CN104458340B - 基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统及方法，其中，该系统包括协调器、自吸泵、若干无线传感器节点和比例阀；无线传感器节点位于取水口处；比例阀位于取水口与自吸泵之间的取水管道内；自吸泵受协调器控制其开启；各无线传感器节点通过其上连接的传感器模块采集各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息；同时各无线传感器节点将各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息发送至协调器；协调器对接收的各信息一并处理，计算得出各个取水口的加权水位高度，并反馈至各无线传感器节点，调整比例阀开闭角度；调整完毕后，协调器开启自吸泵取水；取水完毕后，协调器关闭自吸泵，命令各无线传感器节点关闭比例阀。

Description

基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统及方法。

技术背景

无线传感器网络，Wireless Sensor Networks，简称为WSN，是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。此外，有时需进行流速和流量的测定。随着我国现代化的发展，淡水资源越来越紧缺，这使得我国资源性缺水问题日益严重，水污染问题又造成我国存在着水质性缺水，为了及时有效的了解掌握水质情况，我国自20世纪70年代起，逐步发展了水质在线监测装置，并在实践中建立了相应的水质自动监测站。

取水阶段作为整个在线监测系统的第一环节，已经成为整个监测系统检测精度是否达标的关键。目前，水质自动监测站采用的在线监测系统的取水系统对某一水域使用单一的取水口进行取水，当水流速度较慢或断面流量较少时，无法快速准确的得知水质及水位变化情况。在某些情况下，当某一水域的水不再流通或水位较低还存在取水困难的问题，很难在第一时间被发觉，这些问题都将严重影响当地水质监测的整体精度，并且在一定程度上造成不必要的经济损失。此外，现有的终端设备不能根据水质的变化状况动态休眠，比如，某取水口设备出现故障时，不能及时关停设备，造成运行能耗较大。因此开发一种便捷，高效、节能的取水方法便显得犹为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服水质监测系统中取水阶段存在的缺陷而提供的一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统及方法，其中，该系统利用无线传感器技术实时获取各取水口微环境的水位及流量信息，从而计算出各取水口的取水配比。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，该系统包括协调器、自吸泵、若干无线传感器节点和比例阀；所述无线传感器节点位于取水口处；所述比例阀位于取水口与自吸泵之间的取水管道内；所述自吸泵受协调器控制其开启状态；

所述协调器与各取水处口的无线传感器节点之间进行一对多通信；

各无线传感器节点通过其上连接的传感器模块采集各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息；同时各无线传感器节点将各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息发送至协调器；

协调器对接收的各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息一并处理，计算得出各个取水口的加权水位高度，并将各个取水口处加权高度信息反馈至各无线传感器节点，进而调整比例阀开闭角度；调整完毕后，协调器接收到调整成功命令后开启自吸泵进行取水；取水完毕后，协调器发送命令关闭自吸泵，并向各无线传感器节点发送关闭比例阀命令。

该系统还包括服务器PC机，所述服务器PC机通过RS232与协调器进行一对一通信。

所述无线传感器节点，包括微控制器模块、传感器模块、射频模块和电源模块，所述微控制器与射频模块通过SPI通信接口互相通信；所述微控制器还设有编程接口，电源模块为供电模块。

所述取水口无线传传感器节点采用电池供电。

所述各个无线传传感器节点与协调器之间的拓扑结构采用星型网络拓扑模式，用来构建自组无线传感器网络。

所述构建的自组无线传感器网络的协议栈遵循IEEE802.15.4标准，网络层的协议格式符合Zigbee标准。

所述的基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统的取水方法，该方法的步骤包括：

步骤1：在同一水域不同位置设置若干个取水口，在各个取水口处设有无线传感器节点，同时采集各取水口处的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息；

步骤2：无线传感器节点获取到取水口的各参数后以无线的方式传送至位于监测站的协调器节点，由协调器对各取水口处的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息进行汇总计算；

步骤3：协调器通过RS232通信向监测站服务器PC机传输本次取水信息，其中包括各取水口水位情况、比例阀开闭角度和取水流量；监测站服务器PC将取水信息存储入数据库；

步骤4：协调器将获取的各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息，采用加权趋同算法计算得出各个取水口的加权水位高度，同时将各个取水口处加权高度信息反馈至各无线传感器节点；

步骤5：无线传感器节点在接收到协调器传递的信息后，对各个取水口处的，比例阀开闭角度进行调整，调整完毕后，协调器接收到调整成功命令后开启自吸泵进行取水；

步骤6：取水完毕后，协调器发送命令关闭自吸泵，并向各无线传感器节点发送关闭比例阀命令，取水过程结束。

所述步骤4中的加权趋同算法计算取水口的加权水位高度的具体过程为：

设h_i(t)表示传感器模块对第i取水口的实测高度；h_j(t)表示传感器模块对第j取水口的实测高度；h_s(t)表示传感器模块对第s取水口的实测高度；为当前采样时刻第i取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第j取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第s取水口的加权水位高度；λ_j(t)为实时加权因子；j＝1,2...n；s＝1,2...n；

那么下一采样时刻第i取水口的加权水位高度可利用以下公式获得：

其中，

所述步骤5中的比例阀开闭角度θ_i通过下式来进行控制，

其中f_i(·)为变量θ_i(t)、的函数；n为总的取水口数量；θ_i(t)表示当前采样时刻第i取水口的比例阀角度；表示当前时刻第i取水口的水流流速；为下一采样时刻第i取水口的加权水位高度。

本发明的有益效果为：

(1)无线传感器节点采用电池供电，具有体积小、安装方便、以及抗破坏能力强等特点；

(2)由于各无线传感器节点与协调器之间通信量较小，采用需求时唤醒的星型网络拓扑模式，在监测时由协调器唤醒各无线传感器节点，否则无线传感器节点工作于睡眠状态，以节约传感器节点功耗；

(3)可根据监测水域各处水位的差别进行比例性取水，将因水位过低造成的水质监测精度降低或因监测“死水”造成的能源浪费带来的经济损失降至最低；

(4)采用了先进的嵌入式计算技术、现代网络及无线通讯技术能够实现在没有额外架设有线网络的情况下收集水域微环境的传感参数，实现水质监测的实时、智能化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为无线传感器节点硬件结构图。

具体实施方式

下面具体结合附图详细说明：

如图1所示，一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，它由服务器PC机、协调器、自吸泵、若干比例阀和若干无线传感器节点组成；所述比例阀位于取水管道内；所述无线传感器节点位于取水口处；所述自吸泵受协调器控制其开启状态；

其中，取水口A处设有无线传感器节点A，取水口A的管道内还设有比例阀A；取水口B处设有无线传感器节点B，取水口B的管道内还设有比例阀B；取水口C处设有无线传感器节点C，取水口C的管道内还设有比例阀C；取水口D处设有无线传感器节点D，取水口D的管道内还设有比例阀D；

所述协调器分别与取水口A处的无线传感器节点A、取水口B处的无线传感器节点B、取水口C处的无线传感器节点C和取水口D处的无线传感器节点D进行通信；

无线传感器节点A通过其上连接的传感器模块采集取水口A的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息；同时无线传感器节点A将其取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息发送至协调器；取水口B、取水口C和取水口D的无线传感器节点与取水口A处的工作原理一致。

如图2所示，所述无线传感器节点，包括微控制器模块、传感器模块、射频模块和电源模块，所述微控制器与射频模块通过SPI通信接口互相通信；所述微控制器还设有编程接口，电源模块为无线传感器节点提供电能。

本发明的无线传感器节点中的微控制器模块选用美国Microchip公司生产的PIC24系列的PIC24FJ64GA002芯片；PIC24FJ64GA002芯片采用JTAG接口，通过仿真器可以把程序写入到微控制器中，并进行程序调试、观察程序的运行状态，查找程序的BUG；无线传感器节点中的射频模块采用CC2500射频通信模块；无线传感器节点中利用SPI通信接口，微控制器可以访问和控制射频单元CC2500的基本寄存器，发送各种工作指令，写入发送数据，读取接收数据等，实现传感器节点之间的网络通信；传感器模块包括液位传感器和水流传感器，通过连接到微控制器A/D转换接口将采集到的微环境的液位及水流信息暂存在微处理器中；电源单元为系统供电，供电电压为3.3V。

本发明中传感器节点是利用无线传感器网络技术设计了一种低成本、低功耗的WSN网络传感器节点，实现了数据采集、通信和处理功能。传感器节点的硬件和软件都采用了低功耗设计，保证了传感器网络在有限的能量下具有较长的生命周期。同时，传感器节点也利用了操作系统的设计思想，提高了系统的稳定性、可靠性和扩展性。在该系统中，传感器节点采用电池供电，具有体积小，安装方便以及防破坏能力强等特点。

本发明中的协调器通过无线方式与各取水口的传感器节点进行一对多通信，组成星型网结构接收传感器节点信息，并下发阀门开启角度控制命令；协调器与PC机间通过RS232进行一对一通信，将汇总后的各传感器节点所在位置的水位信息上传至监测站服务器PC进行记录及分析。

一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统的取水方法，该方法的步骤包括：

步骤1：在同一水域不同位置设置若干个取水口，在各个取水口处设有无线传感器节点，同时采集各取水口处的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息；

步骤2：无线传感器节点获取到取水口的各参数后以无线的方式传送至位于监测站的协调器节点，由协调器对各取水口处的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息进行汇总计算；

步骤3：协调器通过RS232通信向监测站服务器PC机传输本次取水信息，其中包括各取水口水位情况、比例阀开闭角度和取水流量；监测站服务器PC将取水信息存储入数据库；

步骤4：协调器将获取的各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息，采用加权趋同算法计算得出各个取水口的加权水位高度，同时将各个取水口处加权高度信息反馈至各无线传感器节点；

步骤5：无线传感器节点在接收到协调器传递的信息后，对各个取水口处的，比例阀开闭角度进行调整，调整完毕后，协调器接收到调整成功命令后开启自吸泵进行取水；

步骤6：取水完毕后，协调器发送命令关闭自吸泵，并向各无线传感器节点发送关闭比例阀命令，取水过程结束。

所述步骤4中的加权趋同算法计算取水口的加权水位高度的具体过程为：

设h_i(t)表示传感器模块对第i取水口的实测高度；h_j(t)表示传感器模块对第j取水口的实测高度；h_s(t)表示传感器模块对第s取水口的实测高度；为当前采样时刻第i取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第j取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第s取水口的加权水位高度；λ_j(t)为实时加权因子；j＝1,2...n；s＝1,2...n；

那么下一采样时刻第i取水口的加权水位高度可利用以下公式获得：

其中，

所述步骤5中的比例阀开闭角度θ_i通过下式来进行控制，

其中f_i(·)为变量θ_i(t)、的函数；n为总的取水口数量；θ_i(t)表示当前采样时刻第i取水口的比例阀角度；表示当前时刻第i取水口的水流流速；为下一采样时刻第i取水口的加权水位高度。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，其特征在于，该系统包括协调器、自吸泵、若干无线传感器节点和比例阀；所述无线传感器节点位于取水口处；所述比例阀位于取水口与自吸泵之间的取水管道内；所述自吸泵受协调器控制其开启状态；

所述协调器与各取水口处的无线传感器节点之间进行一对多通信；

各无线传感器节点通过其上连接的传感器模块采集各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息；同时各无线传感器节点将各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息发送至协调器；

协调器对接收的各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息一并处理，采用加权趋同算法计算得出各个取水口的加权水位高度，并将各个取水口处加权水位高度反馈至各无线传感器节点，进而调整比例阀开闭角度；调整完毕后，协调器接收到调整成功命令后开启自吸泵进行取水；取水完毕后，协调器发送命令关闭自吸泵，并向各无线传感器节点发送关闭比例阀命令；

采用加权趋同算法计算取水口的加权水位高度的具体过程为：

设h_i(t)表示无线传感器对第i取水口的实测高度；h_j(t)表示无线传感器对第j取水口的实测高度；h_s(t)表示无线传感器对第s取水口的实测高度；为当前采样时刻第i取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第j取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第s取水口的加权水位高度；λ_j(t)为实时加权因子；j＝1,2...n；s＝1,2...n；i＝1，...，n，n为总的取水口数量；

那么下一采样时刻第i取水口的加权水位高度可利用以下公式获得：

${\hat{h}}_i(t+1)=k\left(t\right)-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_j\left(t\right)|{\hat{h}}_i\left(t\right)-{\hat{h}}_j\left(t\right)|$

其中，

${\mathrm{\λ}}_j\left(t\right)=\frac{P_j\left(t\right)}{\underset{s=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_s\left(t\right)}$

$P_s\left(t\right)={|h_s\left(t\right)-{\hat{h}}_s\left(t\right)|}^2$

$P_j\left(t\right)={|h_j\left(t\right)-{\hat{h}}_j\left(t\right)|}^2.$

2.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，其特征在于，该系统还包括服务器PC机，所述服务器PC机通过RS232与协调器进行一对一通信。

3.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，其特征在于，所述无线传感器节点，包括微控制器模块、传感器模块、射频模块和电源模块，所述微控制器模块与射频模块通过SPI通信接口互相通信；所述微控制器模块还设有编程接口，电源模块为供电模块。

4.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，其特征在于，取水口的无线传感器节点采用电池供电。

5.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，其特征在于，所述各无线传感器节点与协调器之间的拓扑结构采用星型网络拓扑模式，构建自组无线传感器网络。

6.如权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统，其特征在于，所述自组无线传感器网络的协议栈遵循IEEE802.15.4标准，网络层的协议格式符合Zigbee标准。

7.一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统的取水方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

步骤1：在同一水域不同位置设置若干个取水口，在各个取水口处设有无线传感器节点，同时采集各取水口处的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息；

步骤2：无线传感器节点获取到取水口的各参数后以无线的方式传送至位于监测站的协调器节点，由协调器对各取水口处的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息进行汇总计算；

步骤3：协调器通过RS232通信向监测站服务器PC机传输本次取水信息，其中包括各取水口水位情况、比例阀开闭角度和取水流量；监测站服务器PC将取水信息存储入数据库；

步骤4：协调器将获取的各个取水口的水流、水位信息和比例阀开闭角度信息，采用加权趋同算法计算得出各个取水口的加权水位高度，同时将各个取水口处加权水位高度反馈至各无线传感器节点；

步骤5：无线传感器节点在接收到协调器传递的信息后，对各个取水口处的比例阀开闭角度进行调整，调整完毕后，协调器接收到调整成功命令后开启自吸泵进行取水；

步骤6：取水完毕后，协调器发送命令关闭自吸泵，并向各无线传感器节点发送关闭比例阀命令，取水过程结束；

所述步骤4中的加权趋同算法计算取水口的加权水位高度的具体过程为：

设h_i(t)表示无线传感器对第i取水口的实测高度；h_j(t)表示无线传感器对第j取水口的实测高度；h_s(t)表示无线传感器对第s取水口的实测高度；为当前采样时刻第i取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第j取水口的加权水位高度；为当前采样时刻第s取水口的加权水位高度；λ_j(t)为实时加权因子；j＝1,2...n；s＝1,2...n；i＝1，...，n，n为总的取水口数量；

那么下一采样时刻第i取水口的加权水位高度可利用以下公式获得：

${\hat{h}}_i(t+1)=h_i\left(t\right)-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_j\left(t\right)|{\hat{h}}_i\left(t\right)-{\hat{h}}_j\left(t\right)|$

其中，

${\mathrm{\λ}}_j\left(t\right)=\frac{P_j\left(t\right)}{\underset{s=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_s\left(t\right)}$

$P_s\left(t\right)={|h_s\left(t\right)-{\hat{h}}_s\left(t\right)|}^2$

$P_j\left(t\right)={|h_j\left(t\right)-{\hat{h}}_j\left(t\right)|}^2.$

8.如权利要求7所述的一种基于无线传感器网络的多取水口加权取水系统的取水方法，其特征在于，所述步骤5中的比例阀开闭角度θ_i通过下式来进行控制，

${\mathrm{\θ}}_i(t+1)=f_i\left({\hat{h}}_i\right(t+1),{\mathrm{\θ}}_i(t),l_i(t\left)\right),i=1,...n$

其中f_i(·)为变量θ_i(t)、l_i(t)、的函数；n为总的取水口数量；θ_i(t)表示当前采样时刻第i取水口的比例阀角度；l_i(t)表示当前时刻第i取水口的水流流速；为下一采样时刻第i取水口的加权水位高度。