基于无线传感器网络的智能楼宇能耗监测系统

摘要

基于无线传感器网络的智能楼宇能耗监测系统，包括数据采集模块，其包括数据采集器，所述数据采集器设置在建筑大楼的每层楼，用于采集每层楼每个房间配设的楼宇智能设备能耗的数据信号；所述数据采集器连接到Zigbee无线拓扑结构上，其包括Zigbee远程节点，每幢建筑大楼布设有一个对应的所述Zigbee远程节点，所述Zigbee远程节点用于将从数据采集器接收到的数据信号转发到所述Zigbee中心节点；所述Zigbee中心节点将接收到的数据信号传输到数据中心，所述数据中心包括服务器端，所述服务器端包括建筑能耗分析系统，所述建筑能耗分析系统用于实时分析和精确诊断每幢建筑大楼的能耗，将结果传输给客户端并在客户端显示。

主权项

1.基于无线传感器网络的智能楼宇能耗监测系统，其特征在于：包括数据采集模块、Zigbee无线拓扑结构、数据中心；所述数据采集模块包括数据采集器，所述数据采集器设置在建筑大楼的每层楼，用于采集每层楼每个房间配设的楼宇智能设备能耗的数据信号；所述数据采集器连接到Zigbee无线拓扑结构上，所述Zigbee无线拓扑结构包括Zigbee远程节点和Zigbee中心节点，每幢建筑大楼布设有一个对应的所述Zigbee远程节点，所述Zigbee远程节点用于将从数据采集器接收到的数据信号转发到所述Zigbee中心节点；所述Zigbee中心节点将接收到的数据信号传输到数据中心，所述数据中心包括服务器端、客户端，所述服务器端包括建筑能耗分析系统，所述建筑能耗分析系统用于实时分析和精确诊断每幢建筑大楼的能耗，将结果传输给客户端并在客户端显示；所述Zigbee远程节点和所述Zigbee中心节点是基于竞争机制的无线传感器网络分簇路由算法布局；所述基于竞争机制的无线传感器网络分簇路由算法如下：1)簇头选择机制基于竞争机制的无线传感器网络分簇路由算法在簇头选择时，将剩余能量高于网络平均能量设定值的节点成为候选簇头，定义节点竞争为候选簇头的条件：Eres＞＝a·Eave    (1)在每一轮的簇建立之前，节点都查看其当前剩余能量Eres和上一轮末网络平均剩余能量Eave，当Eres＞＝a·Eave时，此节点产生随机数，参与簇头竞争；反之，当Eres＜a·Eave时，节点能量有限，则节点就处于休眠状态，不参与簇头竞争，直至簇头选择结束，其中a为候选簇头竞争系数，范围为(0，1]之间，a·Eave为网络平均能量设定值；再建立拟物力模型，对簇头个数和簇内负载加以优化，在拟物力模型中，假设在每一轮簇建立过程中，把已产生的簇头节点看作通信半径为R的“簇头圆盘”，设参与簇头选择并未被“簇头圆盘”覆盖的候选节点对其邻近的“簇头圆盘”具有吸引力，而已经被“簇头圆盘”覆盖的候选节点受“屏蔽效应”的影响对“簇头圆盘”不具有吸引力，定义参与簇头选择的第k个候选节点v_k对已产生的第i个“簇头圆盘”S_i的拟物力函数如下：$f_{\mathrm{ik}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R^2}{d_{\mathrm{ik}}^2},& v_k\notin \underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{S}_n,d_{\mathrm{ik}}>R\\ 0,& \mathrm{else}\end{array}\right.---\left(2\right)$其中d_ik表示候选节点和“簇头圆盘”圆心之间的距离，R²充当“簇头圆盘”的质量，N为已选出来簇头个数，表示只有未被覆盖的候选节点才能对“簇头圆盘”产生引力；在参考拟物力模型下，对簇头选择阈值T(n)引入拟物力进行约束，改进后的阈值计算公式为：$T^{\prime \prime }\left(n\right)=\frac{p}{1-p·\left[r\mathrm{mod}(1/p)\right]}·\exp ({-R}^2/{\mathrm{dik}}^2)---\left(3\right)$2)簇形成过程簇头选择结束以后，簇头节点便在其通信范围内广播“簇头信息”，告诉其它节点自己已是簇头，普通节点在收到各个簇头的广播消息后，要选择一个簇头成为该簇的一个成员；普通节点成簇方式如下：a.引入通信代价公式(6)来决定普通节点加入哪个簇；b.普通节点与簇头间的拟物力作用来成簇；两种成簇方式依据普通节点依概率公式(4)竞争成簇，普通节点首先产生一个0～1之间的随机概率rand，根据rand所在区间选择成簇方式，ε是自定义系数，区间为[0，1]；当rand在[0，ε)内，普通节点按照通信代价公式(6)成簇；当rand在[ε，1]内，普通节点按照拟物力公式(5)成簇；$\left\{\begin{array}{cc}\min \left\{\cos t(j,i)\right\},& \mathrm{rand}\in [0,ϵ)\\ \arg \max \left(f_i\right),& \mathrm{rand}\in [ϵ,1]\end{array}\right.---\left(4\right)$$f_i=\frac{R^2}{d_{\mathrm{toCh}\left(i\right)}}---\left(5\right)$R为簇头的通信半径，d_toCh(i)为普通节点到簇头i的距离，计算节点与簇头i的拟物力f_i，选择f_i最大的簇头为自己的簇头；$\cos t(j,i)=w·\frac{d(P_j,{\mathrm{Ch}}_i)}{d_{f\_\max }}+(1-w)·\frac{d({\mathrm{Ch}}_i,\mathrm{BS})-d_{g\_\min }}{d_{g\_\max }-d_{g\_\min }}---\left(6\right)$其中：d_{f_max}＝max{d(P_j，Ch_i)}；d_{g_min}＝min{d(Ch_i，BS)}；d_{g_max}＝max{d(Ch_i，BS)}cost(j，i)是节点P_j加入簇头i的代价；d(P_j，Ch_i)是节点到簇头的距离；d(Ch_i，BS)是簇头i到基站的距离；权值w的设置则是根据具体应用，在成员节点能量与簇头能量耗费之间的折衷，目标是最大化网络生命周期；节点P_j选择最小cost(j，i)的簇头i加入；普通节点选取cost(j，i)最小或者f_i最大的簇头作为自己的簇头后，发送“请求加入簇”消息通知簇头；簇头节点接收到所有的“请求加入簇”消息后，为簇内成员分配时间槽，生成TDMA消息，并发送给该簇内所有成员节点，当簇内成员节点接收到该消息后，就会保存自己的时间槽；3)能耗分析普通节点消耗的能量包括接收“簇头消息”、发送“请求加入簇”消息和发送数据包的能耗，公式如下：E_{R_CP}＝CP·E_elec$E_{T\_\mathrm{CP}}=\mathrm{CP}·E_{\mathrm{elec}}+\mathrm{CP}·E_{\mathrm{fs}}·d_{\mathrm{Ch}}^2---\left(7\right)$$E_{T\_\mathrm{DP}}=\mathrm{DP}·E_{\mathrm{elec}}+\mathrm{DP}·E_{\mathrm{fs}}·d_{\mathrm{Ch}}^2$其中，E_elec表示发射和接收单位比特数据消耗的能量，E_fs表示功率放大器消耗单位比特数据的能量，CP是控制包的大小，DP是数据包的大小，d_Ch是簇内成员节点到簇头的距离；簇头消耗的能量包括广播“簇头信息”、接收“请求加人簇”消息、接收数据包、融合数据和转发数据到Sink节点五部分的能耗，如式(8)所示，E_{B_CP}＝CP·E_elec+CP·E_fs·R²E_{R_CP＝CP}·E_elecE_{R_DP}＝DP·E_elec              (8)E_Df＝DP·E_df$E_{T\_\mathrm{DP}}=\mathrm{DP}·d_f·E_{\mathrm{elec}}+\mathrm{DP}·d_f·E_{\mathrm{fs}}·d_{\mathrm{Ch}\_\mathrm{Sink}}^2$其中E_df表示融合单位比特数据所消耗的能量，E_{B_CP}为广播簇头信息消耗的能量，R为节点通信半径，d_f是融合系数，d_{Ch_Sink}是簇头节点到Sink节点的距离。