CN107426680B - 面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统，包括楼宇环境监测模块、数据汇集模块和楼宇监测管理平台；所述的楼宇环境监测模块用于获取楼宇环境监测数据，对所述楼宇环境监测数据进行数据处理，并与网络中数据汇集模块进行无线通信；数据汇集模块，用于接收来自楼宇环境监测模块的楼宇环境监测数据并将该楼宇环境监测数据传输到楼宇监测管理平台；楼宇监测管理平台，用于对楼宇环境监测数据进行接收、存储和分析。本发明实现了楼宇环境监测数据的低能耗、智能收集。

Description

面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统

技术领域

本发明涉及楼宇监测领域，具体涉及面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统。

背景技术

相关技术中的楼宇监测系统主要采用有线系统，存在资源耗费大、扩展性差、维护成本高和线路故障导致系统瘫痪等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统，包括楼宇环境监测模块、数据汇集模块和楼宇监测管理平台；所述的楼宇环境监测模块用于获取楼宇环境监测数据，对所述楼宇环境监测数据进行数据处理，并与网络中数据汇集模块进行无线通信；数据汇集模块，用于接收来自楼宇环境监测模块的楼宇环境监测数据并将该楼宇环境监测数据传输到楼宇监测管理平台；楼宇监测管理平台，用于对楼宇环境监测数据进行接收、存储和分析。

本发明的有益效果为：实现了楼宇环境监测数据的低能耗、智能收集，灵活性良好、扩展功能较高、智能化程度良好。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明的结构框图；

图2是本发明楼宇监测管理平台的连接框图。

附图标记：

楼宇环境监测模块1、数据汇集模块2、楼宇监测管理平台3、数据接收单元10、数据存储单元20、数据分析处理单元30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1、图2，本实施例提供的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统，包括楼宇环境监测模块1、数据汇集模块2、楼宇监测管理平台3；所述的楼宇环境监测模块1用于获取楼宇环境监测数据，对所述楼宇环境监测数据进行数据处理，并与网络中数据汇集模块2进行无线通信；数据汇集模块2，用于接收来自楼宇环境监测模块1的楼宇环境监测数据并将该楼宇环境监测数据传输到楼宇监测管理平台3；楼宇监测管理平台3，用于对楼宇环境监测数据进行接收、存储和分析。

在一个实施例中，所述楼宇监测管理平台3包括数据接收单元10、数据存储单元20、数据分析处理单元30。

在一个实施例中，所述楼宇环境监测数据包括楼宇房间的温度、湿度、光照度。

在一个实施例中，所述楼宇环境监测模块1包括楼宇环境监测节点、簇头节点；所述的楼宇环境监测节点被部署在楼宇的各个房间内，簇头节点收集簇内各楼宇环境监测节点采集的楼宇环境监测数据，并对楼宇环境监测数据进行异常楼宇环境监测数据检测，剔除异常楼宇环境监测数据后，对剩余的楼宇环境监测数据进行融合，每个房间有且仅有一个所述簇头节点，所述楼宇环境监测节点与所述簇头节点无线通信，所述簇头节点直接或以多跳的方式与数据汇集模块无线通信。

本发明上述实施例能够实时获取楼宇环境监测数据，并对楼宇环境监测数据进行分析处理，灵活性良好、扩展功能较高、智能化程度良好。

作为其中一个实施例，所述的楼宇环境监测节点在发送楼宇环境监测数据至所在簇的簇头节点时，先对楼宇环境监测数据进行融合处理，具体包括：

(1)根据楼宇环境监测节点采集的楼宇环境监测数据类型预先设置数据阈值范围；

(2)楼宇环境监测节点利用滑动窗口采集楼宇环境监测数据，对同一滑动窗口内采集的楼宇环境监测数据进行阈值检测，若存在楼宇环境监测数据不在预先设置的数据阈值范围内，则标记为特殊楼宇环境监测数据，其他视为普通楼宇环境监测数据；

(3)对同一滑动窗口内采集的普通楼宇环境监测数据，按照下列公式进行处理：

式中，X′表示处理后输出的普通楼宇环境监测数据，X_μ表示在同一滑动窗口内采集的第μ个普通楼宇环境监测数据，λ为在同一滑动窗口内采集的普通楼宇环境监测数据的数量；

(4)楼宇环境监测节点只将处理后输出的普通楼宇环境监测数据和特殊楼宇环境监测数据发送至所在簇的簇头节点。

本优选实施例的楼宇环境监测节点在发送楼宇环境监测数据至所在簇的簇头节点时，对楼宇环境监测数据进行阈值处理，只将处理后输出的普通楼宇环境监测数据和特殊楼宇环境监测数据发送至所在簇的簇头节点，相对于只发送普通楼宇环境监测数据的方式，更能够保证楼宇环境监测数据采集的精度，节省了楼宇环境监测数据的发送能耗。

优选地，簇头节点对楼宇环境监测数据进行异常楼宇环境监测数据检测，具体包括：

(1)簇头节点收集n个楼宇环境监测数据作为训练集；

(2)设训练集为X＝{X₁,X₂,…,X_n}，按照下列公式确定训练集中每一个楼宇环境监测数据的数据离群程度：

式中，表示楼宇环境监测数据X_i的数据离群程度，X_j为训练集中除楼宇环境监测数据X_i外的第j个楼宇环境监测数据，D(X_i,X_j)表示X_i,X_j之间的欧氏距离，表示训练集中除楼宇环境监测数据X_i外的任意两个楼宇环境监测数据之间的欧式距离，max[·]表示取最大值函数；

(3)将训练集中所有楼宇环境监测数据的数据离群程度进行降序排列，对于每个楼宇环境监测数据，计算其在降序排列中的占比

式中，表示降序排列中小于或等于的数量；

(4)按照下列公式对进行转换处理，得到转换后的数据离群程度将中的最小值所对应的作为离群判断因子：

其中

(5)将离群判断因子所对应的数据离群程度作为离群判断阈值，将训练集中数据离群程度大于离群判断阈值的楼宇环境监测数据判定为异常楼宇环境监测数据；

(6)簇头节点收集一个最新的楼宇环境监测数据X_k,k>n，如果X_k的数据离群程度大于离群判断阈值，则判定X_k为异常楼宇环境监测数据，由X_k与之前的训练集内的楼宇环境监测数据构成新的训练集，返回(2)；

(7)如果X_k的数据离群程度不大于离群判断阈值，则判定X_k为正常数据，返回(6)。

本优选实施例利用簇头节点对楼宇环境监测数据进行异常楼宇环境监测数据检测，利用了楼宇环境监测数据之间的相关性，相对于采用楼宇环境监测节点进行异常楼宇环境监测数据检测，能够节省能耗，本优选实施例在此提供了一种较优的异常楼宇环境监测数据检测策略，其中利用欧式距离定义了数据离群程度的计算公式，根据该公式计算出各楼宇环境监测数据的数据离群程度，进而获取数据离群程度比例，最终得到用于检测楼宇环境监测数据是否为异常楼宇环境监测数据的离群判断阈值，整个过程训练时间较短，且只有在下个楼宇环境监测数据为异常楼宇环境监测数据时才进行离群判断阈值的更新，减少了离群判断阈值的更新计算次数，能够在保证较低计算复杂度的情况下，有效地从大量楼宇环境监测数据中发现隐藏在其中的异常楼宇环境监测数据，检测准确高效。

优选地，设定节点重要度等级a、b、c，其中a<b<c，在采集楼宇环境监测数据之前，预先对簇内的楼宇环境监测节点分配节点重要度等级，在设定的周期内，簇头节点统计簇内各楼宇环境监测节点发送的异常楼宇环境监测数据量，当楼宇环境监测节点采集的异常楼宇环境监测数据量满足下述条件时，所在簇的簇头节点向楼宇环境监测节点发送休眠指令，所述楼宇环境监测节点根据休眠指令进入休眠：

式中，表示楼宇环境监测节点S_ι在设定周期内向簇头节点发送的异常楼宇环境监测数据量，表示楼宇环境监测节点S_ι在设定周期内向簇头节点发送的楼宇环境监测数据总量，ξ为设定的异常比例值，ξ的取值设定范围为％25％,35％]，表示分配给楼宇环境监测节点S_ι的节点重要度等级。

本优选实施例在楼宇环境监测节点的异常楼宇环境监测数据量比例超过一定的比例阈值时进行休眠，能够减少异常楼宇环境监测数据量产生概率大的楼宇环境监测节点的楼宇环境监测数据发送量，进一步节省了簇头节点的楼宇环境监测数据收集能耗，有利于提高收集的楼宇环境监测数据质量，其中在判定楼宇环境监测节点是否需要休眠时，考虑了楼宇环境监测节点的异常楼宇环境监测数据量比例以及节点重要度等级，能够提高对相对重要的楼宇环境监测节点的保留度。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统，其特征是，包括楼宇环境监测模块、数据汇集模块和楼宇监测管理平台；所述的楼宇环境监测模块用于获取楼宇环境监测数据，对所述楼宇环境监测数据进行数据处理，并与网络中数据汇集模块进行无线通信；数据汇集模块，用于接收来自楼宇环境监测模块的楼宇环境监测数据并将该楼宇环境监测数据传输到楼宇监测管理平台；楼宇监测管理平台，用于对楼宇环境监测数据进行接收、存储和分析；所述楼宇环境监测模块包括楼宇环境监测节点、簇头节点；所述的楼宇环境监测节点被部署在楼宇的各个房间内，簇头节点收集簇内各楼宇环境监测节点采集的楼宇环境监测数据，并对楼宇环境监测数据进行异常楼宇环境监测数据检测，剔除异常楼宇环境监测数据后，对剩余的楼宇环境监测数据进行融合，每个房间有且仅有一个所述簇头节点，所述楼宇环境监测节点与所述簇头节点无线通信，所述簇头节点直接或以多跳的方式与数据汇集模块无线通信；簇头节点对楼宇环境监测数据进行异常楼宇环境监测数据检测，具体包括：

(1)簇头节点收集n个楼宇环境监测数据作为训练集；

(2)设训练集为X＝{X₁,X₂,…,X_n}，按照下列公式确定训练集中每一个楼宇环境监测数据的数据离群程度：

式中，表示楼宇环境监测数据X_i的数据离群程度，X_j为训练集中除楼宇环境监测数据X_i外的第j个楼宇环境监测数据，D(X_i,X_j)表示X_i,X_j之间的欧氏距离，表示训练集中除楼宇环境监测数据X_i外的任意两个楼宇环境监测数据之间的欧式距离，max[·]表示取最大值函数；

(3)将训练集中所有楼宇环境监测数据的数据离群程度进行降序排列，对于每个楼宇环境监测数据，计算其在降序排列中的占比

式中，表示降序排列中小于或等于的数量；

(4)按照下列公式对进行转换处理，得到转换后的数据离群程度将中的最小值所对应的作为离群判断因子：

其中

(5)将离群判断因子所对应的数据离群程度作为离群判断阈值，将训练集中数据离群程度大于离群判断阈值的楼宇环境监测数据判定为异常楼宇环境监测数据；

(6)簇头节点收集一个最新的楼宇环境监测数据X_k,k>n，如果X_k的数据离群程度大于离群判断阈值，则判定X_k为异常楼宇环境监测数据，由X_k与之前的训练集内的楼宇环境监测数据构成新的训练集，返回(2)；

(7)如果X_k的数据离群程度不大于离群判断阈值，则判定X_k为正常数据，返回(6)。

2.根据权利要求1所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统，其特征是，所述楼宇监测管理平台包括数据接收单元、数据存储单元、数据分析处理单元。

3.根据权利要求1所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统，其特征是，所述楼宇环境监测数据包括楼宇房间的温度、湿度、光照度。

4.根据权利要求1所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集系统，其特征是，所述的楼宇环境监测节点在发送楼宇环境监测数据至所在簇的簇头节点时，先对楼宇环境监测数据进行融合处理，具体包括：

(1)根据楼宇环境监测节点采集的楼宇环境监测数据类型预先设置数据阈值范围；

(2)楼宇环境监测节点利用滑动窗口采集楼宇环境监测数据，对同一滑动窗口内采集的楼宇环境监测数据进行阈值检测，若存在楼宇环境监测数据不在预先设置的数据阈值范围内，则标记为特殊楼宇环境监测数据，其他视为普通楼宇环境监测数据；

(3)对同一滑动窗口内采集的普通楼宇环境监测数据，按照下列公式进行处理：

式中，X′表示处理后输出的普通楼宇环境监测数据，X_μ表示在同一滑动窗口内采集的第μ个普通楼宇环境监测数据，λ为在同一滑动窗口内采集的普通楼宇环境监测数据的数量；

(4)楼宇环境监测节点只将处理后输出的普通楼宇环境监测数据和特殊楼宇环境监测数据发送至所在簇的簇头节点。