CN106658381A - 一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法，包括：每隔预设周期，WSN中的汇聚节点广播数据收集请求信息，以使WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到汇聚节点；汇聚节点将接收到的环境数据进行存储；汇聚节点根据存储的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警。本发明通过接收WSN中各采集节点基于各自对应的数据发送时间发送的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警，解决现有WSN单一信道下多个采集节点数据传输过程中的信息碰撞问题并避开了传感器节点之间的时间同步问题，以使滑坡监测预警系统更加准确和高效。

Description

一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法

技术领域

本发明涉及滑坡预警技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法。

背景技术

随着传感器技术的快速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)在不同领域得到了广泛应用，因而通过无线传感器技术对滑坡进行监测和预警，实现滑坡泥石流自然灾害的有效控制和防范具有重要意义。目前，基于WSN的滑坡监测预警系统尚未有明确的环境信息的采集、传输和预警方法，提出一种合理有效的监测预警方法是实现滑坡实时有效监测的重要部分。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法。

本发明提出一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法，包括：

每隔预设周期，无线传感器网络WSN中的汇聚节点广播数据收集请求信息，以使所述WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到所述汇聚节点；

所述汇聚节点将接收到的环境数据进行存储；

所述汇聚节点根据存储的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警。

可选的，所述汇聚节点根据存储的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警，包括：

所述汇聚节点对存储的环境数据进行分析，剔除异常的环境数据，并根据预设的预警阈值以及剔除异常的环境数据后的剩余的环境数据，确定是否进行滑坡预警；

所述预设周期通过下式得到：

预设周期＝预设常数×(所述WSN中采集节点的数目×预设的发送时槽长度)；

相应地，所述数据收集请求信息中携带有所述发送时槽长度以及所述汇聚节点的编号。

可选的，所述WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到所述汇聚节点，包括：

所述WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据所述数据收集请求信息中携带的所述发送时槽长度，确定各采集节点对应的数据发送时间；根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到所述汇聚节点；

所述各采集节点对应的数据发送时间＝各采集节点的编号×所述发送时槽长度。

可选的，所述采集的环境数据中携带有采集节点的编号、汇聚节点的编号以及环境数据的类型；

所述环境数据的类型包括：土壤温湿度、倾角、雨量和沉降位移。

可选的，所述汇聚节点将接收到的环境数据进行存储，包括：

所述汇聚节点将接收到的环境数据进行存储，存储信息包括：采集节点的编号、环境数据接收的时间以及环境数据的类型。

可选的，所述存储信息还包括：各类型环境数据对应的预设的存储时长。

可选的，所述汇聚节点对存储的环境数据进行分析，剔除异常的环境数据，包括：

所述汇聚节点将接收到的各采集节点所采集的环境数据中携带的信息不全或错误格式的环境数据剔除，得到各采集节点剩余的环境数据；

所述汇聚节点统计所述各采集节点剩余的环境数据的个数；

所述汇聚节点基于所述各采集节点剩余的环境数据的个数，确定并各采集节点对应的肖维纳特系数以及确定各采集节点发送环境数据的平均值；

所述汇聚节点基于所述各采集节点剩余的环境数据的个数以及所述各采集节点发送环境数据的平均值，确定各采集节点发送环境数据的标准差；

所述汇聚节点依据肖维纳特法对所述各采集节点剩余的环境数据进行可疑判断，并舍弃可疑数据。

可选的，所述剔除异常的环境数据之后，还包括：

所述汇聚节点判断当前周期内所述各采集节点剩余的环境数据个数是否为0，将为0的采集节点的故障指数加1，并将不为0的采集节点的故障指数置0；

所述汇聚节点判断各采集节点的故障指数是否大于预设值，生成故障报警信息，所述故障报警信息中携带有故障指数大于预设值的采集节点的编号。

可选的，所述根据预设的预警阈值以及剔除异常的环境数据后的剩余的环境数据，确定是否进行滑坡预警，包括：

预先设置所述各类型环境数据对应的预警阈值，当环境数据的采集值超出该环境数据的类型对应的预警阈值时，对各采集节点环境数据采集值进行分析，确定是否进行滑坡预警。

可选的，所述当环境数据的采集值超出该环境数据的类型对应的预警阈值时，对各采集节点环境数据采集值进行分析，确定是否进行滑坡预警，包括：

所述汇聚节点判断当前周期内各采集节点发送环境数据的平均值是否均没有超出环境数据的类型对应的预警阈值，若否，则将当前周期内各采集节点发送环境数据的平均值进行加权分析，从而对发生山体滑坡的可能性进行评估；

预先划分预警机制为三个层次，低危险程度预警，中危险程度预警以及高危险程度预警，并为每个层次的预警设定相应的解决措施；

根据发生山体滑坡的可能性选择使用预警层次。

相比于现有技术，本发明提出的基于无线传感器网络的滑坡预警方法，通过接收WSN中各采集节点基于各自对应的数据发送时间发送的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警，解决现有WSN单一信道下多个采集节点数据传输过程中的信息碰撞问题并避开了传感器节点之间的时间同步问题，同时能够对数据和采集节点的异常进行监测和预警，以使滑坡监测预警系统更加准确和高效。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法流程图；

图2是本发明实施例的滑坡监测预警系统中数据采集传输和预警的标准内容；

图3是本发明实施例的数据包存储要求；

图4是本发明实施例的汇聚节点异常检测内容；

图5是本发明实施例的数据异常检测与删除过程；

图6是本发明实施例的采集数据的处理过程。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所述，本实施例公开一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法，包括步骤101～103：

101、每隔预设周期，无线传感器网络WSN中的汇聚节点广播数据收集请求信息，以使所述WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到所述汇聚节点；

102、所述汇聚节点将接收到的环境数据进行存储；

103、所述汇聚节点根据存储的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警。

相比于现有技术，本发明提出的基于无线传感器网络的滑坡预警方法，通过接收WSN中各采集节点基于各自对应的数据发送时间发送的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警，解决现有WSN单一信道下多个采集节点数据传输过程中的信息碰撞问题并避开了传感器节点之间时间同步问题，同时能够对数据和采集节点的异常进行监测和预警，以使滑坡监测预警系统更加准确和高效。

图2是本发明的标准内容，本发明提供一种基于WSN的滑坡监测预警系统信息采集传输过程，包括以下内容：

S1、汇聚节点以一定的周期广播数据收集请求包Req；

S2、采集节点在接收到该Req数据包以后，以一定的时间先后顺序发送所采集的环境信息到汇聚节点；

S3、汇聚节点将接收到的环境数据记录在本地并存储；

S4、汇聚节点通过对保存到本地的数据进行分析，判断并删除异常数据，同时对节点的当前状态进行检测；

S5、根据筛选得到的数据，通过阈值分析对当前的滑坡环境进行评估并预警。

下面以具体实施方式对本发明进行阐述：

汇聚节点的广播周期及请求包Req命令内容如下：

S101、汇聚节点周期性地广播数据收集请求包Req；

特别地，在每轮的数据收集中，汇聚节点周期性地广播数据请求包Req，以触发采集节点的数据传输。汇聚节点除了接收采集节点的数据外，还具有对数据进行存储，解析，计算和评估的功能。

S102、广播周期＝1.5×(采集节点数目×发送时槽长度)。

S103、发送时槽长度为10秒。

S104、数据收集请求包Req具有特定的包格式。

特别地，请求包Req的包格式为：

汇聚节点编号	数据收集请求	时槽长度
			1字节	1字节	2字节

当采集节点接收到上述形式的请求包Req时，在特定时槽内将采集数据传输给汇聚节点。

采集节点的传输时槽和数据Packet格式的命名如下：

S201、采集节点在特定的时段内传输采集数据Packet.

采集节点接收到请求包Req后，根据Req的时槽长度信息计算开始向汇聚节点传输数据Packet的时间t，传输的时长为该时槽长度。

其中，t＝节点自身编号×时槽长度

S202、传输的采集数据Packet具有特定的包格式。

采集节点编号	汇聚节点编号	数据类型	数据值
				4字节	4字节	4字节	12字节

采集节点按上述的包格式向汇聚节点传输24字节的数据Packet；采集节点采集的数据类型分别为土壤温湿度、倾角、雨量和沉降位移。

S203、先后顺序为采集节点初始化时配置的编号顺序。

如图3所示，汇聚节点接收到的数据包的存储过程，要求如下：

S301、存储数据的格式；

针对各个采集节点发送过来的数据，我们采用如下的数据格式来对数据进行存储：

采集节点编号	数据接收时间	数据类型	数据值
				4字节	8字节	4字节	12字节

4字节的采集节点编号；

8字节的数据接收时间；

4字节的数据类型；

12字节的数据值。

S302、数据的存储时间；

由于受限的内存资源，在滑坡环境监测中，倾角、土壤温湿度以及雨量等传感器所采集到的数据不可能长期保存，为此，需要为汇聚节点接收到的各个类型的环境数据设计相应的存储时间。

由于滑坡环境的变化是一个长期缓慢演变的过程，因此，针对汇聚节点接收到的各个类型的环境数据，可以分别以一个固定的存储时间来对接收到的环境数据进行存储，例如，分别以一周和两周为存储时间来对斜坡的倾角数据和土壤温湿度数据进行存储，当前采集到的倾角和土壤温湿度数据会分别在存储一周和两周后被舍弃。

如图4所示，节点和数据异常的检测内容如下：

S401、数据异常检测并删除；

在一个具体的例子中，步骤S401还包括图5中所示的子步骤S4011至S4016。

S4011、汇聚节点在每个周期内对每个采集节点所采集的数据进行收集，并依据每个采集节点所采集数据应满足的数据格式对每个数据包格式进行判断，剔除格式不正确的数据包。

S4012、统计所收集到每个采集节点格式正确的数据包的个数。

其中，汇聚节点在未接收到某一编号采集节点发送的数据包或所收到该编号采集节点发送的数据包均不满足格式要求时，记该编号采集节点发送数据包个数为0，且不进行以下S4013至S4016步骤。

S4013、根据步骤S4012统计每个采集节点对应的剩余数据包个数，查找每个节点所含剩余数据包个数对应的肖维纳特系数。

S4014、根据步骤S4011和步骤S4012计算每个采集节点当前周期内所发送数据的平均值。

S4015、根据步骤S4011、步骤S4012和步骤S4014计算每个采集节点当前周期内所发送数据的标准差。

S4016、依据肖维纳特法对汇聚节点所接收到每个采集节点发送的正确格式数据包进行可疑判断，并舍弃可疑数据。

S402、节点异常检测与报警；

在一个具体的例子中，S402还包括图4中未示出子步骤S4021至S4022。

S4021、汇聚节点判断当前周期内接收到每一编号采集节点正确格式数据包个数是否为0，为0则该编号采集节点故障指数加1，不为0则该编号采集节点故障指数置0。

S4022、汇聚节点判断每一编号采集节点故障指数是否大于5，当大于5时发送该编号采集节点故障报警信息。

如图6所示，对采集数据的处理过程，包含如下：

S501、阈值分析；

为了对汇聚节点接收到的数据进行阈值分析，我们首先需要对每个类型的环境数据事先设置一个阈值，当该类型的环境数据的采集值超出这个阈值时，就需要对整体的监测数据进行分析，从而确定发生山体滑坡的可能性。

阈值是根据具体的滑坡监测场地以及试验和人为经验来给出的。

S502、各个采集节点环境数据采集值的获取；

获取由S4得到的当前周期内各个采集节点剩余环境数据的平均值作为当前时刻各个采集节点的环境数据采集值。

S503、滑坡环境评估；

在滑坡环境监测中，如果汇聚节点所接收到的倾角、土壤温湿度、雨量以及沉降数据的采集值都没有超出事先所给定的阈值，那么，我们就认为当前滑坡环境安全，即，没有发生山体滑坡。相反，若有某个采集节点的采集值超出了事先所给定的阈值，那么就需要对全部的接收到的采集节点环境数据的采集值进行加权分析，从而对发生山体滑坡的可能性进行评估。

S504、预警机制；

将预警机制划分为三个层次，低危险程度预警，中危险程度预警以及高危险程度预警，并为每个层次的预警设定相应的解决措施。

根据所得到的发生山体滑坡的可能性来选择使用哪个层次的预警，然后采用对应层次预警的对应措施来对发生山体滑坡情况进行确认。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部步骤可以通过程序指令和相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于汇聚节点和采集节点的单片机中，该程序在执行时，汇聚节点和采集节点根据对应角色执行上述实施例的相关步骤。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不是相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的滑坡预警方法，其特征在于，包括：

每隔预设周期，无线传感器网络WSN中的汇聚节点广播数据收集请求信息，以使所述WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到所述汇聚节点；

所述汇聚节点将接收到的环境数据进行存储；

所述汇聚节点根据存储的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汇聚节点根据存储的环境数据以及预设的预警阈值，确定是否进行滑坡预警，包括：

所述汇聚节点对存储的环境数据进行分析，剔除异常的环境数据，并根据预设的预警阈值以及剔除异常的环境数据后的剩余的环境数据，确定是否进行滑坡预警；

所述预设周期通过下式得到：

预设周期＝预设常数×(所述WSN中采集节点的数目×预设的发送时槽长度)；

相应地，所述数据收集请求信息中携带有所述发送时槽长度以及所述汇聚节点的编号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到所述汇聚节点，包括：

所述WSN中的各采集节点在接收到所述数据收集请求信息后，根据所述数据收集请求信息中携带的所述发送时槽长度，确定各采集节点对应的数据发送时间；根据各采集节点对应的数据发送时间，发送所采集的环境数据到所述汇聚节点；

所述各采集节点对应的数据发送时间＝各采集节点的编号×所述发送时槽长度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采集的环境数据中携带有采集节点的编号、汇聚节点的编号以及环境数据的类型；

所述环境数据的类型包括：土壤温湿度、倾角、雨量和沉降位移。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汇聚节点将接收到的环境数据进行存储，包括：

所述汇聚节点将接收到的环境数据进行存储，存储信息包括：采集节点的编号、环境数据接收的时间以及环境数据的类型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述存储信息还包括：各类型环境数据对应的预设的存储时长。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述汇聚节点对存储的环境数据进行分析，剔除异常的环境数据，包括：

所述汇聚节点将接收到的各采集节点所采集的环境数据中携带的信息不全或错误格式的环境数据剔除，得到各采集节点剩余的环境数据；

所述汇聚节点统计所述各采集节点剩余的环境数据的个数；

所述汇聚节点基于所述各采集节点剩余的环境数据的个数，确定并各采集节点对应的肖维纳特系数以及确定各采集节点发送环境数据的平均值；

所述汇聚节点基于所述各采集节点剩余的环境数据的个数以及所述各采集节点发送环境数据的平均值，确定各采集节点发送环境数据的标准差；

所述汇聚节点依据肖维纳特法对所述各采集节点剩余的环境数据进行可疑判断，并舍弃可疑数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述剔除异常的环境数据之后，还包括：

所述汇聚节点判断当前周期内所述各采集节点剩余的环境数据个数是否为0，将为0的采集节点的故障指数加1，并将不为0的采集节点的故障指数置0；

所述汇聚节点判断各采集节点的故障指数是否大于预设值，生成故障报警信息，所述故障报警信息中携带有故障指数大于预设值的采集节点的编号。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据预设的预警阈值以及剔除异常的环境数据后的剩余的环境数据，确定是否进行滑坡预警，包括：

预先设置所述各类型环境数据对应的预警阈值，当环境数据的采集值超出该环境数据的类型对应的预警阈值时，对各采集节点环境数据采集值进行分析，确定是否进行滑坡预警。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述当环境数据的采集值超出该环境数据的类型对应的预警阈值时，对各采集节点环境数据采集值进行分析，确定是否进行滑坡预警，包括：

所述汇聚节点判断当前周期内各采集节点发送环境数据的平均值是否均没有超出环境数据的类型对应的预警阈值，若否，则将当前周期内各采集节点发送环境数据的平均值进行加权分析，从而对发生山体滑坡的可能性进行评估；

预先划分预警机制为三个层次，低危险程度预警，中危险程度预警以及高危险程度预警，并为每个层次的预警设定相应的解决措施；

根据发生山体滑坡的可能性选择使用预警层次。