[發(fā)明專利]一種基于互聯(lián)網(wǎng)控制的蒸球溫度自動連續(xù)測量系統(tǒng)

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201710505191.0
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107300428A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳衡
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢萬千無限科技有限公司
• 主分類號: G01K13/00
• 分類號: G01K13/00;H04L29/08;H04W4/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11401
• 代理人: 楊采良

1.一種基于互聯(lián)網(wǎng)控制的蒸球溫度自動連續(xù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述基于互聯(lián)網(wǎng)控制的蒸球溫度自動連續(xù)測量系統(tǒng)包括：溫度可調(diào)功率源、無線電能傳輸裝置、負載、溫度調(diào)節(jié)控制器；所述溫度可調(diào)功率源發(fā)送信號給無線電能傳輸裝置；

所述無線電能傳輸裝置包括無線電能接收裝置、無線電能發(fā)射裝置和輸出電壓調(diào)節(jié)裝置；所述無線電能傳輸裝置通過導(dǎo)線與負載相連接；

所述無線電能傳輸接收裝置發(fā)送紅外信號給溫度控制器；

所述溫度控制器根據(jù)無線電能傳輸接收裝置反饋的信號得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而根據(jù)控制溫度與傳輸距離的關(guān)系對溫度可調(diào)功率源進行溫度調(diào)節(jié)；

所述溫度控制器設(shè)置有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊的數(shù)據(jù)聚合方法包括：

步驟一、部署無線傳感器：在面積為S＝W×L的檢測區(qū)域內(nèi)，將無線傳感器部署在檢測區(qū)域；所述無線傳感器量測模型如下：

Y_A(t_k-1)、Y_A(t_k)、Y_A(t_k+1)分別為溫度傳感器A對目標在t_k-1,t_k,t_k+1時刻的本地笛卡爾坐標系下的量測值，分別為：

YA(tk-1)=Y′A(tk-1)-CA(tk-1)ξA(tk-1)+nYA(tk-1);]]>

YA(tk)=Y′A(tk)-CA(tk)ξA(tk)+nYA(tk);]]>

YA(tk+1)=Y′A(tk+1)-CA(tk+1)ξA(tk+1)+nYA(tk+1);]]>

其中，Y'_A(t_k-1)、Y'_A(t_k)、Y'_A(t_k+1)分別為溫度傳感器A在t_k-1,t_k,t_k+1時刻的本地笛卡爾坐標系下的真實位置；C_A(t)為誤差的變換矩陣；ξ_A(t)為溫度傳感器的系統(tǒng)誤差；為系統(tǒng)噪聲，假設(shè)為零均值、相互獨立的高斯型隨機變量，噪聲協(xié)方差矩陣分別為R_A(k-1)、R_A(k)、R_A(k+1)；

步驟二、選擇簇頭：將整個檢測區(qū)域按網(wǎng)格進行均勻劃分，使每個網(wǎng)格的大小形狀相同，在每個網(wǎng)格中選擇位置距離網(wǎng)格中心最近的傳感器節(jié)點作為簇頭；

步驟三、分簇：簇頭選擇完成后，簇頭廣播Cluster{ID，N，Hop}信息，其中，ID為節(jié)點的編號，N為Cluster信息轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，且N的初值為0，Hop為系統(tǒng)設(shè)定的跳數(shù)；處于簇頭附近的鄰居節(jié)點收到Cluster信息后N增加1再轉(zhuǎn)發(fā)這一信息，直到N＝Hop就不再轉(zhuǎn)發(fā)Cluster信息；簇頭的鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)Cluster 信息后再向?qū)luster信息轉(zhuǎn)發(fā)給自己的鄰居節(jié)點，然后發(fā)送一個反饋信息Join{ID，N，E_ir，d_ij，k_i}給將Cluster信息轉(zhuǎn)發(fā)給自己的節(jié)點，最終將Join信息轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭表示自己加入該簇，其中，E_ir表示該節(jié)點此時的剩余能量，d_ij表示兩節(jié)點間的距離，k_i表示該節(jié)點能夠監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)包的大小；如果一個節(jié)點收到了多個Cluster信息，節(jié)點就選擇N值小的加入該簇，若N相等節(jié)點就隨便選擇一個簇并加入到該簇；如果節(jié)點沒有收到Cluster信息，則節(jié)點發(fā)送Help信息，加入離自己最近的一個簇；

步驟四、簇內(nèi)節(jié)點構(gòu)成簡單圖模型：通過步驟三得到簇內(nèi)所有節(jié)點在簇內(nèi)所處的位置，將每個節(jié)點當做圖的一個頂點，每兩個相鄰節(jié)點間用邊相連接；

步驟五、簇內(nèi)權(quán)值的計算：通過所述步驟三，簇頭獲取簇內(nèi)成員節(jié)點的E_ir、d_ij和k_i，計算相鄰兩節(jié)點i，j之間的權(quán)值，權(quán)值的計算公式為：

W_ij＝a₁(E_ir+E_jr)+a₂d_ij+a₃(k_i+k_j)；

其中，E_jr、k_j分別表示節(jié)點j的剩余能量和節(jié)點j能夠監(jiān)測得的數(shù)據(jù)的大小，且a₁+a₂+a₃＝1，這樣系統(tǒng)就可以根據(jù)系統(tǒng)對E_ir、d_ij或k_i所要求的比重不同調(diào)整a_i的值而得到滿足不同需要的權(quán)值；

所述溫度可調(diào)功率源內(nèi)置有功率監(jiān)測模塊，所述功率監(jiān)測模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)與溫度控制器連接；功率監(jiān)測模塊用于接收信號s(t)廣義二階循環(huán)累積量按如下公式進行：

GCs,20β=GMs,20β;]]>

接收信號s(t)的特征參數(shù)M²的理論值具體計算公式為：

GCs,20β=1NΣk=1Na(k)a(k)|ln|a(k)||2;]]>

經(jīng)過計算可知，BPSK信號和MSK信號的均為1，QPSK、8PSK、16QAM和64QAM信號的均為0，由此可以用最小均方誤差分類器將BPSK、MSK信號與QPSK、8PSK、16QAM、64QAM信號分開；對于BPSK信號而言，在廣義循環(huán)累積量幅度譜上僅在載頻位置存在一個明顯譜峰，而MSK信號在兩個溫度處各有一個明顯譜峰，由此可通過特征參數(shù)M²和檢測廣義循環(huán)累積量幅度譜的譜峰個數(shù)將BPSK信號與MSK信號識別出來；

檢測廣義循環(huán)累積量幅度譜的譜峰個數(shù)的具體方法如下：

首先搜索廣義循環(huán)累積量幅度譜的最大值Max及其位置對應(yīng)的循環(huán)溫度α₀，將其小鄰域[α₀-δ₀,α₀+δ₀]內(nèi)置零，其中δ₀為一個正數(shù)，若|α₀-f_c|/f_c＜σ₀，其中δ₀為一個接近0的正數(shù)，f_c為信號的載波溫度，則判斷此信號類型為BPSK信號，否則繼續(xù)搜索次大值Max1及其位置對應(yīng)的循環(huán)溫度α₁；若|Max-Max1|/Max＜σ₀，并且|(α₀+α₁)/2-f_c|/f_c＜σ₀，則判斷此信號類型為MSK信號；

溫度控制器得到每個節(jié)點初始的剩余能量E_ir后，通過LEACH能耗模型來估算節(jié)點能量的剩余值，在進行了M輪后，節(jié)點的剩余能量可以估算為：E＝E_ir-M(E_tx+E_rx)＝E_ir-M(2kE_elec+kε_{free-space-amp}d²)，所述E_ir即為節(jié)點反饋給簇頭的剩余能量；

所述LEACH能耗模型是LEACH協(xié)議提出的傳感器在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時能量消耗的消耗模型，其具體表達形式為：

Etx(k,d)=Etx-elec(k)+Etx-amp(k,d)=kEelec+kϵfree-space-ampd2,d≤d0kEelec+kϵtwo-way-ampd2,d≥d0;]]>

E_rx(k)＝E_re-elec(k)＝kE_elec；

其中，E_elec表示無線收發(fā)電路能耗，ε_{free-space-amp}和ε_two-way-amp分別表示自由空間模型和多路消耗模型的放大器能耗，d₀是常數(shù)，d是通信節(jié)點相隔距離，k為要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)位數(shù)，E_tx(k,d)和E_rx(k)分別表示傳感器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時的能耗；通過LEACH能耗模型即可得到所述節(jié)點的剩余能量；

所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊把信息收集區(qū)域進行網(wǎng)絡(luò)剖分，剖分后Sink節(jié)點把所有信息進行廣播，使得每個節(jié)點知道其所取的網(wǎng)格及位置的實現(xiàn)方法為：

在電流的影響下，WSN節(jié)點處于位置不固定狀態(tài)，因此節(jié)點的定位計算需要不斷地進行，為方便計算,Sink節(jié)點首先將其目標區(qū)域剖分為正方體網(wǎng)格，對給定區(qū)域G計算出區(qū)域G的最大長度l、寬度w和高度h,將子區(qū)域P劃分為個正方體，并將得到的剖分信息廣播給網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點,其中為大于等于x的最小整數(shù),并對網(wǎng)格進行編號,每個網(wǎng)格表示為W_x,y,z，節(jié)點的位置信息記作pos_x,y,z，顯然,按上述方法構(gòu)造的每個正方形,其外接圓的半徑正好為傳感器節(jié)點的傳感半徑的一半；由假定條件可知，在同一個網(wǎng)格內(nèi)部的節(jié)點都能夠覆蓋整個網(wǎng)格，且相鄰的二網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點能夠自由通信；按三維三標方法對網(wǎng)格進行編碼，最靠近Sink的格點為W₀₀₀；同時把整個網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點進行編號，并記作集合SW(P_i)，i∈{0,1,2……}。