簇頭選擇結束以后，簇頭節點便在其通信范圍內廣播“簇頭信息”，告訴其它節點自己已是簇頭，普通節點在收到各個簇頭的廣播消息后，要選擇一個簇頭成為該簇的一個成員；

普通節點成簇方式如下：a.引入通信代價公式(6)來決定普通節點加入哪個簇；b.普通節點與簇頭間的擬物力作用來成簇；

兩種成簇方式依據普通節點依概率公式(4)競爭成簇，普通節點首先產生一個0～1之間的隨機概率rand，根據rand所在區間選擇成簇方式，ε是自定義系數，區間為[0，1]；當rand在[0，ε)內，普通節點按照通信代價公式(6)成簇；當rand在[ε，1]內，普通節點按照擬物力公式(5)成簇；

min{cost(j,i)},rand∈[0,ϵ)argmax(fi),rand∈[ϵ,1]---(4)]]>

fi=R2dtoCh(i)---(5)]]>

R為簇頭的通信半徑，d_toCh(i)為普通節點到簇頭i的距離，計算節點與簇頭i的擬物力f_i，選擇f_i最大的簇頭為自己的簇頭；

cost(j,i)=w·d(Pj,Chi)df_max+(1-w)·d(Chi,BS)-dg_mindg_max-dg_min---(6)]]>

其中：d_{f_max}＝max{d(P_j，Ch_i)}；d_{g_min}＝min{d(Ch_i，BS)}；d_{g_max}＝max{d(Ch_i，BS)}

cost(j，i)是節點P_j加入簇頭i的代價；d(P_j，Ch_i)是節點到簇頭的距離；d(Ch_i，BS)是簇頭i到基站的距離；權值w的設置則是根據具體應用，在成員節點能量與簇頭能量耗費之間的折衷，目標是最大化網絡生命周期；節點P_j選擇最小cost(j，i)的簇頭i加入；

普通節點選取cost(j，i)最小或者f_i最大的簇頭作為自己的簇頭后，發送“請求加入簇”消息通知簇頭；

簇頭節點接收到所有的“請求加入簇”消息后，為簇內成員分配時間槽，生成TDMA消息，并發送給該簇內所有成員節點，當簇內成員節點接收到該消息后，就會保存自己的時間槽；

3)能耗分析

普通節點消耗的能量包括接收“簇頭消息”、發送“請求加入簇”消息和發送數據包的能耗，公式如下：

E_{R_CP}＝CP·E_elec

ET_CP=CP·Eelec+CP·Efs·dCh2---(7)]]>

ET_DP=DP·Eelec+DP·Efs·dCh2]]>

其中，E_elec表示發射和接收單位比特數據消耗的能量，E_fs表示功率放大器消耗單位比特數據的能量，CP是控制包的大小，DP是數據包的大小，d_Ch是簇內成員節點到簇頭的距離；

簇頭消耗的能量包括廣播“簇頭信息”、接收“請求加人簇”消息、接收數據包、融合數據和轉發數據到Sink節點五部分的能耗，如式(8)所示，

E_{B_CP}＝CP·E_elec+CP·E_fs·R²

E_{R_CP＝CP}·E_elec

E_{R_DP}＝DP·E_elec??????????????(8)

E_Df＝DP·E_df

ET_DP=DP·df·Eelec+DP·df·Efs·dCh_Sink2]]>

其中E_df表示融合單位比特數據所消耗的能量，E_{B_CP}為廣播簇頭信息消耗的能量，R為節點通信半徑，d_f是融合系數，d_{Ch_Sink}是簇頭節點到Sink節點的距離。