基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于安全應(yīng)急監(jiān)控與通信領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN)的迅猛發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，尤其是在 一些工業(yè)園區(qū)中對(duì)不同狀況的監(jiān)控，一旦發(fā)生突發(fā)情況，一個(gè)高效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為 重要。目前針對(duì)WSN的研究基本上化圍信快速，網(wǎng)絡(luò)壽命長(zhǎng)化及成本低為目的。形成的模式 主要為對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)首先選擇合適的簇頭，然后根據(jù)不同算法進(jìn)行分簇，最后簇頭之間路由 協(xié)議選擇最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)信息，最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的目的。所W對(duì)于WSN的研究可W從簇頭的選 擇、簇的形成、簇頭之間的通信路由該幾方面進(jìn)行。早期簇頭選擇有學(xué)者提出LEACH協(xié)議， 每輪通信都對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0到1的隨機(jī)數(shù)，與特定的口 限值進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，但是該種方法沒有考慮能量的消耗，D邸C 算法在LEACH的基礎(chǔ)上考慮了能量的消耗，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)壽命的延長(zhǎng)起到了一定的作用，分簇 方法的研究目前比較熱口，但是都是基于整體一次性考慮，在之后的通信過程中不會(huì)根據(jù) 實(shí)際情況再進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡，通信次數(shù)增加后影響網(wǎng)絡(luò)性能，一個(gè)更加良好的負(fù)載平衡 的選擇需要重點(diǎn)研究，簇頭之間的路由協(xié)議的研究主要是根據(jù)簇頭剩余能量、簇頭間距離、 跳數(shù)等因素形成目標(biāo)函數(shù)，利用一些算法得到最優(yōu)解，該些算法主要有粒子群算法（PSO)、 遺傳算法（GA)、蟻群算法等。
[0003] W網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，在對(duì)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，每次通信后不同網(wǎng)關(guān)節(jié) 點(diǎn)的剩余能量W及周圍節(jié)點(diǎn)對(duì)其的負(fù)載都發(fā)生變化，如果不重新進(jìn)行簇的選擇，勢(shì)必影響 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率W及網(wǎng)絡(luò)壽命，為了解決固定分簇后簇頭及簇的能量和負(fù)載不均衡的 問題，發(fā)明一套負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法很有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的 無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中固定分簇后簇頭及簇的能量和負(fù)載不均衡 的問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)，包括監(jiān)控中屯、、光纖、傳輸基站、多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、W及多個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)；
[0006] 所述監(jiān)控中屯、用于接收從傳輸基站中傳輸來的數(shù)據(jù)信息并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處 理；
[0007] 所述傳輸基站包括光纖交換機(jī)，用于接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，并通過光纖傳輸 到監(jiān)控中屯、；
[000引所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)部署于監(jiān)測(cè)區(qū)域中，其通信半徑R和初始能量E均大于感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，可W與多個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)通信，接收感應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，對(duì)信息進(jìn)行融合并轉(zhuǎn)發(fā)到傳輸基站；
[0009] 所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)部署于監(jiān)測(cè)區(qū)域中，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間 不進(jìn)行通信，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的信息發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)在每次通信后根 據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和負(fù)載均衡動(dòng)態(tài)重新分配到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
[0010] 作為本發(fā)明的基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述監(jiān)控中屯、 包括多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器。
[0011] 作為本發(fā)明的基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) 包括；微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、W及電源，其中，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的傳感器、 無線收發(fā)器與微處理器及存儲(chǔ)器相連；所述無線收發(fā)器用于接收和發(fā)送無線電磁波；所述 微處理器及存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，并處理控制無線收發(fā)器及傳感器的運(yùn)行；所述電 源用于提供電能。
[0012] 作為本發(fā)明的基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 包括；微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、W及電源，其中，所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器、 無線收發(fā)器與微處理器及存儲(chǔ)器相連；所述無線收發(fā)器用于接收和發(fā)送無線電磁波；所述 感應(yīng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器感知周圍環(huán)境的溫度、濕度、氣體濃度信息；所述微處理器和存儲(chǔ)器用 于存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，并處理控制無線收發(fā)器及傳感器的運(yùn)行；所述電源用于提供電能。
[0013] 本發(fā)明還提供一種基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè)方法，包括步驟：
[0014] 1)根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)嶋H情況部署M個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、N個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)、W及若干個(gè)傳輸基 站；
[0015] 2)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送包括ID信息的自身信息，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)接收到相應(yīng)的信息， 根據(jù)自身的通信半徑rW及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的ID信息進(jìn)行計(jì)算得到自身通信半徑范圍內(nèi)的網(wǎng)關(guān) 節(jié)點(diǎn)；
[0016]如感應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送包括負(fù)載信息的自身信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到相應(yīng)信息，對(duì)信息進(jìn) 行融合計(jì)算，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果首次被分配到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
[0017] 4)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)周圍信息，感應(yīng)到相應(yīng)的信息，發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) 對(duì)信息進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)發(fā)到傳輸基站，傳輸基站將信息通過光纖傳送到監(jiān)控中屯、，監(jiān)控中屯、 對(duì)信息進(jìn)行處理；
[001引 5)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和負(fù)載能力動(dòng)態(tài)分配到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
[0019] 6)重復(fù)進(jìn)行步驟4)及5)。
[0020] 作為本發(fā)明的基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè)方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)包括 W下步驟：
[0021] 3-1)感知節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)初始能量分別為氏和Eg，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的初始負(fù)載設(shè)為W， 通信半徑均為r，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的ID信息，計(jì)算出網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 的距離為1，如果1<1，則感應(yīng)節(jié)點(diǎn)屬于該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，依次計(jì)算不同感應(yīng)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的 距離，得到不同感應(yīng)節(jié)點(diǎn)屬于哪些網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
[0022] 3-2)對(duì)于只屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)a的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)集合，分配該些感應(yīng)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)a;
[002引3-扣計(jì)算不同感應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)a的總負(fù)載為巧中P,(a)表 示不同感應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)a的負(fù)載貢獻(xiàn)概率，為第S個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的 倒數(shù)，0《P,(a)《1，第S個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)只屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)a時(shí)P,(a) = 1，第S個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)不 屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)a時(shí)Ps(a) = 0 ;
[0024] 3-4)依次計(jì)算Ml個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的總負(fù)載d=(d1，(I2......dm)；
[0025] 3-5)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)b比較該Ml個(gè)節(jié)點(diǎn)的總負(fù)載，選擇總負(fù)載最小的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)m加入；
[0026] 3-6)更新網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)m的總負(fù)載，為dm=dm+W-Pb(m)*W;
[0027] 3-7)更新其他Mi-1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的總負(fù)載為屯，=d,-P? *W，其中，（X= 1,2......Ml)U(X聲m);
[002引 3-8)其他屬于多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)比較自己所在不同網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離 山選擇最小的距離d對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)加入；
[0029] 3-9)按照步驟3-1)~3-8)的方法得到其他屬于多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)最終選 擇的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，直到所有感應(yīng)節(jié)點(diǎn)分配完畢。
[0030] 作為本發(fā)明的基于負(fù)載動(dòng)態(tài)平衡的無線監(jiān)測(cè)方法的一