CN102495187B

CN102495187B - 一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法

Info

Publication number: CN102495187B
Application number: CN201110359281.6A
Authority: CN
Inventors: 杨君; 柴利; 栾凡; 陈睿瑶
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2031-11-14
Also published as: CN102495187A

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法。其技术方案是：首先在待测水环境区域内均匀地部署n个传感器节点，传感器节点均分别以无线多跳的方式与汇聚节点连接，汇集节点与网关无线连接，网关通过数据线与数据管理中心连接；在数据管理中心装有管理软件，管理软件包括水环境污染源的探测模块和定位模块；最后，数据管理中心的管理软件把收集到的传感器节点的数据代入水环境污染源的探测模块和定位模块即可探测到污染源并计算出污染源位置坐标。因此，本发明具有简便易行、准确度高、操作性强、成本低廉和短时高效等优点，为实际的水环境污染源的探测与定位应用提供了一种更加先进的方法。

Description

一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法

技术领域

本发明属于无线传感网络技术领域。具体涉及一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法。

技术背景

目前，随着水环境问题的日益增多，人们对水环境的保护意识增强，水环境中污染源的探测与定位技术也随之凸显关注。利用无线传感器网络自动探测与定位技术有利于节约大量人力成本和保护水资源，而且实时动态探测与定位已经成为水环境市场的迫切需求，同时也是相关部门极其重视的技术领域。

无线传感网络作为一种新型网络，在智能家居、智能建筑、医疗护理和环境监测等相关领域得到越来越广泛的应用。无线传感器网络由部署在检测区域内大量的廉价微型节能传感器节点组成，通过无线自组织方式形成网络系统，其目的是协同地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，接收命令并与控制中心交换有关现实世界的信息。现有污染源的探测与定位的方法主要有以下三类：

第一类是遥感技术，该技术主要利用水体中的物质，特别是能进行光合作用的飘浮有机物质(如浮游植物)、无机颗粒物与入射光相互作用而产生水色变化进行工作。由于浮游植物中的叶绿素对蓝光、红光有较强的吸收作用，可用来推算水体中的叶绿素分布情况。此外，有机、无机颗粒物质可吸收入射光，影响水体的透明度等，可通过收集到的信息对其进行识别、分析和判断，从而达到探测与定位的目的。但这些方法只能观测到水面的污染情况而观测不到水下的情况，另外由于污染对水中的植物的影响需要一定的时间，这使得探测与定位的时效性不强。

第二类是水下机器人的定位技术，该技术是系统利用超声波传感器获取距离信息，同时采用三点定位法计算出位置坐标。利用单片机存储时间信息和温度信息，并将这些信息实时传送到工控机程序完成定位，然后通过实验获取超声波的定位数据，并采用非线性优化的方法对数据进行分析与定位。但这种方法的缺点是传感器太少或者本身性能不够，不能很好的感知外界物体状态，另外现有一些工业机器人还是会出现故障且造价昂贵，可操作性不强。

第三类是人工检测定位技术，该技术主要是由人工采集水质样本，再经过样品实验室分析和对比数据，逐层排除，最后找到污染源。这种方法比较原始，属于传统的定位方法，其缺点是周期长、采样时间受水域地形和天气等诸多因素影响，计算也很复杂。

总体上说，现有的技术都受到了诸多因素的影响，使水污染源的探测与定位缺乏准确性与可行性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种成本低廉、操作性强、准确性高和短时高效的基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

第一步、部署无线传感网络

在待测水环境区域内均匀地设有n个传感器节点，传感器节点的坐标点为（i=1,2,3…,n；n 3），传感器节点均分别以无线多跳的方式与1个汇聚节点连接，汇聚节点与1个网关无线连接，网关通过数据线与数据管理中心连接；在数据管理中心装有管理软件，管理软件包括水环境污染源的探测模块和水环境污染源的定位模块。

第二步、水环境污染源的探测

设定水环境中的离子背景浓度为和温差导致离子浓度波动的允许值为，若n个传感器节点中的一个或多个传感器节点采集的离子浓度超过水环境中离子背景浓度与所述允许值之和时，则传感器节点采集的离子浓度为数据异常，数据管理中心发出报警信号，表明探测到水环境污染源在该传感器节点附近；

第三步、水环境污染源的定位

(1)在=0时，若数据异常的传感器节点的个数，探测到的水环境污染物在待测的水环境区域内的位置为，即为污染源，水环境污染源在扩散时为各向同性，则污染物在x、y轴方向上的扩散系数，传感器节点在时刻采集的浓度值方程为：

（1）

式（1）中：M为污染物质量，选取同一传感器节点的两个不同时刻，列出二个方程，解出M值；

(2) 在实际采集中，取时间内测( l=1,2,3,…,m)次，得到传感器节点在时间内采集的浓度平均值：

（2）

(3) 由式(1)和式(2)，得：

（3）

(4) 令

则：

（4）

式（4）中：为污染源周围的节点数，，则：

（5）

上式（5）中的第1,2,，…，n-1个方程分别减去第n个方程得：

（6）

即得线性方程：，其中：

，

(5) 解线性方程：，得：

（7）

向量就是水环境污染源的坐标。

所述管理软件的主流程是：

S-101、初始化；

S-102、接收数据；

S-101、一轮数据是否接收完毕？

S-104、若接收完毕，则执行S-105；若未接收完毕，则执行S-102；

S-105、调用水环境污染源的探测模块；

S-106、警报信号的值是否为真值？

S-107、若是真值，则执行S-108；若不是真值，则执行S-102；

S-108、发出警报信号；

S-109、提取数据异常的传感器节点个数；

S-110、判断数据异常的传感器节点个数是否？

S-111、若是，则执行S-112；若不是，则执行S-102；

S-112、调用水环境污染源的定位模块；

S-113、显示污染源位置；

S-114、执行S-302。

所述污染源的探测模块的主流程是：

S-201 初始化；

S-202 是否有新的数据接收？

S-203 若是，则执行S-104；若不是，则执行S-102；

S-204 检测数据管理中心所接收的数据；

S-205 计算？

S-206 若是，则执行S-107；若不是，则执行S-102；

S-207 将和值记入数据异常的传感器节点的数据表中；

S-208 置警报标志值为真值；

S-209 结束。

所述污染源的定位模块的主流程是：

S-301 初始化；

S-302 提取有数据异常的传感器节点信息；

S-303 计算出值；

S-304 计算出向量A值和向量b值；

S-305 计算水环境污染源坐标；

S-306 结束。

由于采用上述技术方案，本发明首先在待测水环境区域内均匀地设有n个传感器节点，传感器节点均分别以无线多跳的方式与1个汇聚节点连接，汇聚节点与1个网关无线连接，网关通过数据线与数据管理中心连接；在数据管理中心建立二维随机扩散时间连续水污染源模型，从而确定污染源位置坐标。本发明克服了遥感技术时效性差的缺陷。整个监测过程中数据通过无线方式自动传送，能随时监测到水体的变化，可及时、准确的定位污染源。

由于本发明中采用的无线传感器网络的传感器节点体积小，便于移动，能方便地部署于被监测的水域中，简便易行，且成本很低；克服了工业机器人造价昂贵、可操作性不强、人工检测技术周期长、采样时间受水域地形等诸多因素影响和计算复杂的缺点。因此，本发明与现有的探测与定位方法相比，具有简便易行、准确度高、操作性强、成本低廉和短时高效等优点，为实际的水环境污染源的探测与定位应用提供了一种更加先进的方法。

附图说明

图1为数据管理中心的管理软件的主流程图；

图2为图1中水环境污染源的探测模块的主流程图；

图3为图1中水环境污染源的定位模块的主流程图。

具体的实施方法

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例 1

一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法，其步骤如下：

第一步、部署无线传感网络

在待测的水环境区域内均匀地设有11个传感器节点，传感器节点的坐标点为（=1,2,3…,11），传感器节点均分别以无线多跳的方式与1个汇聚节点连接，汇聚节点与1个网关无线连接，网关4通过数据线和数据管理中心连接；在数据管理中心装有管理软件，管理软件包括水环境污染源的探测模块和水环境污染源的定位模块。

第二步、水环境污染源的探测

设定水中的离子背景浓度为C_C =500mg/l和温差导致离子浓度波动的允许值为=50mg/l，若11个传感器节点中的一个传感器节点采集的离子浓度超过水环境中离子背景浓度C_C =500mg/l与所述允许值=50mg/l之和550mg/l时，则传感器节点采集的离子浓度为数据异常，数据管理中心发出报警信号，表明探测到水环境污染源在该传感器节点附近；

第三步、水环境污染源的定位

(1) 在=0时，若数据异常的传感器节点的个数，探测到的水环境污染物在待测的水环境区域内的位置为，即为污染源，水环境污染源在扩散时为各向同性，则污染物在x、y轴方向上的扩散系数，传感器节点在时刻采集的浓度值方程为：

（1）

式（1）中：M为污染物质量，

将选取同一传感器节点不同的两个时刻所采集的浓度为值=58.5g/l和

=44.1g/l分别代入（1）式中，得：

M≈10000.9g

(2) 在实际采集中，取时间内采集10次，得到3个传感器节点，，在=600s时刻时间内采集的浓度平均值：

（2）

经计算得： =64.9g/l，=39.4g/l，=45.6g/l 。

(3) 由式(1)和)式(2，得：

（3）

(4) 令，

则：

（4）

将=64.9g/l、=39.4g/l和=45.6g/l分别代入中，得：

=1，=5，=。

将、和分别代入式（4），为污染源周围的传感器节点数，，则：

（5）

上式（5）中的第1方程和第2个方程分别减去第3个方程得：

（6）

即得线性方程：，其中：

，

即：，

，

。

(6) 解线性方程：（7）

即得污染源的坐标（0,0）。

本实施例1的数据管理中心的管理软件的主流程是：

所述管理软件的主流程是：

S-101、初始化；

S-102、接收数据；

S-101、一轮数据是否接收完毕？

S-105、调用水环境污染源的探测模块；

S-106、警报信号的值是否为真值？

S-107、若是真值，则执行S-108；若不是真值，则执行S-102；

S-108、发出警报信号；

S-109、提取数据异常的传感器节点个数；

S-110、判断数据异常的传感器节点个数是否？

S-111、若是，则执行S-112；若不是，则执行S-102；

S-112、调用水环境污染源的定位模块；

S-113、显示污染源位置；

S-114、执行S-302。

所述污染源的探测模块的主流程是：

S-201 初始化；

S-202 是否有新的数据接收？

S-203 若是，则执行S-104；若不是，则执行S-102；

S-204 检测数据管理中心所接收的数据；

S-205 计算？

S-206 若是，则执行S-107；若不是，则执行S-102；

S-207 将和值记入数据异常的传感器节点的数据表中；

S-208 置警报标志值为真值；

S-209 结束。

所述污染源的定位模块的主流程是：

S-301 初始化；

S-302 提取有数据异常的传感器节点信息；

S-303 计算出值；

S-304 计算出向量A值和向量b值；

S-305 计算水环境污染源坐标；

S-306 结束。

实施例二

第一步、部署无线传感网络

在待测的水环境区域内均匀地设有20个传感器节点，传感器节点的坐标点为（=1,2,3…,20），传感器节点均分别以无线多跳的方式与1个汇聚节点连接，汇聚节点与1个网关无线连接，网关通过数据线和数据管理中心连接；在数据管理中心装有管理软件，管理软件包括水环境污染源的探测模块和水环境污染源的定位模块。

第二步、水环境污染源的探测

设定水中的离子背景浓度为C_C =500mg/l，温差导致离子浓度波动的允许值为=50mg/l，若20个传感器节点中的5个传感器节点采集的离子浓度超过水环境中离子背景浓度=500mg/l与所述允许值=50mg/l之和550mg/l时，则传感器节点采集的离子浓度为数据异常，数据管理中心发出报警信号，表明探测到水环境污染源在该传感器节点附近；

第三步、水环境污染源的定位

(1)在=0时，若数据异常的传感器节点的个数时，探测到的水环境污染物在待测的水环境区域内的位置为，即为污染源，水环境污染源在扩散时为各向同性，则污染物在x、y轴方向上的扩散系数，由传感器节点在时刻采集的浓度值为C()：

（1）

式（1）中：M为污染物质量，

将选取同一传感器节点不同的两个时刻所采集的浓度值为=53.8g/L和=41.4g/L代入（1）式中，得：

M≈10000g

(2) 在实际采集中，取时间内测10次，得到5个传感器节点，，，，在=600s时刻时间内采集的浓度平均值：

（2）

经计算得：=48.46g/l，=41.88g/l，=53.78g/l，= 39.35g/l，=27.61g/l。

(3) 由式(1)和式(2)，得：

（3）

(4) 令，

则：

（4）

将=48.46g/l、=41.88g/l、=53.78g/l、= 39.35g/l和=27.61g/l分别代入中，得：

=3.883m，=4.69m，=3.175m，=5.008m，=6.487m 。

将、、、和，分别代入式（4），为污染源周围的传感器节点数，，则：

（5）

将上式（5）中第1、2、3和4个方程分别减去第5个方程得：

（6）

即得线性方程：，其中：

，

即：，

，

。

(6) 解线性方程：，（7）

即得污染源的坐标（4.0017,0.9996）。

本实施例2的数据管理中心的管理软件的主流程同实施例1。

本具体实施方式首先在待测水环境区域内均匀地设有n个传感器节点，传感器节点均分别以无线多跳的方式与1个汇聚节点连接，汇聚节点与1个网关无线连接，网关通过数据线与数据管理中心连接；在数据管理中心建立二维随机扩散时间连续水污染源模型，从而确定污染源位置坐标。本发明克服了遥感技术时效性差的缺陷。整个监测过程中数据通过无线方式自动传送，能随时监测到水体的变化，可及时、准确的定位污染源。

由于本具体实施方式中采用的无线传感器网络的传感器节点体积小，便于移动，能方便地部署于被监测的水域中，简便易行，且成本很低；克服了工业机器人造价昂贵、可操作性不强、人工检测技术周期长、采样时间受水域地形等诸多因素影响和计算复杂的缺点。因此，本发明与现有的探测与定位方法相比，具有简便易行、准确度高、操作性强、成本低廉和短时高效等优点，为实际的水环境污染源的探测与定位应用提供了一种更加先进的方法。

Claims

1.一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法，其特征在于所述探测方法是：

第一步、部署无线传感网络

在待测水环境区域内均匀地设有n个传感器节点，传感器节点的坐标点为p_i(x_i,y_i)(i＝1,2,3…,n；n≥3)，传感器节点均分别以无线多跳的方式与1个汇聚节点连接，汇聚节点与1个网关无线连接，网关通过数据线与数据管理中心连接；在数据管理中心装有管理软件，管理软件包括水环境污染源的探测模块和水环境污染源的定位模块；

第二步、水环境污染源的探测

设定水环境中的离子背景浓度为c_c和温差导致离子浓度波动的允许值为Δc，若n个传感器节点中的一个或多个传感器节点p_i(x_i,y_i)采集的离子浓度超过水环境中离子背景浓度c_c与所述允许值Δc之和时，则传感器节点采集的离子浓度为数据异常，数据管理中心发出报警信号，表明探测到水环境污染源在该传感器节点p_i(x_i,y_i)附近；

第三步、水环境污染源的定位

(1)在t＝0时，若数据异常的传感器节点的个数≥3，探测到的水环境污染物在待测的水环境区域内的位置为(x_s,y_s)，即为污染源，水环境污染源在扩散时为各向同性，则污染物在x、y轴方向上的扩散系数D_x＝D_y＝D，传感器节点p_i在t_k时刻采集的浓度值方程为：

式(1)中：M为污染物质量，选取同一传感器节点的两个不同时刻，列出二个方程，解出M值；

(2)在实际采集中，取T时间内测l(l＝1,2,3,…,m)次，传感器节点p_i在T时间内采集的浓度平均值

(3)由式(1)和式(2)，得：

(4)令

则：

(x_i-x_s)²+(y_i-y_s)²＝d_i ² (4)

式(4)中：i为污染源周围的节点数，i≥3，则：

上式(5)中的第1，2，…，n-1个方程分别减去第n个方程得：

即得线性方程：AX＝b，其中：

(5)解线性方程：AX＝b，得：

X＝(A^TA)^-1A^Tb (7)

向量X就是水环境污染源的坐标。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法，其特征在于所述管理软件的主流程是：

S-101、初始化；

S-102、接收数据；

S-101、一轮数据是否接收完毕？

S-105、调用水环境污染源的探测模块；

S-106、警报信号的值是否为真值？

S-107、若是真值，则执行S-108；若不是真值，则执行S-102；

S-108、发出警报信号；

S-109、提取数据异常的传感器节点个数；

S-110、判断数据异常的传感器节点个数是否≥3？

S-111、若是，则执行S-112；若不是，则执行S-102；

S-112、调用水环境污染源的定位模块；

S-113、显示污染源位置；

S-114、执行S-102。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法，其特征在于所述污染源的探测模块的主流程是：

S-201初始化；

S-202是否有新的数据接收？

S-203若是，则执行S-104；若不是，则执行S-102；

S-204检测数据管理中心所接收的数据；

S-205计算

S-206若是，则执行S-107；若不是，则执行S-102；

S-207将和(x_i,y_i)值记入数据异常的传感器节点的数据表中；

S-208置警报标志值为真值；

S-209结束。

4.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法，其特征在于所述污染源的定位模块的主流程是：

S-301初始化；

S-302提取有数据异常的传感器节点信息；

S-303计算出di值；

S-304计算出向量A值和向量b值；

S-305计算水环境污染源坐标(x_s,y_s)；

S-306结束。