CN111093246A - 一种基于人因工程的无线传感网智能分簇方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，包括以下步骤：通过工作场景的不同对无线传感设备进行分簇，其中，将同一工作场景的各无线传感设备划分到同一簇中，根据人类的行为习惯确定同一簇中各无线传感设备的优先级，同时确定该簇的簇头，在执行过程中，根据各无线传感设备的优先级，依次开启同一簇中的各无线传感设备；根据人类的行为习惯对簇内的无线传感设备进行更新；当工作场景发生变化时，则根据工作场景的变化进行对应簇之间内的切换，该方法基于人因工程实现无线传感无线传感设备的智能分簇。

Description

一种基于人因工程的无线传感网智能分簇方法
技术领域
本发明属于无线传感网技术领域，涉及一种基于人因工程的无线传感网智能分簇方法。
背景技术
目前，物联网技术正呈现出迅猛的发展势头，作为其感知层重要组成部分，无线传感网技术在智能电网、环境检测、智能家居等领域得到了广泛的应用。与传统网络相比，物联网传感器设备具有更加密集的覆盖，这对有效便捷地调度使用这些传感器设备带来了挑战。一般地，为了有限调度传感器设备，现有方案往往通过对传感器设备进行分簇，从而降低信息冗余与能耗。
人因工程是一门以心理学、生理学、解剖学、人体测量学等学科为基础，研究如何使人—机—环境系统的设计符合人的身体结构和生理心理特点，以实现人、机、环境之间的最佳匹配，使处于不同条件下的人能有效地、安全地、健康和舒适地进行工作与生活的科学。因此，人因工程主要研究人的工作优化问题。
在给定的工作场景中，人类的行为习惯具有一定的规律。相应地，处于同一工作环境下的物联网设备具有一定的联动性。例如，在工作场景下，电脑、日光灯、空调等设备均会被启动。而在睡眠场景中，电脑、日光灯、空调等设备则需被关闭。所以，这些设备可以被分为同一簇，从而对其进行统一的调度，从而避免重复冗余的调度命令。
由于无线传感设备的环境适应性强，物联网协议和相应的软硬件设备日益完善，采用无线传感设备能够更加智能、高效地代替人工成本，更为经济、高效，无线传感器在人类日常生活中的应用日益增多。然而，日益增多的无线传感设备势必带来操作繁琐，能耗增加的问题。目前的无线传感器分簇计算主要致力于能耗的降低，而忽略的用户的体验，即没有考虑人因工程。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，该方法基于人因工程实现无线传感无线传感设备的智能分簇。
为达到上述目的，本发明所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法包括以下步骤：
通过工作场景的不同对无线传感设备进行分簇，其中，将同一工作场景的各无线传感设备划分到同一簇中，根据人类的行为习惯确定同一簇中各无线传感设备的优先级，同时确定该簇的簇头，在执行过程中，根据各无线传感设备的优先级，依次开启同一簇中的各无线传感设备；
根据人类的行为习惯对簇内的无线传感设备进行更新；
当工作场景发生变化时，则根据工作场景的变化进行对应簇之间内的切换。
通过工作场景的不同对无线传感设备进行分簇，其中，将同一工作场景中的各无线传感设备划分到同一簇中，根据人类的行为习惯确定同一簇中各无线传感设备的优先级，同时确定该簇中簇头节点的具体过程为：
对处于不同工作场景下的各无线传感设备进行分簇，其中，将处于同一工作场景的各无线传感设备被划分到同一簇中，其中，簇
Figure BDA0002348279790000031
Figure BDA0002348279790000032
表示簇cj中的第i个无线传感设备，
Figure BDA0002348279790000033
的优先级为
Figure BDA0002348279790000034
其中，选择优先级最高的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000035
作为簇头；
当用户启动一个新的无线传感设备时，控制中心建立一个新的簇cj，并选择该新的无线传感设备为新建立的簇的簇头，记录该新的无线传感设备的优先级i＝1，随后，每当用户启动一个新的无线传感设备v时，则将该无线传感设备加入新建立的簇cj中，并记录其优先级为i＝i+1，当用户在t′时间内未进行任何操作，则结束对簇cj的初始化；当初始化结束后，簇内的无线传感设备信息将被记录在簇头中，其中，簇内的无线传感设备信息包括无线传感设备的ID及优先级。
根据各无线传感设备的优先级，依次开启同一簇中的各无线传感设备的具体操作为：
当用户启动无线传感设备
Figure BDA0002348279790000036
时，无线传感设备
Figure BDA0002348279790000037
将对同一簇cj中的其他无线传感设备发送开启信号，以依次启动簇cj中的所有无线传感设备，相应地，当用户关闭无线传感设备
Figure BDA0002348279790000038
时，无线传感设备
Figure BDA0002348279790000039
将对同一簇cj中的其他无线传感设备发送关闭信号，以依次关闭簇cj中的所有无线传感设备。
根据人类的行为习惯对簇内的无线传感设备进行更新的具体过程为：
当簇cj在启动期间，用户开启新的不在该簇cj中的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000041
时，则认为该簇cj需要进行更新，具体更新过程为：将新启动的无线传感设备v′加入簇cj中，并记录其优先级为
Figure BDA0002348279790000042
相应地，当簇cj在启动期间，用户需要关闭该簇cj中的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000043
时，则在簇cj中删除无线传感设备
Figure BDA0002348279790000044
并更新剩余无线传感设备的优先级，即对于所有的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000045
当
Figure BDA0002348279790000046
则该无线传感设备的优先级不变；当
Figure BDA0002348279790000047
则更新该无线传感设备的优先级为i＝i-1，当k＝1时，即簇头被关闭，则说明工作场景发生改变，需要进行不同簇之间的切换。
当工作场景发生变化时，则根据工作场景内的变化进行对应簇之间的切换的过程中，通过关闭簇头
Figure BDA0002348279790000048
来使得该簇cj中的无线传感设备全部关闭；通过开启新的簇头
Figure BDA0002348279790000049
来控制新簇ch中无线传感设备全部启动。
当场景发生变化时，通过手动切换或者自动切换的方式进行呢对应簇之间的切换。
所述自动切换的方式为：根据用户的历史控制信息，通过机器学习算法预测用户未来的行为，以自动进行场景的切换。
所述机器学习算法为强化学习算法。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，通过设备分簇及簇头的选择，用户可以通过控制簇头来实现对整个簇的统一控制调度，从而有效地降低人类操作的复杂度，提高用户使用体验，减少由于冗余操作所带来的能量损耗；通过用户操作反馈对簇内的无线传感设备进行增添与删除，从而实现簇内无线传感设备的动态更新，使得簇内的无线传感设备可以随着用户使用习惯进行动态更新；通过用户对簇头的启动与关闭来实现对旧簇的关闭与新簇的生成，从而实现用户工作场景的快捷切换，继而实现基于人因工程实现无线传感无线传感设备的智能分簇。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中簇初始化的流程图；
图3为本发明中簇内设备调度的流程图；
图4为本发明中簇内设备更新的流程图；
图5为本发明中簇之间的切换图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
参考图1，本发明所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法包括以下步骤：
1、通过工作场景的不同对无线传感设备进行分簇，其中，将同一工作场景的各无线传感设备划分到同一簇中，根据人类的行为习惯确定同一簇中各无线传感设备的优先级，同时确定该簇的簇头，在执行过程中，根据各无线传感设备的优先级，依次开启同一簇中的各无线传感设备；
其中，通过工作场景的不同对无线传感设备进行分簇，其中，将同一工作场景中的各无线传感设备划分到同一簇中，根据人类的行为习惯确定同一簇中各无线传感设备的优先级，同时确定该簇中簇头节点的具体过程为：
对处于不同工作场景下的各无线传感设备进行分簇，其中，将处于同一工作场景的各无线传感设备被划分到同一簇中，其中，簇
Figure BDA0002348279790000061
Figure BDA0002348279790000062
表示簇cj中的第i个无线传感设备，
Figure BDA0002348279790000063
的优先级为
Figure BDA0002348279790000064
其中，选择优先级最高的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000065
作为簇头；
参考图2，当用户启动一个新的无线传感设备时，控制中心建立一个新的簇cj，并选择该新的无线传感设备为新建立的簇的簇头，记录该新的无线传感设备的优先级i＝1，随后，每当用户启动一个新的无线传感设备v时，则将该无线传感设备加入新建立的簇cj中，并记录其优先级为i＝i+1，当用户在t′时间内未进行任何操作，则结束对簇cj的初始化；当初始化结束后，簇内的无线传感设备信息将被记录在簇头中，其中，簇内的无线传感设备信息包括无线传感设备的ID及优先级。
其中，参考图3，根据各无线传感设备的优先级，依次开启同一簇中的各无线传感设备的具体操作为：
当用户启动无线传感设备
Figure BDA0002348279790000066
时，无线传感设备
Figure BDA0002348279790000067
将对同一簇cj中的其他无线传感设备发送开启信号，以依次启动簇cj中的所有无线传感设备，相应地，当用户关闭无线传感设备
Figure BDA0002348279790000071
时，无线传感设备
Figure BDA0002348279790000072
将对同一簇cj中的其他无线传感设备发送关闭信号，以依次关闭簇cj中的所有无线传感设备。
2、根据人类的行为习惯对簇内的无线传感设备进行更新；
具体的，根据人类的行为习惯对簇内的无线传感设备进行更新的具体过程为：
在用户的工作生活中，由于生活习惯，工作性质及无线传感设备更换等原因，需要对已经建立的簇进行更新，根据用户不同的需求，需要向簇内增添新的设备或是删除已有设备，簇内设备更新如图4所示，当簇cj在启动期间，用户开启新的不在该簇cj中的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000073
时，则认为该簇cj需要进行更新，具体更新过程为：将新启动的无线传感设备v′加入簇cj中，并记录其优先级为
Figure BDA0002348279790000074
相应地，当簇cj在启动期间，用户需要关闭该簇cj中的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000075
时，则在簇cj中删除无线传感设备
Figure BDA0002348279790000076
并更新剩余无线传感设备的优先级，即对于所有的无线传感设备
Figure BDA0002348279790000077
当
Figure BDA0002348279790000078
则该无线传感设备的优先级不变；当
Figure BDA0002348279790000079
则更新该无线传感设备的优先级为i＝i-1，当k＝1时，即簇头被关闭，则说明工作场景发生改变，需要进行不同簇之间的切换。
3、当工作场景发生变化时，则根据工作场景的变化进行对应簇之间内的切换。
具体的，当用户的工作场景发生变化时，往往许多的无线传感设备的工作状态均需要发生改变，通过簇间切换则可以有效避免大量繁琐的用户指令，简化用户操作，簇间的切换过程如图5所示，当工作场景发生变化时，则根据工作场景内的变化进行对应簇之间的切换的过程中，通过关闭簇头
Figure BDA0002348279790000081
来使得该簇cj中的无线传感设备全部关闭；通过开启新的簇头
Figure BDA0002348279790000082
来控制新簇ch中无线传感设备全部启动。
当场景发生变化时，通过手动切换或者自动切换的方式进行呢对应簇之间的切换，其中，手动切换是指用户可以自行向不同簇头发出启动或关闭命令，实现对不同簇设备的控制；而自动切换是指根据用户的历史控制信息，通过机器学习算法预测用户未来的行为，从而实现自动的场景切换。
以采用强化算法为例，构建具有状态空间S，行为空间A及回报函数ρ:S×S×A→R的马尔科夫决策过程，其中，各参数定义如下：
状态空间S：所有簇头设备在不同调度时刻的开关状态；
行为空间A：控制中心在不同调度时刻对不同簇头的控制指令；
回报函数ρ:S×S×A→R：假设用户在状态s∈S下，控制中心采取行为a∈A之后，用户所发出的指令数量为n，则相应的回报函数可以设计为
Figure BDA0002348279790000083
r∈R，其中，N为系统中簇头节点的数量。
强化学习算法旨在通过与环境的交互，获得使累积回报最大的行为策略，即旨在利用强化学习得到使用户操控指令最少的策略。
自动切换算法总结如下：
1)控制中心在后台收集用户每一调度间隔内操控命令，即对哪一簇头点发出了指令，以及整个系统中的所有簇头在不同调度间隔内的工作状态；
2)当用户处于休眠时，利用步骤1)中收集的数据对神经网络进行训练，并记录训练好的神经网络参数；
3)当用户处于工作状态时，利用步骤2)中训练好的神经网络动态地对各簇头进行调度控制；
控制中心每日对步骤1)-步骤3)进行循环运作。
本发明具有以下有益效果：
通过设备分簇及簇头的选择，用户可以通过控制簇头来实现对整个簇的统一控制调度，从而有效地降低人类操作的复杂度，提高用户使用体验，减少由于冗余操作所带来的能量损耗。
通过用户操作反馈对簇内的设备进行增添与删除，从而实现簇内设备的动态更新，使得簇内的设备可以随着用户使用习惯进行动态更新。
通过用户对簇头的启动与关闭来实现对旧簇的关闭与新簇的生成，从而实现用户工作场景的快捷切换。
通过人工智能学习用户的日常行为习惯，自动地进行不同工作场景之间的切换。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过工作场景的不同对无线传感设备进行分簇，其中，将同一工作场景的各无线传感设备划分到同一簇中，根据人类的行为习惯确定同一簇中各无线传感设备的优先级，同时确定该簇的簇头，在执行过程中，根据各无线传感设备的优先级，依次开启同一簇中的各无线传感设备；
根据人类的行为习惯对簇内的无线传感设备进行更新；
当工作场景发生变化时，则根据工作场景的变化进行对应簇之间内的切换。
2.根据权利要求1所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，通过工作场景的不同对无线传感设备进行分簇，其中，将同一工作场景中的各无线传感设备划分到同一簇中，根据人类的行为习惯确定同一簇中各无线传感设备的优先级，同时确定该簇中簇头节点的具体过程为：
对处于不同工作场景下的各无线传感设备进行分簇，其中，将处于同一工作场景的各无线传感设备被划分到同一簇中，其中，簇
Figure FDA0002348279780000011
Figure FDA0002348279780000012
表示簇cj中的第i个无线传感设备，
Figure FDA0002348279780000013
的优先级为
Figure FDA0002348279780000014
其中，选择优先级最高的无线传感设备
Figure FDA0002348279780000015
作为簇头；
当用户启动一个新的无线传感设备时，控制中心建立一个新的簇cj，并选择该新的无线传感设备为新建立的簇的簇头，记录该新的无线传感设备的优先级i＝1，随后，每当用户启动一个新的无线传感设备v时，则将该无线传感设备加入新建立的簇cj中，并记录其优先级为i＝i+1，当用户在t′时间内未进行任何操作，则结束对簇cj的初始化；当初始化结束后，簇内的无线传感设备信息将被记录在簇头中，其中，簇内的无线传感设备信息包括无线传感设备的ID及优先级。
3.根据权利要求1所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，根据各无线传感设备的优先级，依次开启同一簇中的各无线传感设备的具体操作为：
当用户启动无线传感设备
Figure FDA0002348279780000021
时，无线传感设备
Figure FDA0002348279780000022
将对同一簇cj中的其他无线传感设备发送开启信号，以依次启动簇cj中的所有无线传感设备，相应地，当用户关闭无线传感设备
Figure FDA0002348279780000023
时，无线传感设备
Figure FDA0002348279780000024
将对同一簇cj中的其他无线传感设备发送关闭信号，以依次关闭簇cj中的所有无线传感设备。
4.根据权利要求1所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，根据人类的行为习惯对簇内的无线传感设备进行更新的具体过程为：
当簇cj在启动期间，用户开启新的不在该簇cj中的无线传感设备
Figure FDA0002348279780000025
时，则认为该簇cj需要进行更新，具体更新过程为：将新启动的无线传感设备v′加入簇cj中，并记录其优先级为
Figure FDA0002348279780000026
相应地，当簇cj在启动期间，用户需要关闭该簇cj中的无线传感设备
Figure FDA0002348279780000027
时，则在簇cj中删除无线传感设备
Figure FDA0002348279780000028
并更新剩余无线传感设备的优先级，即对于所有的无线传感设备
Figure FDA0002348279780000029
当
Figure FDA00023482797800000210
则该无线传感设备的优先级不变；当
Figure FDA00023482797800000211
则更新该无线传感设备的优先级为i＝i-1，当k＝1时，即簇头被关闭，则说明工作场景发生改变，需要进行不同簇之间的切换。
5.根据权利要求1所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，当工作场景发生变化时，则根据工作场景内的变化进行对应簇之间的切换的过程中，通过关闭簇头
Figure FDA0002348279780000031
来使得该簇cj中的无线传感设备全部关闭；通过开启新的簇头
Figure FDA0002348279780000032
来控制新簇ch中无线传感设备全部启动。
6.根据权利要求1所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，当场景发生变化时，通过手动切换或者自动切换的方式进行呢对应簇之间的切换。
7.根据权利要求1所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，所述自动切换的方式为：根据用户的历史控制信息，通过机器学习算法预测用户未来的行为，以自动进行场景的切换。
8.根据权利要求1所述的基于人因工程的无线传感网智能分簇方法，其特征在于，所述机器学习算法为强化学习算法。
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