一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法技術

本發明專利技術公開了溫室栽培物聯網技術領域的一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，基站發送分簇命令，記錄節點間的跳數關系，并計算節點的分布密度，劃分簇群；節點接收由基站發送的控制指令或狀態查詢指令，若節點接收控制指令，則根據控制要求執行作物溫室栽培生長環境信息的實時監測與設備調控；若節點接收狀態查詢指令，則發送自身的數據包發送次數至基站；分析所有路徑的傳輸代價，并選擇傳輸代價最小的路徑作為最優路由傳輸路徑發送數據；當系統完成多次環境信息監測與調控任務后，基站根據節點的狀態信息進行重分簇。本發明專利技術適用于同構或異構(節點硬件異構)的動態自組織及多跳傳輸的無線傳感器網絡自組網。

Self organizing method of wireless sensor network for crop greenhouse cultivation

The invention discloses a method for ad hoc wireless sensor network technology in the field of crop cultivation in greenhouse greenhouse cultivation of IOT, the base station sends a cluster command, record the hops between the nodes, and calculate the density of nodes, divided into clusters; node is received by the control command or status query commands sent by the base station, if the node receives the control command according to the real-time monitoring and control equipment control requirements of environmental information in greenhouse crop growth; if the node receiving status inquiry instruction, is sent to the base station to send the number of the data packet transmission cost analysis; all the paths, and select the minimum transmission cost as the optimal path routing transmission path when sending data; the system completed several environmental information monitoring and control tasks, the base station re clustering according to the state information of the node. The invention is suitable for self organizing networks of heterogeneous or heterogeneous (node hardware heterogeneous) dynamic self-organizing and multi hop transmission wireless sensor networks.

【技術實現步驟摘要】
一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法
本專利技術涉及溫室栽培物聯網
，具體為一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法。
技術介紹
無線傳感器網絡是由大量傳感器以無線多跳通信方式構成的自組織網絡，將無線傳感器網絡應用于現代農業領域，不僅可以高效地感知、監測和調控農業環境信息與作物生長信息，還可以改變傳統農業的生產方式，推動農業向精細化、智能化方向的轉變。但是由于無線傳感器網絡中傳感器節點的計算能力、存儲能力以及傳輸能力有限，異構(硬件異構)傳感器節點的硬件結構、配置設備、通信方式和數據處理方式不同，將無線傳感器網絡大規模應用于農業領域還需解決諸多問題，其中，同構或異構無線傳感器網絡系統穩定性較差，節點的自組織能力不高，數據的傳輸效能低，數據的可靠性和完整性較差，基于此，本專利技術提出一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，以解決上述
技術介紹
中提出的同構或異構無線傳感器網絡系統穩定性較差，節點的自組織能力不高，數據的傳輸效能低，數據的可靠性和完整性較差的問題。為實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，包括傳感節點、控制節點、中繼節點、網關和基站，所述傳感節點(同構或硬件異構)實時采集作物溫室栽培的生長環境信息數據，并對數據進行變換、處理、存儲和傳輸，以無線多跳通信方式將數據發送至基站，控制節點(同構或硬件異構)用于根據實際需求連接和調控不同執行設備，網關是將無線傳感器網絡體系結構或協議的子網絡之間進行互通或融合時，對數據信息進行子網絡間協議轉換、路由選擇和數據交換，并將處理后的數據發送至其它節點，中繼節點具有信息無線中繼傳輸(無線收發)功能，同時又具備信息處理、存儲和智能化協同識別的功能，主要用于網關和基站之間的數據傳輸，基站用于對作物溫室栽培的無線傳感器網絡采集的各類數據信息進行配置、變換、存儲、分析和傳輸。優選的，所述用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，具體步驟如下：S1：傳感節點、控制節點和中繼節點組成網絡節點，并連同網關和基站部署在預定的位置上，上電初始化；S2：基站為自組網的n(n>0)個網絡節點配置標識號IDi(i＝1,2,...,n)，建立網絡節點之間的跳數關系數據庫，并將分簇命令數據包通過網絡節點和網關以洪泛方式廣播發送至整個網絡，網絡節點接收數據包，記錄跳數關系，并繼續轉發數據包，基站接收網絡節點發回的數據包，更新跳數關系數據庫；S3：基站根據網絡節點之間的跳數關系，并結合分簇算法選舉簇頭節點，對網絡節點進行簇群劃分，基站完成分簇后，將分簇信息數據包以洪泛方式廣播發送至整個網絡，網絡節點接收數據包，確定自組網分簇情況；S4：基站接收由本地監控終端等上位機發送的控制指令，根據自組網分簇情況，結合最優路由傳輸路徑選擇算法，將控制指令數據包以最優路由傳輸路徑發送至各簇頭節點，簇頭節點轉發數據包至簇群內的傳感節點和控制節點；S5：傳感節點和控制節點解析控制指令數據包，執行相應的設備調控或環境信息采集任務，在無線傳感器網絡中，傳感節點之間或控制節點之間的硬件結構可以是同構的或是異構的，同構傳感節點或控制節點配置并控制了通信方式與數據處理方式相同的傳感設備或執行設備，異構傳感節點或控制節點由于配置了不同的傳感器模塊或執行設備，因而用于調控的通信協議與通信接口也不同，異構傳感節點或控制節點需要將控制指令轉換為與傳感器模塊或執行設備相匹配的通信協議數據包，并通過對應的通信接口與傳感器模塊或執行設備進行通信，實現執行設備的實時調控以及生長環境信息數據的實時采集；S6：傳感節點采集作物溫室栽培的生長環境信息數據，傳感節點對數據進行轉換與處理，將數據包發送至自身所在簇群的簇頭節點；S7：簇頭節點接收傳感節點發送的數據包，并以最優路由傳輸路徑將其發送至基站，基站解析數據包，對數據進行整合、分析和優化，然后將處理后的數據發送至本地監控終端等上位機，至此，作物溫室栽培的無線傳感器網絡完成一輪環境信息采集任務；S8：若作物溫室栽培的無線傳感器網絡完成多輪環境信息采集任務，基站發送工作狀態查詢數據包至自組網網絡節點，網絡節點接收數據包，并返回自身的工作狀態，基站根據網絡節點的跳數關系數據庫以及工作狀態對網絡節點進行重新分簇，返回步驟S4，作物溫室栽培的無線傳感器網絡繼續執行生長環境信息的實時監測與調控。優選的，所述步驟S1中，網絡節點具體工作流程包括以下步驟：S11：網絡節點上電初始化其無線通信模塊及傳感器模塊，休眠標識置為0，等待接收基站發送的數據包；S12：當網絡節點收到基站發送的分簇命令數據包，執行以下步驟：S121：網絡節點i接收到由其它節點轉發的數據包，將數據包中網絡節點i與其他網絡節點之間的跳數值加1，即：hi,j＝hi,j+1,j＝1,2,...,n-1,i≠j網絡節點以洪泛方式繼續廣播轉發數據包；S122：若網絡節點已接收并轉發包含所有網絡節點ID與跳數關系h的數據包，則休眠標識置為1，停止發送數據包，網絡節點進入休眠狀態；S13：當網絡節點收到基站發送的分簇信息數據包，執行以下步驟：S131：網絡節點解析數據包，根據分簇信息確定自身所在的簇群Gj(j＝1,2,...,m,m＜n)以及簇頭節點ID；S132：網絡節點以洪泛方式廣播轉發分簇信息數據包，然后將休眠標識置為1，停止發送數據包，網絡節點進入休眠狀態；S14：當傳感節點和控制節點收到基站發送的控制指令數據包，執行以下步驟：S141：若數據包為設備調控任務，簇頭節點將數據包轉發至簇群內相應的傳感節點和控制節點，傳感節點和控制節點根據設備調控要求，對相應的執行設備進行控制；S142：傳感節點和控制節點完成設備調控后，將休眠標識置為1，停止發送數據包，進入休眠狀態；S143：若數據包為環境信息采集任務，簇頭節點將數據包轉發至簇群內相應的傳感節點，然后等待接收由傳感節點發送的作物溫室栽培的生長環境信息數據包，并以最優路由傳輸路徑R將數據包發送至基站；S144：傳感節點通過無線通信模塊接收信息采集數據包，同時啟動傳感器模塊采集數據，運算模塊啟動網絡同步定時器T；S145：當網絡同步定時器的設定時間結束后，即：T＝0，傳感器模塊停止數據采集，運算模塊對數據進行轉換與處理；S146：傳感節點將處理后的數據通過無線通信模塊發送至自身所在簇群的簇頭節點，然后將休眠標識置為1，并停止發送數據包，進入休眠狀態；S15：當網絡節點收到基站發送的狀態查詢數據包，執行以下步驟：S151：若網絡節點i(i＝1,2,...,n-m)接收到狀態查詢數據包，將自身IDi以及數據包發送次數ci寫入數據包，并將數據包發送至自身所在簇群的簇頭節點，然后網絡節點的休眠標識置為1，停止發送數據包，進入休眠狀態；S152：若簇頭節點j(j＝1,2,...,m)接收到狀態查詢數據包，將自身IDj以及數據包發送次數cj信息寫入數據包，根據最優路由傳輸路徑R將其發送至基站，同時，將狀態查詢數據包發送至簇群內其它網絡節點，并將網絡節點傳回的數據包發送至基站中。優選的，所述步驟S3中，自組網分簇算法包括以下步驟：S31：基站以洪泛本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，包括傳感節點(1)、控制節點(2)、中繼節點(3)、網關(4)和基站(5)，其特征在于：所述傳感節點(1)(同構或硬件異構)實時采集作物溫室栽培的生長環境信息數據，并對數據進行變換、處理、存儲和傳輸，以無線多跳通信方式將數據發送至基站(5)，控制節點(2)(同構或硬件異構)用于根據實際需求連接和調控不同執行設備，網關(4)是將無線傳感器網絡體系結構或協議的子網絡之間進行互通或融合時，對數據信息進行子網絡間協議轉換、路由選擇和數據交換，并將處理后的數據發送至其它節點，中繼節點(3)具有信息無線中繼傳輸(無線收發)功能，同時又具備信息處理、存儲和智能化協同識別的功能，主要用于網關(4)和基站(5)之間的數據傳輸，基站(5)用于對作物溫室栽培的無線傳感器網絡采集的各類數據信息進行配置、變換、存儲、分析和傳輸。

【技術特征摘要】
1.一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，包括傳感節點(1)、控制節點(2)、中繼節點(3)、網關(4)和基站(5)，其特征在于：所述傳感節點(1)(同構或硬件異構)實時采集作物溫室栽培的生長環境信息數據，并對數據進行變換、處理、存儲和傳輸，以無線多跳通信方式將數據發送至基站(5)，控制節點(2)(同構或硬件異構)用于根據實際需求連接和調控不同執行設備，網關(4)是將無線傳感器網絡體系結構或協議的子網絡之間進行互通或融合時，對數據信息進行子網絡間協議轉換、路由選擇和數據交換，并將處理后的數據發送至其它節點，中繼節點(3)具有信息無線中繼傳輸(無線收發)功能，同時又具備信息處理、存儲和智能化協同識別的功能，主要用于網關(4)和基站(5)之間的數據傳輸，基站(5)用于對作物溫室栽培的無線傳感器網絡采集的各類數據信息進行配置、變換、存儲、分析和傳輸。2.根據權利要求1所述的一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，其特征在于：所述用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，具體步驟如下：S1：傳感節點(1)、控制節點(2)和中繼節點(3)組成網絡節點，并連同網關(4)和基站(5)部署在預定的位置上，上電初始化；S2：基站(5)為自組網的n(n>0)個網絡節點配置標識號IDi(i＝1,2,...,n)，建立網絡節點之間的跳數關系數據庫，并將分簇命令數據包通過網絡節點和網關(4)以洪泛方式廣播發送至整個網絡，網絡節點接收數據包，記錄跳數關系，并繼續轉發數據包，基站(5)接收網絡節點發回的數據包，更新跳數關系數據庫；S3：基站(5)根據網絡節點之間的跳數關系，并結合分簇算法選舉簇頭節點，對網絡節點進行簇群劃分，基站(5)完成分簇后，將分簇信息數據包以洪泛方式廣播發送至整個網絡，網絡節點接收數據包，確定自組網分簇情況；S4：基站(5)接收由本地監控終端等上位機發送的控制指令，根據自組網分簇情況，結合最優路由傳輸路徑選擇算法，將控制指令數據包以最優路由傳輸路徑發送至各簇頭節點，簇頭節點轉發數據包至簇群內的傳感節點(1)和控制節點(2)；S5：傳感節點(1)和控制節點(2)解析控制指令數據包，執行相應的設備調控或環境信息采集任務，在無線傳感器網絡中，傳感節點(1)之間或控制節點(2)之間的硬件結構可以是同構的或是異構的，同構傳感節點(1)或控制節點(2)配置并控制了通信方式與數據處理方式相同的傳感設備或執行設備，異構傳感節點(1)或控制節點(2)由于配置了不同的傳感器模塊或執行設備，因而用于調控的通信協議與通信接口也不同，異構傳感節點(1)或控制節點(2)需要將控制指令轉換為與傳感器模塊或執行設備相匹配的通信協議數據包，并通過對應的通信接口與傳感器模塊或執行設備進行通信，實現執行設備的實時調控以及生長環境信息數據的實時采集；S6：傳感節點(1)采集作物溫室栽培的生長環境信息數據，傳感節點(1)對數據進行轉換與處理，將數據包發送至自身所在簇群的簇頭節點；S7：簇頭節點接收傳感節點(1)發送的數據包，并以最優路由傳輸路徑將其發送至基站(5)，基站(5)解析數據包，對數據進行整合、分析和優化，然后將處理后的數據發送至本地監控終端等上位機，至此，作物溫室栽培的無線傳感器網絡完成一輪環境信息采集任務；S8：若作物溫室栽培的無線傳感器網絡完成多輪環境信息采集任務，基站(5)發送工作狀態查詢數據包至自組網網絡節點，網絡節點接收數據包，并返回自身的工作狀態，基站(5)根據網絡節點的跳數關系數據庫以及工作狀態對網絡節點進行重新分簇，返回步驟S4，作物溫室栽培的無線傳感器網絡繼續執行生長環境信息的實時監測與調控。3.根據權利要求2所述的一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，其特征在于：所述步驟S1中，網絡節點具體工作流程包括以下步驟：S11：網絡節點上電初始化其無線通信模塊及傳感器模塊，休眠標識置為0，等待接收基站(5)發送的數據包；S12：當網絡節點收到基站(5)發送的分簇命令數據包，執行以下步驟：S121：網絡節點i接收到由其它節點轉發的數據包，將數據包中網絡節點i與其他網絡節點之間的跳數值加1，即：hi,j＝hi,j+1,j＝1,2,...,n-1,i≠j網絡節點以洪泛方式繼續廣播轉發數據包；S122：若網絡節點已接收并轉發包含所有網絡節點ID與跳數關系h的數據包，則休眠標識置為1，停止發送數據包，網絡節點進入休眠狀態；S13：當網絡節點收到基站(5)發送的分簇信息數據包，執行以下步驟：S131：網絡節點解析數據包，根據分簇信息確定自身所在的簇群Gj(j＝1,2,...,m,m＜n)以及簇頭節點ID；S132：網絡節點以洪泛方式廣播轉發分簇信息數據包，然后將休眠標識置為1，停止發送數據包，網絡節點進入休眠狀態；S14：當傳感節點(1)和控制節點(2)收到基站發送的控制指令數據包，執行以下步驟：S141：若數據包為設備調控任務，簇頭節點將數據包轉發至簇群內相應的傳感節點(1)和控制節點(2)，傳感節點(1)和控制節點(2)根據設備調控要求，對相應的執行設備進行控制；S142：傳感節點(1)和控制節點(2)完成設備調控后，將休眠標識置為1，停止發送數據包，進入休眠狀態；S143：若數據包為環境信息采集任務，簇頭節點將數據包轉發至簇群內相應的傳感節點(1)，然后等待接收由傳感節點(1)發送的作物溫室栽培的生長環境信息數據包，并以最優路由傳輸路徑R將數據包發送至基站(5)；S144：傳感節點(1)通過無線通信模塊接收信息采集數據包，同時啟動傳感器模塊采集數據，運算模塊啟動網絡同步定時器T；S145：當網絡同步定時器的設定時間結束后，即：T＝0，傳感器模塊停止數據采集，運算模塊對數據進行轉換與處理；S146：傳感節點(1)將處理后的數據通過無線通信模塊發送至自身所在簇群的簇頭節點，然后將休眠標識置為1，并停止發送數據包，進入休眠狀態；S15：當網絡節點收到基站(5)發送的狀態查詢數據包，執行以下步驟：S151：若網絡節點i(i＝1,2,...,n-m)接收到狀態查詢數據包，將自身IDi以及數據包發送次數ci寫入數據包，并將數據包發送至自身所在簇群的簇頭節點，然后網絡節點的休眠標識置為1，停止發送數據包，進入休眠狀態；S152：若簇頭節點j(j＝1,2,...,m)接收到狀態查詢數據包，將自身IDj以及數據包發送次數cj信息寫入數據包，根據最優路由傳輸路徑R將其發送至基站(5)，同時，將狀態查詢數據包發送至簇群內其它網絡節點，并將網絡節點傳回的數據包發送至基站(5)中。4.根據權利要求2所述的一種用于作物溫室栽培的無線傳感器網絡自組網方法，其特征在于：所述步驟S3中，自組網分簇算法包括以下步驟：S31：基站(5)以洪泛方式向自組網廣播發送分簇命令數據包，數據包中包含網絡節點IDi(i＝1,2,...,n)，以及跳數關系hi,j(i,j＝1,2,...n)，跳數的初始值為0，其中根據步驟S13中的方法，網絡節點接收由基站(5)發送的分簇命令數據包，記錄跳數關系，并將跳數值加1，然后以洪泛方式繼續廣播轉發數據包，基站(5)接收網絡節點發送的數據包，并更新跳數關系數據庫H：其中，hi,j＝0(i＝j)，若基站(5)同時接收了多個包含網絡節點i與網絡節點j跳數關系的數據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳俊杰，劉淵，
申請(專利權)人：東南大學，南京英埃格傳感網絡科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32