一種面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法
【專利摘要】一種面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，它包括以下步驟：采用滑動(dòng)遞推方法對(duì)傳感器獲取的設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，獲取序列方差，利用萊特準(zhǔn)則對(duì)前述設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列進(jìn)行異常值檢測(cè)；基于拋物線方程自適應(yīng)確定設(shè)施環(huán)境控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)所能容許的誤差閾值；在傳感器節(jié)點(diǎn)端和服務(wù)器端建立一階線性回歸模型，同時(shí)在服務(wù)器端融入自適應(yīng)加權(quán)算法以適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署冗余的情況，獲取傳感器融合結(jié)果。該方法能夠在指定精度要求情況下最大限度減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，從而有效減少能量浪費(fèi)和數(shù)據(jù)沖突。
【專利說(shuō)明】一種面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息農(nóng)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)多采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，隨著ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用普及，國(guó)內(nèi)外基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)逐漸增多。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)方式有很多優(yōu)點(diǎn)，給設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)了很多方便，但大量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸所引起的能量浪費(fèi)和數(shù)據(jù)沖突又成為了一個(gè)隨之而來(lái)的新問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，研究者分別從MAC層協(xié)議和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)融合算法出發(fā)，尋找合適傳輸方法。盡管這兩種思路均能減少數(shù)據(jù)沖突和降低能量浪費(fèi)，但是相比之下，采用數(shù)據(jù)融合算法直接降低網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸量更為有效。通過(guò)數(shù)據(jù)融合將節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集的一批數(shù)據(jù)進(jìn)行本地?cái)M合，然后將模型參數(shù)傳輸至網(wǎng)關(guān)，雖然大幅度降低了數(shù)據(jù)量，但同時(shí)也產(chǎn)生了顯著的傳輸延遲，并且這些方法多數(shù)復(fù)雜度較高，會(huì)產(chǎn)生大量的運(yùn)算能耗。鑒于本地?cái)M合的缺點(diǎn)，部分研究者嘗試將建模過(guò)程轉(zhuǎn)移到網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器上，提出采用如回歸、滑動(dòng)平均、指數(shù)平滑和最小均方差以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型進(jìn)行雙端預(yù)測(cè)的方式降低數(shù)據(jù)量，而這種雙端預(yù)測(cè)模型在數(shù)據(jù)波動(dòng)較大時(shí)需要頻繁傳遞模型參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)設(shè)施無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸所引起的能量浪費(fèi)和數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題，結(jié)合設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)曲線呈分段線性特征以及設(shè)施環(huán)境控制策略的特點(diǎn)，提出一種面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，該方法能夠在指定精度要求情況下最大限度減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，從而有效減少能量浪費(fèi)和數(shù)據(jù)沖關(guān)。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0005]一種面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，它包括以下步驟:
[0006](I)采用滑動(dòng)遞推方法對(duì)傳感器獲取的設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，獲取序列方差，利用萊特準(zhǔn)則對(duì)前述設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列進(jìn)行異常值檢測(cè)；
[0007](2)、基于拋物線方程自適應(yīng)確定設(shè)施環(huán)境控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)所能容許的誤差閾值；
[0008](3)、分別在傳感器節(jié)點(diǎn)端和服務(wù)器端建立一階線性回歸模型，同時(shí)在服務(wù)器端融入自適應(yīng)加權(quán)算法以適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署冗余的情況，獲取傳感器融合結(jié)果。
[0009]本發(fā)明的步驟(I)具體包括:
[0010](A)、設(shè)定一個(gè)長(zhǎng)度為k的窗口在設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列上滑動(dòng)，傳感器每產(chǎn)生I個(gè)新的數(shù)據(jù)，窗口在序列上向前移動(dòng)I個(gè)單位采集周期，計(jì)算時(shí)刻1-Ι的均值右/-1)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差 S (1-Ι):
【權(quán)利要求】
1.一種面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征是它包括以下步驟: (1)采用滑動(dòng)遞推方法對(duì)傳感器獲取的設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，獲取序列方差，利用萊特準(zhǔn)則對(duì)前述設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列進(jìn)行異常值檢測(cè)； (2)、基于拋物線方程自適應(yīng)確定設(shè)施環(huán)境控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)所能容許的誤差閾值； (3)、分別在傳感器節(jié)點(diǎn)端和服務(wù)器端建立一階線性回歸模型，同時(shí)在服務(wù)器端融入自適應(yīng)加權(quán)算法以適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署冗余的情況，獲取傳感器融合結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征是所述的步驟(1)具體包括: (A)、設(shè)定一個(gè)長(zhǎng)度為k的窗口在設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)序列上滑動(dòng)，傳感器每產(chǎn)生I個(gè)新的數(shù)據(jù)，窗口在序列上向前移動(dòng)I個(gè)單位采集周期，計(jì)算時(shí)刻i_l的均值I)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差S(1-l):
X{1-\) = jx X X{j)
i /-1_ 2
5:?(/-l) = —X Χ[^(/),?(/-1)]
人、I j-1 k ~ 其中:k表不窗口的長(zhǎng)度，k ^ 15 ；i表不傳感器米集設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)的時(shí)刻，X(j)表不在時(shí)刻j傳感器采集的設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)值，叉(〖-1)表示時(shí)刻i_l內(nèi)傳感器采集的設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)的均值；S(i_l)表示時(shí)刻1-Ι內(nèi)傳感器采集的設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差； (B)、計(jì)算時(shí)刻i內(nèi)設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)的均值f(/_)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差S(i): m-xa-^Xii)-X{1-k)

k
…L,,,.? [X(i)-X(i~k)]2 \X(i)-X(1-k)Ux(1-k) + X(i)-2X(1-\)\
?(2) = '|Λ (/-1) -~.-+-—- Vkx(k~\ )K-1 (C)、序列異常值檢測(cè):如果序列中設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)值x(i)>3S(i)，則該值為異常值，剔除異常值后的序列將形成空缺，對(duì)于空缺值采用χα-ι)時(shí)刻的值進(jìn)行填補(bǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征是所述的步驟(2)具體包括: (A)、建立拋物線方程: ξ = aX2+bX+c 其中:ξ是設(shè)施環(huán)境控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)所能容許的誤差閾值，即傳感器采集的實(shí)際數(shù)據(jù)與一階線性回歸預(yù)測(cè)的傳感器數(shù)值之間的誤差閾值，X為傳感器數(shù)據(jù)，a，b和c是拋物線方程參數(shù)； (B)、代入三個(gè)特征點(diǎn):(r:1n,u、H)和(K)求取拋物線方程參數(shù)；其中:傳感器所在的設(shè)施環(huán)境中作物該數(shù)據(jù)采集時(shí)期的適宜溫度為[Tmin，Tmax]，τ是溫度下限Tfflin附近的一個(gè)值，滿足<c，同理，Tmax是溫度上限Tmax附近的一個(gè)值，滿足Tmax＜Tmax，Tmid則等于
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征是所述的步驟(3)具體包括: (A)、分別在傳感器節(jié)點(diǎn)端和遠(yuǎn)程服務(wù)器端建立一階線性回歸方程:
Y(m) = a X m+b 其中:m為窗口序列中的某一時(shí)刻，Y(m)為時(shí)刻m傳感器數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的一階線性回歸方程預(yù)測(cè)的傳感器數(shù)值，a和b是方程參數(shù)，根據(jù)最小二乘法，可得參數(shù)a，b為:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向設(shè)施環(huán)境控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征是采用傳統(tǒng)的Heartbeat通信檢測(cè)機(jī)制，規(guī)定傳感器節(jié)點(diǎn)每隔Ih向服務(wù)器發(fā)送一條Heartbeat信息，作為判斷節(jié)點(diǎn)是否失效的依據(jù)，如果服務(wù)器在周期到時(shí)未收到該消息，則觸發(fā)網(wǎng)關(guān)采用CSMA-CA機(jī)制向指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送Hello消息，節(jié)點(diǎn)收到該消息后立刻返回應(yīng)答幀給服務(wù)器，如果服務(wù)器收到應(yīng)答幀則認(rèn)為目前節(jié)點(diǎn)工作正常，可以繼續(xù)采用一階線性回歸預(yù)測(cè)算法，否則隨機(jī)延遲PXtbadi秒后再次發(fā)送Hello消息，P為設(shè)施中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目，tbadi等于CSMA-CA機(jī)制中的退避周期，當(dāng)連續(xù)發(fā)送次數(shù)達(dá)到5次時(shí)仍未收到應(yīng)答幀，則報(bào)告服務(wù)器傳 感器節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生故障，暫停數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，下一周期到來(lái)時(shí)如果仍未收到Heartbeat信息再作此檢測(cè)，如果仍未收到應(yīng)答幀，則判斷該傳感器節(jié)點(diǎn)失效，停止服務(wù)器端數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。
【文檔編號(hào)】H04W28/02GK104023356SQ201410294705
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】熊迎軍, 劉永華, 雷穎, 陸明洲, 孫玉文, 劉龍申, 劉政, 沈明霞 申請(qǐng)人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)