CN102665249B - 一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统,包括无线传感器网络节点,无线传感器网络汇聚节点,本地监控子中心,远程控制终端,手机终端。本发明提供了一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统,并且在网络自组织阶段自定义了一种无线传感器网络多级异构分簇路由协议,其设计合理,易于部署,智能化程度高,大规模应用时能够均衡无线传感器网络节点的能耗,能够准确、及时地反映大气污染状况并报警,监测区域内的无线传感器网络节点能够方便地进行自组网、可扩展性好,适合构建大规模的监测系统,适合推广应用。

Description

一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统,属于空气监测系统领 域。
背景技术
[0002] 目前,我国对城市大气污染监测的方法主要有:1)传统方法,即人工取样实验室 分析的方法。这种方法只能得到监测区域内某段时间内的监测值,无法进行实时监测,监测 结果受人为的影响很大。同时,当监测区域有害气体浓度很高时会严重伤害监测人员的身 体健康。2)目前比较流行的在线监测,多采用国外进口的自动化大气环境监测设备进行监 测。这种监测方法,尽管能够实现实时监测,但所用设备结构复杂、价格昂贵、难以维护、运 营成本高且其工作环境苛刻。
发明内容
[0003] 针对以上现有技术中的不足,本发明提供了一种基于无线传感器网络的大气污染 监测系统,并且在网络自组织阶段自定义了一种无线传感器网络多级异构分簇路由协议, 其设计合理,易于部署,智能化程度高,大规模应用时能够均衡无线传感器网络节点的能 耗,能够准确、及时地反映大气污染状况并报警,监测区域内的无线传感器网络节点能够方 便地进行自组网、可扩展性好,适合构建大规模的监测系统,适合推广应用。
[0004] 为了达到以上目的,本发明的主要技术内容如下:
[0005] 一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统,包括:
[0006] 无线传感器网络节点,用于对大气污染参数指标进行采集;
[0007] 无线传感器网络汇聚节点,用于接收本地监测子区域内采集到的大气污染参数指 标数据并能进行处理转发;
[0008] 本地监控子中心,用于与无线传感器网络汇聚节点双向通信并且运行大气污染监 测系统管理软件,能够接收并分析监测数据;
[0009] 远程控制终端,用于远程访问、远程监控本地监控子中心并接收本地监控子中心 发来的报警信号;
[0010] 手机终端,用于通过手机网络接收各本地监控子中心发来的报警消息。
[0011] 上述无线传感器网络节点通过多级异构分簇路由算法动态地产生普通成员节点、 一级簇头节点及二级簇头节点,最终形成自组织网络。
[0012] 上述无线传感器网络节点包括传感模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模 块四部分,作为优选方案上述传感模块包括二氧化硫传感器、二氧化碳传感器、烟雾传感 器、一氧化碳传感器、感器、A/D转换器及辅助电路。
[0013] 上述无线传感器网络汇聚节点包括数据处理模块、无线通信模块以及电源模块三 部分,作为优选方案,上述无线通信模块包括GPRS通信模块、ZigBee通信模块。
[0014] 上述远程控制终端为远程计算机,能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问本 地监控子中心并接收报警信号。
[0015] 本发明至少具有下列优点:
[0016] 1、设计合理,易于部署,能够方便地进行自组网,适合大规模应用。
[0017] 2、既能用普通的五号电池供电,也能用太阳能充电电池供电,有利于保障无线传 感器网络节点的生存时间。
[0018] 3、智能化程度高,能够实时反映监测数据,进行实时数据、历史数据分析,可进行 远程监控。
[0019] 4、采用自定义的多级异构分簇路由协议,能够实现多级簇头节点的互连互通,实 现监测区域内部的无线自组网,可扩展性好。
[0020] 5、提供报警功能,可由各本地监控子中心根据预设门限值进行报警。
[0021] 6、采用灵敏度高、精度高的气体传感器,能够准确、及时、全面地反映大气污染状 况。
[0022] 本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
[0023] 图1为本发明的系统框图;
[0024] 图2为本发明无线传感器网络节点的电路框图;
[0025] 图3为本发明无线传感器网络汇聚节点的电路框图;
[0026] 图4为本发明多级异构分簇路由算法的流程图;
[0027] 图5为本发明中一级簇的成簇模型;
[0028] 图6为本发明中簇头链的形成示意图。
具体实施方式
[0029] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合 附图及较佳实施例,对依据本发明提出的其具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明 如后。
[0030] 如图1所示,一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统,包括:
[0031] 无线传感器网络节点,用于对大气污染参数指标进行采集;
[0032] 无线传感器网络汇聚节点,用于接收本地监测子区域内采集到的大气污染参数指 标数据并能进行处理转发;
[0033] 本地监控子中心,用于与无线传感器网络汇聚节点双向通信并且运行大气污染监 测系统管理软件,能够接收并分析监测数据;
[0034] 远程控制终端,用于远程访问、远程监控本地监控子中心并接收本地监控子中心 发来的报警信号;作为优选方案,远程控制终端为远程计算机,能够通过互联网或3G网络 或GPRS网络访问本地监控子中心并接收报警信号;
[0035] 手机终端,用于通过手机网络接收各本地监控子中心发来的报警消息。
[0036] 无线传感器网络节点通过多级异构分簇路由算法动态地产生普通成员节点、一级 簇头节点及二级簇头节点,最终形成自组织网络。
[0037] 如图2所示,无线传感器网络节点包括传感模块、数据处理模块、无线通信模块和 电源模块四部分,作为优选方案上述传感模块包括二氧化硫传感器、二氧化碳传感器、烟雾 传感器、一氧化碳传感器、NOX传感器、A/D转换器及辅助电路。
[0038] 如图3所示,无线传感器网络汇聚节点包括数据处理模块、无线通信模块以及电 源模块三部分,作为优选方案,上述无线通信模块包括GPRS通信模块、ZigBee通信模块。
[0039] 实施例:
[0040] 一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统,包括无线传感器网络节点,无线 传感器网络汇聚节点,本地监控子中心,远程控制终端,手机终端。
[0041] 无线传感器网络节点通过多级异构分簇路由算法动态地产生普通成员节点、一级 簇头节点及二级簇头节点,最终形成自组织网络。
[0042] 无线传感器网络节点包括:传感模块、数据处理模块、无线通信模块及电源模块四 部分。传感模块主要包括传感器、A/D转换电路及辅助电路,实现数据的感知、采集、预处理 及模数转换。数据处理模块包括Atmegal28L微处理器、无线通信接口、RS232串行接口,时 钟及监控电路等,是节点的中枢单元,该模块实现数据的处理、存储,执行系统调度任务及 通信任务等功能。无线通信模块采用ChipconCC2420射频芯片,具有低功耗、低成本的特 点,与IEEE802. 15. 4兼容,工作在2. 4GHz频段,通信范围可达10m-75m,该模块负责收发所 采集的数据及控制信息。电源模块采用太阳能供电:能够将太阳能直接转变为直流电能,采 用1个12V,12Ah充电电池,一块输出功率为15W的太阳能电池板,1个12V到3. 3V的调压 器。
[0043] 无线传感器网络汇聚节点包括电源模块、数据处理模块及无线通信模块。其中数 据处理模块及无线通信模块主要包括CC2430片上系统、SM100通信模块。CC2430芯片以 8051微处理器为内核,包含CC2420无线芯片、内存、8kSRAM多种外围电路、8-14位的A/D转 换器、4个定时/计数器,内置"看门狗"定时器,工作在2. 4GHz的ISM频段。由SIM100通 信模块构成GPRS接口电路,SM100是GSM/GPRS双频模块,可通过GPRS网络与本地监控子 中心进行无线通信。
[0044] 本地监测子中心为计算机,接收本地汇聚节点上传的数据,分析、存储数据,根据 数据分析结果决定是否需要报警,能够发布对本地监测区域的控制命令。包含GSM模块 TC35,利用GSM网络向目的手机直接传输报警消息。
[0045] 无线传感器网络汇聚节点利用GPRS接口通过GPRS网络将数据上传给本地监测子 中心或接收本地监测子中心下达的控制命令.
[0046] 二级簇头与无线传感器网络汇聚节点之间:二级簇头对一级簇头发送的数据进行 初步处理,并通过Zigbee接口利用Zigbee网络将数据发送给无线传感器网络汇聚节点。
[0047] 远程控制终端为具有IP地址的计算机,提供图形化界面,接收各本地监测子中心 发来的数据,能够进行数值处理和决策分析。
[0048] 本发明的工作原理和工作过程如下:
[0049] 首先进行自组网,其自组网过程为:
[0050] 由无线传感器网络汇聚节点根据各监测区域传感器节点的状态分配二级簇头,然 后选举一级簇头。由二级簇头向本区域内节点发出广播message,message中初始跳数设为 〇,各节点接收到message后更新自身距二级簇头的跳数,由此可得到各个节点距离本地二 级簇头的跳数h,同时也得到了最远节点距二级簇头的最远跳数h.max.。设节点i,其距二 级簇头的跳数为hi。然后根据公式(1)确定单元内最优分簇个数:
[0051]
Figure CN102665249BD00071
[0052] 其中,n为单元内最优分簇个数,N为单元内节点总数,M为分布区域的边长,d为 单元内节点到第二级簇头的距离。
[0053] 下面选择候选簇头。由于簇头分布的过密或过疏都不利于均衡节点的能量消耗, 因此设置簇头平均间距,如公式(2)所示。理想状态下,候选簇头的跳数应为平均间距的整 数倍或接近整数倍。
[0054] h.ave=h.max/n(2)
[0055] 然后选举簇头,根据公式(3)计算候选节点的门限值,并上报二级簇头。由二级簇 头根据其门限值大小及跳数与平均间距的倍数关系确定本地一级簇头。
[0056]
Figure CN102665249BD00072
[0057] 然后一级蔟头问|WJ络中友送厂播,宣布目己是新当选的簇头,并等待普通成员节 点的加入。簇内普通节点根据所接收到的簇头信号的强弱选择所属的一级簇,发送请求消 息,并等待相应的一级簇头为自己分配通信时隙。一级簇头节点给簇内成员节点分配时隙 表,成员节点在各自的时隙内向簇头发送监测数据。至此,一级簇头选举完成并形成一级 簇,如图5所示。
[0058] 然后以蚁群算法为基础,对启发因子n进行了改进,寻找一级簇头到二级簇头的 最佳路径,形成簇头链,如图6所示。至此,自组网过程完毕,进入稳定的数据传输阶段。
[0059] 普通成员节点采集数据,进行数据预处理,然后将数据发送给本簇一级簇头节点。 一级簇头节点接收数据并解析,然后转发给二级簇头节点。二级簇头对一级簇头发送的数 据进行汇聚和分析,并初步判断是否需要报警,并发送给无线传感器网络汇聚节点。无线传 感器网络汇聚节点通过GPRS或Zigbee网络将数据上传给本地监测子中心。由本地监测子 中心进行数据处理、分析后上传给远程监控中心,并决定是否需要报警。如果需要报警,则 分别向远程监控中心及设定的手机终端报警。
[0060] 综上所述,本发明其设计合理,易于部署,智能化程度高,能够对传感器节点进行 空中编程,能够保障无线传感器网络的生存时间,能够灵敏地反映大气污染状况并及时报 警,监测区域内的无线传感器网络节点能够方便地进行自组网、可扩展性好,适合推广应 用。以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本 发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在 不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同 变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上 实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1. 一种基于无线传感器网络的大气污染监测方法,使用基于无线传感器网络的大气污 染监测装置,所述装置包括如下: 无线传感器网络节点,用于对大气污染参数指标进行采集;所述无线传感器网络节点 通过多级异构分簇路由算法动态地产生普通成员节点、一级簇头节点及二级簇头节点,最 终形成自组织网络; 无线传感器网络汇聚节点,用于接收本地监测子区域内采集到的大气污染参数指标数 据并能进行处理转发;所述无线传感器网络汇聚节点包括数据处理模块、无线通信模块以 及电源模块三部分; 本地监控子中心,用于与无线传感器网络汇聚节点双向通信并且运行大气污染监测系 统管理软件,能够接收并分析监测数据; 远程控制终端,用于远程访问、远程监控本地监控子中心并接收本地监控子中心发来 的报警信号; 手机终端,用于通过手机网络接收各本地监控子中心发来的报警消息; 其特征在于:所述方法包括如下步骤: (1) 、首先进行自组网 其自组网过程为: 由无线传感器网络汇聚节点根据各监测区域传感器节点的状态分配二级簇头,然后 选举一级簇头;由二级簇头向本区域内节点发出广播message,message中初始跳数设为0, 各节点接收到message后更新自身距二级簇头的跳数,由此可得到各个节点距离本地二级 簇头的跳数h,同时也得到了最远节点距二级簇头的最远跳数h.max.;设节点i,其距二级 簇头的跳数为hi;然后根据公式(1)确定单元内最优分簇个数:
Figure CN102665249BC00021
其中,n为单元内最优分簇个数,N为单元内节点总数,M为分布区域的边长,d为单元 内节点到第二级簇头的距离;ef代表自由空间传送方式下的信号放大倍数,为常数;em代 表多通路衰减方式下的信号放大倍数,为常数; (2) 、选择候选簇头 由于簇头分布的过密或过疏都不利于均衡节点的能量消耗,因此设置簇头平均间距, 理想状态下,候选簇头的跳数应为平均间距的整数倍或接近整数倍; h.ave=h.max/n(2) 然后选举簇头,根据公式(3)计算候选节点的门限值,并上报二级簇头;由二级簇头根 捍it门®佶女/丨、妨跳救扫平询问昍的倍救羊蒸确定本地一级簇头;
Figure CN102665249BC00022
上式中,WiS簇头间距调节因子,12为节点能量调节因子,r是当前轮数,p为簇头节点 占所有传感器节点的百分比; 然后一级簇头向网络中发送广播,宣布自己是新当选的簇头,并等待普通成员节点的 加入;簇内普通节点根据所接收到的簇头信号的强弱选择所属的一级簇,发送请求消息,并 等待相应的一级簇头为自己分配通信时隙;一级簇头节点给簇内成员节点分配时隙表,成 员节点在各自的时隙内向簇头发送监测数据。至此,一级簇头选举完成并形成一级簇; (3)、以蚁群算法为基础,对启发因子n进行了改进,寻找一级簇头到二级簇头的最佳 路径,形成簇头链至此,自组网过程完毕,进入稳定的数据传输阶段; (4)、普通成员节点采集数据,进行数据预处理,然后将数据发送给本簇一级簇头节点; 一级簇头节点接收数据并解析,然后转发给二级簇头节点;二级簇头对一级簇头发送的数 据进行汇聚和分析,并初步判断是否需要报警,并发送给无线传感器网络汇聚节点;无线传 感器网络汇聚节点通过无线通信模块将数据上传给本地监测子中心;由本地监测子中心进 行数据处理、分析后上传给远程监控中心,并决定是否需要报警;如果需要报警,则分别向 远程监控中心及设定的手机终端报警。
2. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测方法,其特征在 于:所述无线传感器网络节点包括传感模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块四部 分。
3. 根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测方法,其特征在 于:所述传感模块包括二氧化硫传感器、二氧化碳传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、 NOX传感器、A/D转换器及辅助电路。
4. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测方法,其特征在 于:所述无线传感器网络汇聚节点包括数据处理模块、无线通信模块以及电源模块三部分。
5. 根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测方法,其特征在 于:所述无线通信模块包括GPRS通信模块、ZigBee通信模块。
6. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测方法,其特征在 于:所述远程控制终端为远程计算机,能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问本地监控 子中心并接收报警信号。
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