CN102355753A - 基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统。所述无线传感器网络采用分簇路由协议，在每组簇中，只有簇头节点和部分传感器节点工作，其余节点处于休眠状态，工作的传感器节点事先获取各自通信距离在两跳范围内传感器节点的信息，当某个传感器节点监测到的数据出现异常时，该传感器节点唤醒距自己在两跳范围内的休眠节点。其优点是：基于面向实时监测的无线传感器网络可以保证数据监测的实时性；按博物馆中文物的数量来分簇的方法，可以有效的提高博物馆的安全性；每组簇中的簇头节点的选取依据节点剩余能量和节点距文物的距离共同决定，可以使每组簇对每件文物监测的数据进行及时的处理和传递，且降低了传感器节点的能耗。

Description

基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，尤其是一种基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统。

背景技术

博物馆是大多数珍贵文物的汇集地，并加之我国大多数博物馆已经实行了免费对外开放，所以博物馆的安全问题就显得尤为重要。博物馆也是文物犯罪经常发生的场所。近几年我国一些地方的博物馆出现了文博被盗或被损坏，甚至在一些暴力抢劫博物馆的案件中，造成了人员伤亡，博物馆的安全问题除了防盗，还有防潮、防火、防震等问题。现阶段博物馆的安全主要靠工作人员的看守、电子监控和报警器，而这些措施难以及时的预防或发现安全隐患。因此，对博物馆环境的监测有待进一步的完善。

无线传感器网络(WSN)作为物联网的关键技术之一引起了人们的广泛关注。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及通信技术，能够协作实时监测、感知和采集网络分布区域内监测对象的信息，并对数据进行处理后，传送给观察者。由于博物馆中的异常事件发生具有随机性，因此应该实时的监测博物馆的环境，而面向实时监测的无线传感器网络可以很好的保证数据监测的实时性，以便及时的消除安全隐患，因而有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于面向实时监测的无线传感器网络的博物馆的环境监测方法，能够有效的延长网络的使用寿命。

按照本发明提供的技术方案，所述基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，包括无线传感器网络，无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点、基站、控制中心服务器，所述传感器节点将监测的数据传给汇聚节点，汇聚节点将数据进行汇总和处理后，连接至上层的传输网络传送给基站，基站负责将无线传感器网络和Internet相连，最终通过Internet连接到控制中心服务器；控制中心服务器发出的消息通过Internet，再由Internet链接至无线传感器网络中的基站，基站将信息传给汇聚节点，然后再将信息传递给需要的传感器节点；所述无线传感器网络采用分簇路由协议，在每组簇中，只有簇头节点和部分传感器节点工作，其余节点处于休眠状态，工作的传感器节点事先获取各自通信距离在两跳范围内传感器节点的信息，当某个传感器节点监测到的数据出现异常时，该传感器节点唤醒距自己在两跳范围内的休眠节点。

所述簇头节点的选取由簇内传感器节点轮流担任，当选为簇头节点的概率与以下两条原则有关：(1)与传感器节点自身剩余能量正相关；(2)与传感器节点距所监测文物的距离负相关。

所述簇头节点对簇内传感器节点进行管理并且要进行数据融合。

设在一组簇中，传感器节点的个数为N，设定所有节点当簇头的初始概率均为p₀，节点的能量阀值设为E₀，λ表示节点超过能量阀值E₀的倍数，d_i表示节点s_i与所监测文物的距离。则对于传感器节点s_i当选为簇头的概率为：

$p\left(s_i\right)=[{\mathrm{\ω}}_1\×\frac{N(1+{\mathrm{\λ}}_i)}{N+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{1}{e^{d_i}}]\×p_0$ (*)

其中w₁和w₂分别表示能量与距离的加权系数，且满足w₁+w₂＝1。

设博物馆中有M件文物，则将传感器节点划分为M个簇。

无线传感器网络中选取簇头节点的步骤如下：

(1)初始化无线传感器网络中传感器节点的当选概率p₀，设定能量阀值E₀；

(2)计算每个传感器节点超过能量阀值E₀的倍数λ以及该传感器节点与所监测文物之间的距离；

(3)根据公式*计算簇内每个传感器节点当选为簇头节点的概率，并组成一个集合A＝{(p_i，s_i)|i＝1，...，N}，其中s_i和p_i分别表示簇中第i个节点以及当选概率；

(4)找出集合A中当选概率最大的元素(p_j，s_j)；

(5)节点s_j公布自己当选为簇头节点的信息。

所述传感器节点具有定位模块，并至少带有温度监测模块、湿度监测模块、压力监测模块、位移监测模块、图像监测模块、噪声监测模块之一。

本发明的无线传感器网络簇的划分依据博物馆中文物的个数，在每组簇中始终有少数节点工作来监测对应文物的周围环境信息，其他节点处于休眠状态，当节点监测到的数据有异常时，则唤醒周围休眠的节点；由于簇头节点需要对本组簇中的信息进行处理，所消耗的能量比较大。本发明提出了一种新型的簇头节点选取机制，使得簇头节点选取兼顾节点剩余能量和与文物之间的距离。

本发明的优点是：面向实时监测的无线传感器网络始终有节点处于工作状态并将数据发送给控制中心，保证了数据监测的实时性；采用以文物的个数为传感器节点分簇保证了文物的安全；以节点剩余能量以及节点与文物之间的距离来决定节点当选为簇头节点的概率保证了网络能量的均衡性，可以有效的延长网络的使用寿命。

附图说明

图1是面向实时监测的无线传感器网络的系统结构图；

图2是监测区域节点部署的方法；

图3是选取簇头节点的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，面向实时监测的无线传感器网络是一种分层网络。监测区域每个簇的簇头节点对本簇的数据进行融合后，传给汇聚节点，汇聚节点再将数据做进一步处理后，连接至上层的传输网络传送给基站，基站负责将传感网和Internet相连，最终通过Internet连接到控制中心服务器。

在面向实时监测的无线传感器网络中，传感器节点实行分簇管理。簇的划分依据博物馆中文物的数量。每个簇中，只有部分节点和簇头节点工作，其他节点处于休眠状态，当节点监测到的数据有异常时，则唤醒周围休眠的节点。

所述传感器节点唤醒周围的节点，是指所有工作的节点分别获取各自通信距离在两跳范围内的邻居节点的信息。当某个节点监测的数据有异常时，则唤醒距离自己在两跳范围内的休眠节点。

由于簇头节点要对簇内节点进行管理并且要进行数据融合，所以簇头节点的能量消耗比较大。为了使网络中的能量均衡，簇内的节点应轮流作为簇头节点。设在一组簇中，传感器节点的个数为N，设定所有节点当簇头的初始概率均为p₀，节点的能量阀值设为E₀，λ表示节点超过能量阀值E₀的倍数，d_i表示节点s_i与所监测文物的距离。则对于传感器节点s_i当选为簇头的概率为：

$p\left(s_i\right)=[{\mathrm{\ω}}_1\×\frac{N(1+{\mathrm{\λ}}_i)}{N+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{1}{e^{d_i}}]\×p_0$ (*)

其中w₁和w₂分别表示能量与距离的加权系数，且满足w₁+w₂＝1。

监测区域的传感器节点采集博物馆的环境信息，由簇头节点进行处理后发送给汇聚节点；汇聚节点经过传输网路将进一步整理的数据传给基站；基站负责无线传感网与Internet的互联；之后由Internet将数据传送给控制中心服务器。

所述的汇聚节点和基站都有较强的计算能力、存储能力和通信能力；传输网路具有较强的计算能力和存储能力，并具有不间断电源供应的多个无线通信节点，提供汇聚节点与基站之间的通信带宽和通信可靠性；控制中心服务器提供不间断的电力，具有很强的计算能力，大量的存储空间和通信带宽，负责发送指令给基站和节点，接收从基站传来的数据，并进行存储、处理、显示，形成数据库查询为更好的进行环境监测和异常数据发现提供数据基础。

分簇路由协议可以有效的降低网络的能量消耗。本发明依据博物馆中文物的个数来划分簇的。设博物馆中有M件文物，则将节点划分为M个簇。簇头节点应由簇内节点轮流当选。在每组簇中，只有簇头节点和部分节点工作，其余节点处于休眠状态。当工作的节点监测的数据出现异常时，则唤醒周围的节点。

图2中形状相同的图形表示同一个簇的节点，线条粗的为簇头节点。图2中的文物和每个簇中节点的个数只是示意性的表示，具体应依据博物馆的实际情况而定。

划分簇时，簇内节点的个数应依据文物的大小、价值和物理位置而确定。每个簇中的簇头节点都依据两个原则：(1)每个节点被选为簇头节点的概率与自身剩余能量正相关；(2)每个节点被选为簇头节点的概率与自身距所监测文物的距离负相关。这样可以保证每个节点能量消耗的均衡性，有效的延长了网络的寿命。

所述当监测数据异常时，唤醒周围的休眠节点是指，每个节点事先获取各自通信范围在两跳之内的节点信息，当某个节点监测的数据有异常，则唤醒距自己通信距离在两跳之内的休眠节点。

所述的传感器节点具有定位模块，并至少带有温度监测模块、湿度监测模块、压力监测模块、位移监测模块、图像监测模块、噪声监测模块之一。

异常数据的判断是指：节点实时的采集监测区域的信息，并且每个节点将各自采集的数据以时间为顺序存放在数据库中；当采集的数据与之前的几个时刻采集的数据出现明显的区别时，控制中心服务器则发送预警信息同时发送消息提示异常数据周围的监测节点数量增加，如果异常数据继续存在则发送报警信息。Internet通过基站、传输网络、汇聚节点和簇头节点逐级的将消息传送到异常数据的位置。休眠节点被唤醒后加强了对可能出现异常位置的监测。

如图3所示为选取簇头节点的流程图，具体步骤如下：

(1)初始化无线传感器网络中传感器节点的当选概率p₀，设定能量阀值E₀；

(2)计算每个传感器节点超过能量阀值E₀的倍数λ以及该传感器节点与所监测文物之间的距离；

(3)根据公式(*)计算簇内每个传感器节点当选为簇头节点的概率，并组成一个集合A＝{(p_i，s_i)|i＝1，...，N}，其中s_i和p_i分别表示簇中第i个节点以及当选概率；

(4)找出集合A中当选概率最大的元素(p_j，s_j)；

(5)节点s_j公布自己当选为簇头节点的信息。

Claims (7)

1.基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，包括无线传感器网络，其特征是：所述无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点、基站、控制中心服务器，所述传感器节点将监测的数据传给汇聚节点，汇聚节点将数据进行汇总和处理后，连接至上层的传输网络传送给基站，基站负责将无线传感器网络和Internet相连，最终通过Internet连接到控制中心服务器；控制中心服务器发出的消息通过Internet，再由Internet链接至无线传感器网络中的基站，基站将信息传给汇聚节点，然后再将信息传递给需要的传感器节点；所述无线传感器网络采用分簇路由协议，在每组簇中，只有簇头节点和部分传感器节点工作，其余节点处于休眠状态，工作的传感器节点事先获取各自通信距离在两跳范围内传感器节点的信息，当某个传感器节点监测到的数据出现异常时，该传感器节点唤醒距自己在两跳范围内的休眠节点。

2.如权利要求1所述基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，其特征是，所述簇头节点的选取由簇内传感器节点轮流担任，当选为簇头节点的概率与以下两条原则有关：(1)与传感器节点自身剩余能量正相关；(2)与传感器节点距所监测文物的距离负相关。

3.如权利要求1所述基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，其特征是，所述簇头节点对簇内传感器节点进行管理并且要进行数据融合。

4.如权利要求2所述基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，其特征是，设在一组簇中，传感器节点的个数为N，设定所有节点当簇头的初始概率均为p₀，节点的能量阀值设为E₀，λ表示节点超过能量阀值E₀的倍数，d_i表示节点s_i与所监测文物的距离。则对于传感器节点s_i当选为簇头的概率为：

$p\left(s_i\right)=[{\mathrm{\ω}}_1\×\frac{N(1+{\mathrm{\λ}}_i)}{N+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{1}{e^{d_i}}]\×p_0$ (*)

其中w₁和w₂分别表示能量与距离的加权系数，且满足w₁+w₂＝1。

5.如权利要求1所述基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，其特征是，设博物馆中有M件文物，则将传感器节点划分为M个簇。

6.如权利要求4所述基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，其特征是，无线传感器网络中选取簇头节点的步骤如下：

(1)初始化无线传感器网络中传感器节点的当选概率p₀，设定能量阀值E₀；

(2)计算每个传感器节点超过能量阀值E₀的倍数λ以及该传感器节点与所监测文物之间的距离；

(3)根据公式*计算簇内每个传感器节点当选为簇头节点的概率，并组成一个集合A＝{(p_i，s_i)|i＝1，...，N}，其中s_i和p_i分别表示簇中第i个节点以及当选概率；

(4)找出集合A中当选概率最大的元素(p_j，s_j)；

(5)节点s_j公布自己当选为簇头节点的信息。

7.如权利要求1所述基于无线传感器网络的博物馆环境监测系统，其特征是，所述传感器节点具有定位模块，并至少带有温度监测模块、湿度监测模块、压力监测模块、位移监测模块、图像监测模块、噪声监测模块之一。

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