一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法及装置，综合考虑各种主要影响因素，利用矛盾矩阵表得出相应的创新解决原理并从中选择合适可行的原理加以应用；接着依据分离和反馈原理，以LEACH为基础进行改进，综合考虑节点能量、节点相关性以及容量比多个因素，并对节点权值进行反馈修正，从而实现节点负载均衡，在复杂的环境监测中优化簇头的选择，使得网络的生命周期更加持久，实现簇头‑汇聚节点‑基站三位一体化环境实时监测系统，更加准确持久地收集相关数据信息，同时通过模拟仿真试验验证了优化模型可以有效地降低能耗，延长网络的生命周期。

A method and device for collecting cluster data for environmental monitoring

The invention discloses a clustering data collection method and device node for environmental monitoring, comprehensive consideration of various main factors, using the contradiction matrix and draw the corresponding innovation to solve principle and select the appropriate and feasible principle to be applied; then according to the separation and feedback principle, on the basis of LEACH is improved, considering the the energy of the node and node capacity than the correlation and multiple factors, and feedback correction to the node weights, so as to realize the load balance, optimize the cluster head in the environmental monitoring in the complex choice, making the network life cycle more lasting, the cluster head node base three integrated environment real-time monitoring system, more accurate long to collect relevant data information at the same time, through the simulation test proves that the optimization model can effectively reduce the energy consumption, prolong The life cycle of the network.

【技术实现步骤摘要】
一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法及装置
本专利技术属于城市环境监测的
，尤其是涉及一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法及装置。
技术介绍
随着集成电路、无线通信、传感器等技术的飞速发展，小体积、多功能、低功耗、低成本的微型传感器逐渐进入人们的生活，引起人们的关注。无线传感网络是一种分布式网络，通过节点的合理部署，感知和收集数据，并传输到基站。传感器节点借助于内置的微型传感器，可以感测环境信号，同时也能采集温度、湿度、光强度、土壤成分、速度和方向等人们感兴趣的物理量，较适合于应用在环境的长期监测领域。虽然无线传感器网络的功能集成度和性价比相对来说比较高，但是，因为其保持较低的节点成本，导致存在能量有限、节点的计算能力不高、数据传输的可靠性低的问题，因此该网络不太适用于复杂的传输环境。目前，传感器网络主要通过增加传输冗余来提高数据传输的可靠性，如多路径或重传，然而这些方法会造成能耗增加、能效降低以及缩短网络生命周期。此外，无线传感器网络在环境监测的数据采集过程中存在的瓶颈：能耗问题、采集数据高度相关性问题以及网络拓扑结构的动态性问题。为此，研究有效的节点分簇数据收集方法，这也成为研究无线传感器网络在环境监测应用中的重要内容。综上所述，针对现有技术在利用无线传感器网络进行环境监测采集数据时如何进一步降低节点能耗、延长网络的生命周期的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，解决现有技术在利用无线传感器网络进行环境监测采集数据时如何进一步降低节点能耗、延长网络的生命周期的问题，本专利技术提供了一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法及装置，在利用无线传感器网络进行环境监测采集数据时有效实现降低节点能耗、延长网络的生命周期。本专利技术的第一目的是提供一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法，该方法包括：利用TRIZ矛盾矩阵将无线传感器网络进行分析求解，得到解决原理；根据解决原理基于LEACH算法建立传感器节点能耗模型和指标评价体系；接收各个传感器节点的状态参数，根据传感器节点能耗模型和指标评价体系，进行传感器节点的簇头选择与分簇；优化簇头的选择，建立数据采集优化模型，进行环境数据收集。作为进一步的优选方案，得到的所述解决原理包括分离原理和反馈原理；所述分离原理包括空间分离、时间分离、条件分离以及整体与局部分离。作为进一步的优选方案，根据分离原理进行无线传感器网络中传感器节点的簇头选择、分簇和节点间的数据通信；根据反馈原理进行簇头选择的合理性优化。作为进一步的优选方案，所述指标评价体系包括：在假设基础上，采用客观赋权重的熵权法对各因素赋予权重并求各指标的信息熵，确定指标的综合系数；根据指标的综合系数建立目标决策函数，用于表示每个传感器节点的权重值。作为进一步的优选方案，所述传感器节点的状态参数包括节点的剩余能量、节点相关性和节点容量比。作为进一步的优选方案，所述传感器节点的簇头选择的具体步骤包括：将接收的节点的剩余能量、节点相关性和节点容量比的传感器节点的状态参数根据指标评价体系中的目标决策函数计算传感器节点的权重值；将传感器节点的权重值与预设的第一阈值进行比较，大于第一阈值的传感器节点选择为簇头。作为进一步的优选方案，所述传感器节点分簇的具体步骤包括：根据选择的簇头，传感器节点自动加入到最近的簇头形成的一定范围内，进行传感器节点的分簇；在传感器节点的分簇过程中，簇头容纳能力与节点数目比值大于1时，传感器节点才可自动加入。作为进一步的优选方案，所述传感器节点分簇完成后，进行非簇头节点向簇头节点发送数据的具体步骤包括：当非簇头节点的区域密度和数据大小大于第二阈值，且需要传送给簇头时，再根据簇头所分配自己的传输时隙来进行传送，簇头在数据通信阶段保持接收状态。作为进一步的优选方案，该方法不断地循环执行传感器节点簇的重构，在每轮结束后，更新所有传感器节点的状态参数，去除死亡的传感器节点。作为进一步的优选方案，该方法利用BP神经网络反馈修正传感器节点权值进行进一步优化簇头的选择。本专利技术的第二目的是提供一种电子设备。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种电子设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：利用TRIZ矛盾矩阵将无线传感器网络进行分析求解，得到解决原理；根据解决原理基于LEACH算法建立传感器节点能耗模型和指标评价体系；接收各个传感器节点的状态参数，根据传感器节点能耗模型和指标评价体系，进行传感器节点的簇头选择与分簇；优化簇头的选择，建立数据采集优化模型，进行环境数据收集。本专利技术的第三目的是提供一种计算机可读存储介质。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种计算机可读存储介质，其中存储有多条计算机可执行指令，所述指令适于由终端设备设备的处理器加载并执行以下处理：利用TRIZ矛盾矩阵将无线传感器网络进行分析求解，得到解决原理；根据解决原理基于LEACH算法建立传感器节点能耗模型和指标评价体系；接收各个传感器节点的状态参数，根据传感器节点能耗模型和指标评价体系，进行传感器节点的簇头选择与分簇；优化簇头的选择，建立数据采集优化模型，进行环境数据收集。这些计算机可执行指令在设备中运行时使得该设备执行根据本公开中的各个实施例所描述的方法或过程。本专利技术的有益效果：1、本专利技术所述的一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法及装置，随着不断地循环执行传感器节点簇的重构轮次数目的增加，网络总剩余能量在减少；在开始执行程序时，本专利技术所提出的改进方法相对于LEACH来说，本专利技术每轮节点的能耗较小，优势更加明显。2、本专利技术所述的一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法及装置，随着工作轮数的增加，本专利技术相对于经典的LEACH算法来说，在每轮工作后，节点的存活数更多，更具优势，可以有效减少节点的能耗，从而延长网络的生命周期。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术中的方法流程图；图2是TRIZ解决问题的过程流程图；图3是TRIZ解决WSN数据采集问题流程图；图4是BP神经网络权值修改流程图；图5是本专利技术构建的数据采集优化模型整体结构图。具体实施方式：下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法，其特征在于，该方法包括：利用TRIZ矛盾矩阵将无线传感器网络进行分析求解，得到解决原理；根据解决原理基于LEACH算法建立传感器节点能耗模型和指标评价体系；接收各个传感器节点的状态参数，根据传感器节点能耗模型和指标评价体系，进行传感器节点的簇头选择与分簇；优化簇头的选择，建立数据采集优化模型，进行环境数据收集。

【技术特征摘要】
1.一种用于环境监测的节点分簇数据收集方法，其特征在于，该方法包括：利用TRIZ矛盾矩阵将无线传感器网络进行分析求解，得到解决原理；根据解决原理基于LEACH算法建立传感器节点能耗模型和指标评价体系；接收各个传感器节点的状态参数，根据传感器节点能耗模型和指标评价体系，进行传感器节点的簇头选择与分簇；优化簇头的选择，建立数据采集优化模型，进行环境数据收集。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，得到的所述解决原理包括分离原理和反馈原理；所述分离原理包括空间分离、时间分离、条件分离以及整体与局部分离。根据分离原理进行无线传感器网络中传感器节点的簇头选择、分簇和节点间的数据通信；根据反馈原理进行簇头选择的合理性优化。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述指标评价体系包括：在假设基础上，采用客观赋权重的熵权法对各因素赋予权重并求各指标的信息熵，确定指标的综合系数；根据指标的综合系数建立目标决策函数，用于表示每个传感器节点的权重值。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器节点的状态参数包括节点的剩余能量、节点相关性和节点容量比。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器节点的簇头选择的具体步骤包括：将接收的节点的剩余能量、节点相关性和节点容量比的传感器节点的状态参数根据指标评价体系中的目标决策函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李焱，杜萍，盖敏，陈建欣，李信金，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37