CN108966327B - 一种农业无线传感器网络的寿命延长方法及*** - Google Patents

一种农业无线传感器网络的寿命延长方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种农业无线传感器网络的寿命延长方法，该寿命延长方法包括：步骤一构建农业无线传感器网络；步骤二确定每个无线传感器节点的感应范围；步骤三无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法对无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群；步骤四根据簇头筛选约束条件对每个初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群；步骤五获取每个簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量；步骤六根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量计算每个簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数。应用本发明提供的方法或***，在保证农业无线传感器检测性能的前提下，延长农业无线传感器网络的生命周期。

Description

一种农业无线传感器网络的寿命延长方法及***
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域里的农业物联网领域，特别涉及一种农业无线传感器网络的寿命延长方法及***。
背景技术
在农业领域中，大范围、实时、高效地获取农情信息是现代化农业生产和管理的一个重要环节。传统的依靠人工采集和有线测量的数据获取方式在实时性、精准性和便捷性等方面均无法满足精准农业的要求。无线传感器网络技术的应用，恰好弥补了这些不足，让种植者能够快速地掌握各种监测对象的信息，做到科学合理地进行农业种植和生产。
农业无线传感器网络包含大量能够感知，处理和传输环境信息的节点(也就是无线传感器)，而这些节点功率受限，特别是在农田相对恶劣环境下使用，使得能效成为无线传感器网络的关键指标，那么，如何平衡农业无线传感器网络的检测性能和生命周期，是农业无线传感器技术面临的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种农业无线传感器网络的寿命延长方法及***，在保证农业无线传感器检测性能的前提下，延长农业无线传感器网络的生命周期。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种农业无线传感器网络的寿命延长方法，所述寿命延长方法包括：
步骤一：构建农业无线传感器网络；
具体步骤如下：
在监控区域内随机部署大量无线传感器节点，并根据所有所述无线传感器节点的分布关系构建农业无线传感器网络；其中，所述农业无线传感器网络的表达方程为期望值为λ2的齐次泊松方程；λ＝A*d；A为监控区域的面积；d为监控区域内无线传感器节点的密度；在所述农业无线传感器网络中每个所述无线传感器节点的坐标是已知的；
步骤二：确定每个所述无线传感器节点的感应范围；
具体步骤如下：
构建无线传感器节点信号检测模型；所述无线传感器节点信号检测模型用于实时确定每个所述无线传感器节点感测到被测物体的能量；
确定每个所述无线传感器节点的检测能量阈值；
将所述无线传感器节点感测到被测物体的能量与所述无线传感器节点对应的检测能量阈值进行比较，当所述无线传感器节点感测到被测物体的能量大于所述无线传感器节点对应的检测能量阈值时，确定所述无线传感器节点感测到的被测物体在所述无线传感器节点的感应范围；
根据所述被测物体的位置坐标确定所述无线传感器节点的感应范围；
步骤三：根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群；
步骤四：根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群；
步骤五：获取每个所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量；
步骤六：根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量，计算每个所述簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数；
具体步骤如下：
采用以下公式计算同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；所述公式为
Figure GDA0002815985510000021
其中，Sj表示所述簇头集群内第j个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；Ej-current表示所述簇头集群中第j个无线传感器节点的剩余能量；n表示所述簇头集群中无线传感器节点的个数；
根据同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数，确定同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系；
根据同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系，确定每个无线传感器节点的唤醒次数。
可选的，所述无线传感器节点信号检测模型
Figure GDA0002815985510000031
其中，Ei(t)表示在t时刻第i个无线传感器节点感测到被测物体的能量；Es(t)表示在t时刻从被测物体收集的原始信号能量；Lo(t)表示被测物体的位置坐标；Li表示第i个无线传感器节点的位置坐标；εi(t)表示零均值高斯白噪声。
可选的，所述无线传感器节点的检测能量阈值为：
Figure GDA0002815985510000032
其中，Eth,i表示第i个无线传感器节点的检测能量阈值；PFA表示最大误报概率；
Figure GDA0002815985510000033
表示零均值高斯白噪声的方差；N表示第i个无线传感器节点的样本的个数。
可选的，所述根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群，具体包括：
根据所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点的感应范围，确定相邻所述无线传感器节点之间的交叉感应范围；
采用进化算法和低能量自适应聚类层次结构，以所述交叉感应范围为聚类条件，对所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
可选的，所述根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群，具体包括：
确定簇头筛选约束条件；
根据所述簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，并将所述初始集群中筛选出的无线传感器节点保存到簇头集群中，得到多个所述簇头集群。
可选的，所述簇头筛选约束条件为：
Figure GDA0002815985510000041
其中，A是簇头概率，r是当前轮次的数量，G是在上一次1/A轮中没有簇头的无线传感器节点集合；Ei-current是第i个无线传感器节点的剩余能量，Ei-max是第i个无线传感器节点的初始能量。
本发明还提供了一种农业无线传感器网络的寿命延长***，所述寿命延长***包括：
农业无线传感器网络构建模块，用于构建农业无线传感器网络；所述农业无线传感器网络的表达方程为期望值为λ2的齐次泊松方程；λ＝A*d；A为监控区域的面积；d为监控区域内无线传感器节点的密度；在所述农业无线传感器网络中每个所述无线传感器节点的坐标是已知的；
无线传感器节点感应范围确定模块，用于确定每个所述无线传感器节点的感应范围；
初始集群得到模块，用于根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群；
簇头集群得到模块，用于根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群；
无线传感器节点剩余能量获取模块，用于获取每个所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量；
唤醒次数计算模块，用于根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量，计算每个所述簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数；所述唤醒次数计算模块包括：采用以下公式计算同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；所述公式为
Figure GDA0002815985510000051
其中，Sj表示所述簇头集群内第j个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；Ej-current表示所述簇头集群中第j个无线传感器节点的剩余能量；n表示所述簇头集群中无线传感器节点的个数；根据同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数，确定同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系；根据同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系，确定每个无线传感器节点的唤醒次数。
可选的，所述初始集群得到模块，具体包括：
交叉感应范围确定单元，用于根据所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点的感应范围，确定相邻所述无线传感器节点之间的交叉感应范围；
初始集群得到单元，用于采用进化算法和低能量自适应聚类层次结构，以所述交叉感应范围为聚类条件，对所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
可选的，所述簇头集群得到模块，具体包括：
簇头筛选约束条件确定单元，用于确定簇头筛选约束条件；所述簇头筛选约束条件为
Figure GDA0002815985510000052
其中，A是簇头概率，r是当前轮次的数量，G是在上一次1/A轮中没有簇头的无线传感器节点集合；Ei-current是第i个无线传感器节点的剩余能量，Ei-max是第i个无线传感器节点的初始能量；
簇头集群得到单元，用于根据所述簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，并将所述初始集群中筛选出的无线传感器节点保存到簇头集群中，得到多个所述簇头集群。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种农业无线传感器网络的寿命延长方法，该寿命延长方法包括：步骤一构建农业无线传感器网络；步骤二确定每个所述无线传感器节点的感应范围；步骤三根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群；步骤四根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群；步骤五获取每个所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量；步骤六根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量，计算每个所述簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数。应用本发明提供的方法或***，在保证农业无线传感器检测性能的前提下，延长农业无线传感器网络的生命周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例农业无线传感器网络的寿命延长方法的流程示意图；
图2是本发明实施例传感器节点随机部署在监控区域内的示意图；
图3是本发明实施例农业无线传感器网络的寿命延长***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
农业传感器无线网络***寿命短的主要原因是数据收集要求无线传感器在大多数时间处于活动状态，但被测物体检测仅需要在事件发生时进行报告。所以延长农业传感器无线网络寿命的最有效方法就是在实际需要时候才激活运行。占空比方案允许无线传感器节点定期唤醒并重新进入睡眠状态。在睡眠模式下无线传感器节点的电池电量是守恒的。处于睡眠模式的无线传感器节点无法感知对象，并且在其唤醒后恢复其感知能力。
每个无线传感器节点都有一个感应范围。如果无线传感器节点与被测物体的距离小于感应范围，则可以可靠地检测到事件。例如，在无线传感器节点X，无线传感器节点Y和无线传感器节点Z的感测范围是重叠的。这三个无线传感器节点可以相互通信，在此基础上，只要合理的唤醒其中一个无线传感器节点就可以实现检测能力，无需唤醒此感应范围的全部无线传感器节点，延长了无线传感器网络的寿命。
因此，本发明通过对持久对象和短时对象的检测，详细研究了不同节点密度、感知范围和占空比的目标检测概率与检测延迟之间的基本关系，而提出了一种农业无线传感器网络的寿命延长方法及***，在保证农业无线传感器检测性能的前提下，延长农业无线传感器网络的生命周期。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例农业无线传感器网络的寿命延长方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的农业无线传感器网络的寿命延长方法具有包括以下几个步骤。
步骤101：构建农业无线传感器网络。
步骤102：确定每个所述无线传感器节点的感应范围。
步骤103：根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
步骤104：根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群。
步骤105：获取每个所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量。
步骤106：根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量，计算每个所述簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数。
步骤101具体如下：
在监控区域内随机部署大量无线传感器节点，并根据所有所述无线传感器节点的分布关系构建农业无线传感器网络；其中，所述农业无线传感器网络的表达方程为期望值为λ2的齐次泊松方程；λ＝A*d；A为监控区域的面积；d为监控区域内无线传感器节点的密度；在所述农业无线传感器网络中每个所述无线传感器节点的坐标是已知的。
如图2所示，在监控区域中随机部署了大量无线传感器节点。由于部署的无线传感器节点的数量很大，所以无线传感器节点分布为期望值为λ2的齐次泊松分布。其中，监视区域的大小为A，无线传感器节点密度为d，λ＝A×d；监视区域A中现有k个传感器的概率可表示为如下公式
Figure GDA0002815985510000081
当被测物体出现在监视区域，且被测物体发出信号时，来自被测物体发出的信号由无线传感器节点检测。
Lo(t)表示被测物体的位置坐标，Li表示第i个无线传感器节点的位置坐标。背景噪声是零均值高斯白噪声，方差为
Figure GDA0002815985510000085
第i个无线传感器节点采用N个样本以最小化测量误差。同样Ei(t)也是通过取所有N个样本的平均值来估计。假设参数σi和N在开始时是已知的。
无论无线传感器节点之间的增益因子的差异如何，在t时刻第i个无线传感器节点感测到被测物体的能量Ei(t)为：
Figure GDA0002815985510000082
其中，Es(t)表示在t时刻从被测物体收集的原始信号能量。Es(t)被简单地建模为具有分布的高斯随机变量，即
Figure GDA0002815985510000083
通过中心极限定理，εi(t)近似为高斯随机变量，即
Figure GDA0002815985510000084
在每个无线传感器节点处，所需的最大误报概率是PFA。第i个无线传感器节点的检测能量阈值为Eth,i可以通过计算得到：
Figure GDA0002815985510000091
基于以上原理分析，本发明实施例中步骤102具体如下：
构建无线传感器节点信号检测模型；所述无线传感器节点信号检测模型用于实时确定每个所述无线传感器节点感测到被测物体的能量。所述无线传感器节点信号检测模型为：
Figure GDA0002815985510000092
其中，Ei(t)表示在t时刻第i个无线传感器节点感测到被测物体的能量；Es(t)表示在t时刻从被测物体收集的原始信号能量；Lo(t)表示被测物体的位置坐标；Li表示第i个无线传感器节点的位置坐标；εi(t)表示零均值高斯白噪声。
确定每个所述无线传感器节点的检测能量阈值。所述无线传感器节点的检测能量阈值为：
Figure GDA0002815985510000095
其中，Eth,i表示第i个无线传感器节点的检测能量阈值；PFA表示最大误报概率；
Figure GDA0002815985510000094
表示零均值高斯白噪声的方差；N表示第i个无线传感器节点的样本的个数。
将所述无线传感器节点感测到被测物体的能量与所述无线传感器节点对应的检测能量阈值进行比较，当所述无线传感器节点感测到被测物体的能量大于所述无线传感器节点对应的检测能量阈值时，确定所述无线传感器节点感测到的被测物体在所述无线传感器节点的感应范围。
根据所述被测物体的位置坐标确定所述无线传感器节点的感应范围。
协作被测物体检测在无线传感器网络中发挥着重要作用。由于每个无线传感器节点具有有限的计算能力、功率以及感测范围，因此无线传感器节点之间的协作对于补偿彼此的限制是重要的。无线传感器网络中的所有无线传感器节点的时间都是同步的，可以使无线传感器节点的唤醒与其邻居协作以延长无线传感器网络的寿命。
在保证物体检测性能的前提下，本发明提出了一种新颖的能量感知唤醒方案以延长无线传感器网络的寿命。
本发明设计的能量感知唤醒方案具有以下特点：
(1)满足物体检测质量要求。
(2)利用低感应占空比来节省感应能量。
(3)无线传感器节点仅在对象发生时与其邻居通信。
EAS算法(进化算法)是基于集群的机制，将监视区域中的无线传感器节点划分为多个初始集群。每个初始集群都有簇头和集群成员。
低能量自适应聚类层次结构(LEACH)是传感器网络中最流行的分层算法之一。
每个初始集群的簇头都是随时间随机变化，以平衡无线传感器节点的能量耗散。为了选择簇头，每个无线传感器节点确定0和1之间的随机数。如果该随机数小于设定阈值M(m)，则该无线传感器节点成为当前轮次的簇头。设定阈值设置如下：
Figure GDA0002815985510000101
其中，A是簇头概率，r是当前轮次的数量，G是在上一次1/A轮中没有簇头的无线传感器节点集合。上述设定阈值确保每个无线传感器节点在1/A轮内完全成为簇头。
在所有无线传感器节点一直处于头部之后，初始集群将开始下一个无线传感器节点，并且所有无线传感器节点具有被选择为头部的相同机会，包括那些能量很少的无线传感器节点。
由于初始集群的数量远远超过其他无线传感器节点，因此会很快耗尽。因此，本发明提出了一种基于无线传感器节点剩余能量的新簇头选择方法，其中Ei-current是无线传感器节点的剩余能量，Ei-max是无线传感器节点的初始能量。所以，设定阈值M(m)需要乘以表示节点剩余能量水平的因子，则设定阈值最终表示为，
Figure GDA0002815985510000111
基于以上原理分析，本发明实施例中步骤103具体包括：
根据所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点的感应范围，确定相邻所述无线传感器节点之间的交叉感应范围。
采用进化算法和低能量自适应聚类层次结构，以所述交叉感应范围为聚类条件，对所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
步骤104具体包括：
确定簇头筛选约束条件；所述簇头筛选约束条件为：
Figure GDA0002815985510000112
A是簇头概率，r是当前轮次的数量，G是在上一次1/A轮中没有簇头的无线传感器节点集合；Ei-current是第i个无线传感器节点的剩余能量，Ei-max是第i个无线传感器节点的初始能量。
根据所述簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，并将所述初始集群中筛选出的无线传感器节点保存到簇头集群中，得到多个所述簇头集群；所述簇头集群的个数与所述初始集群的个数相同。
如果无线传感器节点具有不同的剩余能量，则具有更多能量的无线传感器节点应该比具有更少能量的无线传感器节点更频繁当头部，以确保所有无线传感器节点在大致相同的时间排出。
步骤106具体包括：
在簇头集群中的每个无线传感器节点都很接近并且它们的传感覆盖率高度重叠，因此它们都可以相互协作，在检测对象时同样重要。这就表明在它们的感测范围内发生的物体可能被它们中的任何一个探测到。对于每个簇头集群，根据簇头集群中包含的无线传感器节点数来决定唤醒时间。如果簇头集群中有n个无线传感器节点节点，则簇头集群的总唤醒时间为n。那么，唤醒次数的计算过程为：采用以下公式计算同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；所述公式为
Figure GDA0002815985510000121
其中，Sj表示所述簇头集群内第j个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；Ej-current表示所述簇头集群中第j个无线传感器节点的剩余能量；n表示所述簇头集群中无线传感器节点的个数；根据同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数，确定同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系；根据同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系，确定每个无线传感器节点的唤醒次数。
本发明提供的技术方案能够使具有更多剩余能量的节点进行更多的检测工作。通过这种方式，它可以提前避免一些剩余能量少的无线传感器节点的能量减少。为了保持信号检测性能，需要计算簇头集群中每个无线传感器节点的唤醒次数。以使簇头集群中每个无线传感器节点均匀分配唤醒。
以图2为例，其剩余能量为3J，1J和2J的X，Y和Z位于同一簇头集群中。根据公式
Figure GDA0002815985510000122
得到SX＝1/2，SY＝1/6且SZ＝1/3，X的唤醒是Y的三倍，则X唤醒3次，Y唤醒一次，Z唤醒两次。这样，X和Y的能量可以同步消耗。
为实现上述目的，本发明还提供了一种农业无线传感器网络的寿命延长***。
图3为本发明实施例农业无线传感器网络的寿命延长***的结构示意图；如图3所示，本发明实施例提供的寿命延长***包括：
农业无线传感器网络构建模块100，用于构建农业无线传感器网络；所述农业无线传感器网络的表达方程为期望值为λ2的齐次泊松方程；λ＝A*d；A为监控区域的面积；d为监控区域内无线传感器节点的密度；在所述农业无线传感器网络中每个所述无线传感器节点的坐标是已知的。
无线传感器节点感应范围确定模块200，用于确定每个所述无线传感器节点的感应范围。
初始集群得到模块300，用于根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
簇头集群得到模块400，用于根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群。
无线传感器节点剩余能量获取模块500，用于获取每个所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量。
唤醒次数计算模块600，用于根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量，计算每个所述簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数；所述唤醒次数计算模块包括：采用以下公式计算同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；所述公式为
Figure GDA0002815985510000131
其中，Sj表示所述簇头集群内第j个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；Ej-current表示所述簇头集群中第j个无线传感器节点的剩余能量；n表示所述簇头集群中无线传感器节点的个数；根据同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数，确定同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系；根据同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系，确定每个无线传感器节点的唤醒次数。
所述初始集群得到模块300，具体包括：
交叉感应范围确定单元，用于根据所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点的感应范围，确定相邻所述无线传感器节点之间的交叉感应范围。
初始集群得到单元，用于采用进化算法和低能量自适应聚类层次结构，以所述交叉感应范围为聚类条件，对所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
所述簇头集群得到模块400，具体包括：
簇头筛选约束条件确定单元，用于确定簇头筛选约束条件；所述簇头筛选约束条件为
Figure GDA0002815985510000141
其中，A是簇头概率，r是当前轮次的数量，G是在上一次1/A轮中没有簇头的无线传感器节点集合；Ei-current是第i个无线传感器节点的剩余能量，Ei-max是第i个无线传感器节点的初始能量。
簇头集群得到单元，用于根据所述簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，并将所述初始集群中筛选出的无线传感器节点保存到簇头集群中，得到多个所述簇头集群。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种农业无线传感器网络的寿命延长方法，其特征在于，所述寿命延长方法包括：
步骤一：构建农业无线传感器网络；
具体步骤如下：
在监控区域内随机部署大量无线传感器节点，并根据所有所述无线传感器节点的分布关系构建农业无线传感器网络；其中，所述农业无线传感器网络的表达方程为期望值为λ2的齐次泊松方程；λ＝A*d；A为监控区域的面积；d为监控区域内无线传感器节点的密度；在所述农业无线传感器网络中每个所述无线传感器节点的坐标是已知的；
步骤二：确定每个所述无线传感器节点的感应范围；
具体步骤如下：
构建无线传感器节点信号检测模型；所述无线传感器节点信号检测模型用于实时确定每个所述无线传感器节点感测到被测物体的能量；
确定每个所述无线传感器节点的检测能量阈值；
将所述无线传感器节点感测到被测物体的能量与所述无线传感器节点对应的检测能量阈值进行比较，当所述无线传感器节点感测到被测物体的能量大于所述无线传感器节点对应的检测能量阈值时，确定所述无线传感器节点感测到的被测物体在所述无线传感器节点的感应范围；
根据所述被测物体的位置坐标确定所述无线传感器节点的感应范围；
步骤三：根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群；
步骤四：根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群；
步骤五：获取每个所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量；
步骤六：根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量，计算每个所述簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数；
具体步骤如下：
采用以下公式计算同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；所述公式为
Figure FDA0002815985500000021
其中，Sj表示所述簇头集群内第j个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；Ej-current表示所述簇头集群中第j个无线传感器节点的剩余能量；n表示所述簇头集群中无线传感器节点的个数；
根据同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数，确定同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系；
根据同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系，确定每个无线传感器节点的唤醒次数。
2.根据权利要求1所述的寿命延长方法，其特征在于，所述无线传感器节点信号检测模型为：
Figure FDA0002815985500000031
其中，Ei(t)表示在t时刻第i个无线传感器节点感测到被测物体的能量；Es(t)表示在t时刻从被测物体收集的原始信号能量；Lo(t)表示被测物体的位置坐标；Li表示第i个无线传感器节点的位置坐标；εi(t)表示零均值高斯白噪声。
3.根据权利要求2所述的寿命延长方法，其特征在于，所述无线传感器节点的检测能量阈值为：
Figure FDA0002815985500000032
其中，Eth,i表示第i个无线传感器节点的检测能量阈值；PFA表示最大误报概率；
Figure FDA0002815985500000033
表示零均值高斯白噪声的方差；N表示第i个无线传感器节点的样本的个数。
4.根据权利要求1所述的寿命延长方法，其特征在于，所述根据农业无线传感器网络内的无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群，具体包括：
根据所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点的感应范围，确定相邻所述无线传感器节点之间的交叉感应范围；
采用进化算法和低能量自适应聚类层次结构，以所述交叉感应范围为聚类条件，对所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
5.根据权利要求1所述的寿命延长方法，其特征在于，所述根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群，具体包括：
确定簇头筛选约束条件；
根据所述簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，并将所述初始集群中筛选出的无线传感器节点保存到簇头集群中，得到多个所述簇头集群。
6.根据权利要求5所述的寿命延长方法，其特征在于，所述簇头筛选约束条件为
Figure FDA0002815985500000041
其中，A是簇头概率，r是当前轮次的数量，G是在上一次1/A轮中没有簇头的无线传感器节点集合；Ei-current是第i个无线传感器节点的剩余能量，Ei-max是第i个无线传感器节点的初始能量。
7.一种农业无线传感器网络的寿命延长***，其特征在于，所述寿命延长***包括：
农业无线传感器网络构建模块，用于构建农业无线传感器网络；所述农业无线传感器网络的表达方程为期望值为λ2的齐次泊松方程；λ＝A*d；A为监控区域的面积；d为监控区域内无线传感器节点的密度；在所述农业无线传感器网络中每个所述无线传感器节点的坐标是已知的；
无线传感器节点感应范围确定模块，用于确定每个所述无线传感器节点的感应范围；
初始集群得到模块，用于根据农业无线传感器网络内无线传感器节点的交叉感应范围和进化算法，对所述无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群；
簇头集群得到模块，用于根据簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，得到多个簇头集群；
无线传感器节点剩余能量获取模块，用于获取每个所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量；
唤醒次数计算模块，用于根据所述簇头集群中每个无线传感器节点的剩余能量，计算每个所述簇头集群内每个无线传感器节点的唤醒次数；所述唤醒次数计算模块包括：采用以下公式计算同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；所述公式为
Figure FDA0002815985500000051
其中，Sj表示所述簇头集群内第j个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数；Ej-current表示所述簇头集群中第j个无线传感器节点的剩余能量；n表示所述簇头集群中无线传感器节点的个数；根据同一个簇头集群内每个无线传感器节点剩余能量占总能量的比数，确定同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系；根据同一个簇头集群内各个无线传感器节点之间的唤醒倍数关系，确定每个无线传感器节点的唤醒次数。
8.根据权利要求7所述的寿命延长***，其特征在于，所述初始集群得到模块，具体包括：
交叉感应范围确定单元，用于根据所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点的感应范围，确定相邻所述无线传感器节点之间的交叉感应范围；
初始集群得到单元，用于采用进化算法和低能量自适应聚类层次结构，以所述交叉感应范围为聚类条件，对所述农业无线传感器网络内的无线传感器节点进行聚类，得到多个初始集群。
9.根据权利要求7所述的寿命延长***，其特征在于，所述簇头集群得到模块，具体包括：
簇头筛选约束条件确定单元，用于确定簇头筛选约束条件；所述簇头筛选约束条件为
Figure FDA0002815985500000061
其中，A是簇头概率，r是当前轮次的数量，G是在上一次1/A轮中没有簇头的无线传感器节点集合；Ei-current是第i个无线传感器节点的剩余能量，Ei-max是第i个无线传感器节点的初始能量；
簇头集群得到单元，用于根据所述簇头筛选约束条件，对每个所述初始集群内的无线传感器节点进行筛选，并将所述初始集群中筛选出的无线传感器节点保存到簇头集群中，得到多个所述簇头集群。
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