本發(fā)明涉及傳感器網絡組網，具體為一種用于農田環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡組網方法。

背景技術：

1、網絡組網技術是通過網絡節(jié)點的組建而形成的網絡框架，這涉及節(jié)點的部署、拓撲結構的設計、通信協(xié)議的選擇等，為保證數據的可靠傳輸，通常會采用特定的路由協(xié)議、數據融合算法和節(jié)能機制，使網絡在農田環(huán)境中高效、低能耗地運行，組網技術在農田環(huán)境監(jiān)測中具有許多顯著優(yōu)點，有助于提升農業(yè)生產效率、環(huán)境保護和資源管理，而目前的網絡組網技術會常常受到地形以及設備數量分布的影響而導致信號較弱甚至無法完全覆蓋，如果數據處理不能實時處理和分析，可能會延遲對農業(yè)環(huán)境變化的響應，影響決策的及時性，尤其是在網絡組網技術中，無線傳感器網絡和其他網絡設備可能存在安全漏洞，易受到網絡攻擊、數據篡改或惡意軟件的威脅，而農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中收集的數據可能非常敏感，涉及到農作物的生長狀況、土壤質量等信息，保護這些數據免受網絡攻擊和未經授權訪問是一個重要的挑戰(zhàn)。

2、現有技術中的，公開號為cn114554626a公開了一種應用于物聯(lián)網數據傳輸的無線傳感器網絡組網方法，通過獲取無線傳感器網絡的組網信息，利用所述組網信息連入所述無線網絡，對無線傳感器網絡進行分組，將無線傳感器網絡劃分為柵格，每個柵格中存在若干個傳感器節(jié)點，按照用戶的需求進行分組，不用在空間有限的傳感器上增加多余按鍵，通過下載無線傳感器網絡數據方法可以克服現有技術中數據采集可靠度低和數據傳輸效率低的缺陷，以實現數據采集可靠度高和數據傳輸效率高的特點。

3、現有技術不足：

4、現有網絡組網方法中雖然通過對無線傳感器網絡劃分為柵格，將傳感器節(jié)點置于柵格中，解決了傳感器空間不足問題，但是若所有傳感器節(jié)點都在同一層級或分類下，它們可能會采集和處理重復或不相關的數據，從而增加數據冗余，而且不同類別的節(jié)點需要不同的路由策略，未分類的節(jié)點可能會導致數據傳輸路徑不夠優(yōu)化以及任務在節(jié)點之間分配不均勻。

5、通過直接下載無線傳感器數據方法雖然可以克服數據采集以及傳輸效率低的缺陷，但是卻很容易在下載的過程中，由于沒有選擇合適的傳輸路徑以及合適的處理數據的節(jié)點，就會導致網絡出現堵塞的情況，并且直接下載外來無線傳感器數據存在安全隱患，容易導致數據被惡意修改，造成經濟損失。

6、因此有必要提供一種用于農田環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡組網方法來解決所述問題。

7、在所述背景技術部分公開的上述信息僅用于加強對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于農田環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡組網方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

3、一種用于農田環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡組網方法，具體步驟包括：

4、步驟1：在農田中將傳感器節(jié)點按需分布，分為基礎節(jié)點、高級節(jié)點以及邊緣計算節(jié)點，基礎節(jié)點負責采集農田中基本數據，高級節(jié)點負責多個基礎節(jié)點的數據匯聚，邊緣計算節(jié)點對匯聚的數據進行計算，生成路徑代價閾值；

5、步驟2：在各個節(jié)點初始化時，采用能量感知的動態(tài)路由算法，根據每個節(jié)點當前剩余能量和鄰近節(jié)點能量的狀況來選擇數據傳輸途徑，當某條路由代價超過路徑代價閾值時，網絡將自動尋找新的路徑替代；

6、步驟3：通過邊緣計算節(jié)點接收沿路徑傳輸的數據，并將數據融合與壓縮，根據預設農田環(huán)境模型，實時控制農田設施，計算融合數據的熵值并與模型參數期望中值生成控制信號；

7、步驟4：在控制信號寫入區(qū)塊鏈之前，使用哈希算法對控制信號進行哈希處理，利用處理后的控制信號參與共識機制，確保控制信號寫入區(qū)塊鏈過程安全；

8、步驟5：網絡組網系統(tǒng)定期評估經過處理的控制信號，設置節(jié)點能耗閾值，當節(jié)點能耗超出能耗閾值時，系統(tǒng)將觸發(fā)調整機制，對節(jié)點重新分配任務量，確保在不同負載和能耗下都能有效工作。

9、進一步地，在步驟1中，將傳感器節(jié)點按需分布，具體所依據的方法為：將基礎節(jié)點按照均勻等間距原則設置在農田中，并且節(jié)點密度應滿足全區(qū)域覆蓋，在傳感器的通信范圍內確保冗余度；將農田分為多個區(qū)域，多個高級節(jié)點一一設置在各個區(qū)域的幾何中心處，以邊緣計算節(jié)點與各個高級節(jié)點間的距離之和最小化為約束條件，確定邊緣計算節(jié)點的位置。

10、進一步地，在步驟1中，邊緣計算節(jié)點對匯聚的數據進行計算，生成路徑代價閾值的具體所依據的方法為：采集數據在節(jié)點之間傳輸的能耗、節(jié)點處理數據所需的計算資源消耗以及節(jié)點完成傳輸和計算任務所消耗的電能，而路徑代價閾值基于平均代價和方差來設定，綜合農田中所有路徑數量，生成路徑代價閾值所依據的邏輯為：

11、；

12、；

13、；

14、；

15、其中，、、分別表示路徑上第個節(jié)點的傳輸成本、計算成本、能耗成本，、、分別表示用于調節(jié)傳輸、計算和能耗在路徑代價中的占比，表示路徑的綜合代價，表示路徑平均代價，表示路徑綜合代價的方差，表示路徑上節(jié)點的數量，表示農田中所有路徑的數量，表示第條路徑的綜合代價，表示路徑代價閾值，表示調節(jié)系數，取值在1-2之間。

16、進一步地，在步驟2中，在網絡拓撲結構中采用能量感知的動態(tài)路由算法，每個節(jié)點根據當前剩余能量和鄰近節(jié)點能量的狀況來選擇數據傳輸途徑，具體所依據的方法為：通過計算得到的路由代價來選擇下一跳節(jié)點，當前節(jié)點選擇鄰近節(jié)點中路由代價最小的節(jié)點作為下一跳，在選擇路徑時，如果計算的路由代價超過路徑代價閾值，則認為該路徑不適合繼續(xù)使用，節(jié)點將重新計算其他可用路徑，當節(jié)點自身或者鄰近節(jié)點剩余能量低于設定的能量閾值時，會觸發(fā)路由更新，找尋新的可用路徑，具體所依據的邏輯為:

17、；

18、；

19、其中，表示從當前節(jié)點到鄰近節(jié)點的所需的傳輸能耗，表示當前節(jié)點剩余的能量，表示鄰近節(jié)點的剩余能量，表示當前節(jié)點到鄰近節(jié)點之間的傳輸距離，、、分別表示對應的傳輸能耗、鄰近節(jié)點的剩余能量、傳輸距離的權重比例，表示設置的最低能量閾值，表示路徑更新判斷值，當時，觸發(fā)路由更新，找尋新的可用途徑；當時，不觸發(fā)路由更新。

20、進一步地，在步驟3中，通過邊緣計算節(jié)點接收沿路徑傳輸的數據，將數據融合與壓縮，具體所依據的方法：邊緣計算節(jié)點從路徑傳感器接收數據后，采用加權平均機制將數據融合，采用差分編碼來減少數據的冗余，接著使用熵編碼進一步壓縮數據體積，具體所依據的邏輯為：

21、；

22、；

23、其中，表示第個節(jié)點在時刻的融合數據，表示第個節(jié)點的權重，表示第個節(jié)點在時刻的測量值，表示第個節(jié)點在時刻的融合數據，表示時刻的差分數據。

24、進一步地，在步驟3中，計算融合數據的熵值并與模型參數期望中值生成控制信號，具體所依據的邏輯為：

25、；

26、；

27、；

28、；

29、其中，表示第個節(jié)點時刻的差分數據的熵值，表示差分數據的概率分布，表示節(jié)點差分數據的熵值集合，表示環(huán)境模型中參數期望值集合，表示當前節(jié)點差分數據的加權和,表示環(huán)境模型中的中值期望，表示綜合生成的控制信號，表示期望的數量。

30、進一步地，在步驟4中，在控制信號寫入區(qū)塊鏈之前，使用哈希算法對控制信號進行哈希處理，利用處理后的控制信號參與共識機制，確保控制信號寫入區(qū)塊鏈過程安全，具體所依據的方法為：控制信號先通過一個安全的哈希函數，計算其哈希值，再經過共識機制確認，將哈希值廣播給網絡中的其他節(jié)點，其他節(jié)點對該哈希值進行計算驗證，若與之前得到的哈希值相等則確認數據沒有被篡改，具體所依據的邏輯為：

31、；

32、；

33、；

34、其中，表示控制信號通過哈希算法生成的哈希值，表示哈希函數處理固定長度的256位哈希值，表示經過其他節(jié)點認證過的哈希值，表示哈希值驗證機制判斷值，時，表示哈希值未被篡改，將控制信號寫入區(qū)塊鏈；時，表示哈希值已經被篡改，阻止控制信號寫入區(qū)塊鏈。

35、進一步地，在步驟5中，若檢測到節(jié)點能耗過高，系統(tǒng)將觸發(fā)調整機制，對節(jié)點重新分配任務量，具體所依據的方法為：當檢測到任何路徑代價超過路徑代價閾值時或者某個節(jié)點能耗速率過快,網絡組網系統(tǒng)采用動態(tài)任務重分配將高能耗節(jié)點任務遷移到能耗較低節(jié)點上，利用任務的重新調整分配與能耗的反比例關系，剩余能量越少的節(jié)點，其任務縮減幅度越大；剩余能量越多的節(jié)點，其任務縮減幅度越小，具體所依據的邏輯為：

36、；

37、；

38、其中，表示節(jié)點的能耗調度優(yōu)先級，表示節(jié)點在時刻的剩余能量，表示在時刻節(jié)點分配到的任務量，表示在時刻節(jié)點經調整后分配到的任務量，表示系統(tǒng)中節(jié)點的最大剩余能量。

39、與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

40、本發(fā)明通過層次化節(jié)點管理，本發(fā)明優(yōu)化了數據采集、匯聚和處理的流程，這種分層結構不僅提升了數據處理效率，還減少了網絡擁堵和數據傳輸延遲，動態(tài)路由算法則通過能量感知和實時路徑調整，提高了數據傳輸的可靠性和效率，降低了數據丟失和延遲；

41、本發(fā)明還通過區(qū)塊鏈技術的應用，通過哈希算法和共識機制，確保了控制信號在傳輸和存儲過程中的安全性和完整性，防止數據篡改和偽造，增強了系統(tǒng)的可信度，并且智能調整與負載均衡機制使得系統(tǒng)能夠根據路徑代價和節(jié)點能耗的變化動態(tài)調整任務分配，確保在不同負載和能耗條件下的穩(wěn)定運行，提高了系統(tǒng)的適應性和長期穩(wěn)定性;

42、本發(fā)明通過層次化節(jié)點管理、動態(tài)路由算法、區(qū)塊鏈技術及智能調整機制，顯著提升了系統(tǒng)的數據處理效率、傳輸可靠性、安全性和適應性。