CN107105394B - 基于无线传感器网络的建筑安全监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的建筑安全监测系统，包括(1)建筑安全监测数据采集模块，其通过无线传感器网络进行数据采集，包括数据采集节点和簇头节点，所述数据采集节点布置在被测部位，用于采集监测区域的建筑安全监测数据，所述簇头节点用于收集数据采集节点采集的建筑安全监测数据，并对该建筑安全监测数据进行数据融合处理和数据压缩处理；(2)建筑安全监测数据传输模块，用于将簇头节点的建筑安全监测数据传送至基站；(3)建筑安全监控中心，用于通过移动通信网络接收基站的建筑安全监测数据，对建筑安全监测数据进行分析和处理，并输出监测结果。本发明的系统结构简单，效果较好，可有效实现建筑的实时安全监测，节省人力物力。

Description

基于无线传感器网络的建筑安全监测系统
技术领域
本发明涉及建筑安全监测领域，具体涉及基于无线传感器网络的建筑安全监测系统。
背景技术
相关技术中的建筑安全采用有线监测网络进行监测，而有线监测网络一方面需要布设大量的电力和通信线缆，成本较高，在远离城市的基础设施建设上布设难度更大。另一方面，有线监测网络通常将线缆布设在建筑物之中，而大型建筑由于施工时间较长，期间对监测系统的翻新、维护和升级极为不方便。同时，在建筑施工过程中无法对建筑物的状态进行实时监控。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的建筑安全监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了基于无线传感器网络的建筑安全监测系统，包括建筑安全监测数据采集模块、建筑安全监测数据传输模块和建筑安全监控中心；所述建筑安全监测数据采集模块通过无线传感器网络进行数据采集，包括数据采集节点和簇头节点，所述数据采集节点布置在被测部位，用于采集监测区域的建筑安全监测数据；所述簇头节点用于收集数据采集节点采集的建筑安全监测数据，并对该建筑安全监测数据进行数据融合处理和数据压缩处理；所述建筑安全监测数据传输模块用于将簇头节点的建筑安全监测数据传送至基站；建筑安全监控中心用于通过移动通信网络接收基站的建筑安全监测数据，对建筑安全监测数据进行分析和处理，并输出监测结果。
本发明的有益效果为：系统结构简单，效果较好，可有效实现建筑的实时安全监测，节省人力物力。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明的框图示意图；
图2是本发明建筑安全监控中心的框图示意图。
附图标记：
建筑安全监测数据采集模块1、建筑安全监测数据传输模块2、建筑安全监控中心3、数据分析模块10、显示模块20。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1、图2，本实施例提供的基于无线传感器网络的建筑安全监测系统，包括建筑安全监测数据采集模块1、建筑安全监测数据传输模块2和建筑安全监控中心3；所述建筑安全监测数据采集模块1通过无线传感器网络进行数据采集，包括数据采集节点和簇头节点，所述数据采集节点布置在被测部位，用于采集监测区域的建筑安全监测数据；所述簇头节点用于收集数据采集节点采集的建筑安全监测数据，并对该建筑安全监测数据进行数据融合处理和数据压缩处理；所述建筑安全监测数据传输模块2用于将簇头节点的建筑安全监测数据传送至基站；建筑安全监控中心3用于通过移动通信网络接收基站的建筑安全监测数据，对建筑安全监测数据进行分析和处理，并输出监测结果。
优选地，所述建筑安全监测数据包括建筑结构的应力数据、加速度数据、位移数据。
优选地，所述建筑安全监控中心3包括数据分析模块10和显示模块20，该数据分析模块10将收到的建筑安全监测数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示模块20进行比较结果显示。
本发明上述实施例基于无线传感器网络构建建筑安全监测系统，系统结构简单，效果较好，可有效实现建筑的实时安全监测，节省人力物力。
优选地，所述数据采集节点按照设定的数据采集策略采集监测区域的建筑安全监测数据：设置簇头节点在其任期内始终处于活动状态，数据采集节点在每一次采集建筑安全监测数据开始前以随机概率进入活动状态，定义随机概率的计算公式为：
Figure BDA0001291835430000021
其中，
Figure BDA0001291835430000022
式中，Ω(Si)表示数据采集节点Si的随机概率，D(Si,Si′)表示数据采集节点Si与其所属的分簇中的簇头节点Si′的感知数据间的曼哈顿距离，k为数据采集节点Si所属的分簇中所具有的数据采集节点的数目，ε为设定的误差阈值；q为感知数据的维度数目，μl(Si)表示数据采集节点Si的第l维度的感知数据分量，μl(Si′)表示簇头节点Si′的第l维度的感知数据分量。
本发明上述实施例的建筑安全监测数据采集模块1中，数据采集节点按照随机概率进入活动状态，使得属于同一个分簇内的数据采集节点能够轮流进行建筑安全监测数据采集，其他数据采集节点则可以进入休眠状态以保存能量，其中，随机概率的计算公式中引入了曼哈顿距离，利用感知数据间的曼哈顿距离来衡量感知数据间的差异程度，从而计算得到的随机概率倾向于使得与簇头节点的感知状况差异较大的数据采集节点能够进行更多的数据采集，有利于保障数据采集的精度。
其中，进行下述的两个数据采集节点的感知数据间的曼哈顿距离的计算时，参考数据采集节点Si与其所属的分簇中的簇头节点Si′的感知数据间的曼哈顿距离的计算公式进行计算。
优选地，所述簇头节点从数据采集节点中选出，定义筛选机制为：
(1)各数据采集节点根据基站的分簇命令，通过调整发射功耗调整自身的通信距离为设定的通信距离阈值，并向通信距离范围内的邻居节点交换自身的剩余能量和最近的感知序列信息；
(2)每个数据采集节点接收通信距离范围内邻居节点交换的信息后，根据下列公式计算各数据采集节点的簇头竞争能力：
Figure BDA0001291835430000031
式中，P(Si)表示数据采集节点Si的簇头竞争能力值，E(Si)表示数据采集节点Si的剩余能量，E(Sj)表示数据采集节点Si在通信距离范围内的邻居节点Sj剩余能量，m为数据采集节点Si在通信距离范围内的邻居节点的数量，m′为数据采集节点Si在通信距离范围内的相似节点的数量，其中定义所述的相似节点为感知数据与数据采集节点Si的感知数据的曼哈顿距离小于D′/2的节点，D′为设定的曼哈顿距离阈值，D(Si,Sj)表示数据采集节点Si在通信距离范围内的邻居节点Sj的感知数据与数据采集节点Si的感知数据的曼哈顿距离，η为设定的权重因子，ξ为设定的调整因子，η和ξ的取值范围均为[0,1]；
(3)将P(Si)＞0的数据采集节点作为备选簇头节点，形成备选簇头节点集合，对备选簇头节点集合中的备选簇头节点按照自定义的过滤规则进行过滤处理，将过滤后的备选簇头节点集合中的备选簇头节点作为簇头节点；
(4)对无线传感器网络内的每个数据采集节点，计算该数据采集节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该数据采集节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
本优选实施例通过定义的筛选机制从数据采集节点中选出具有簇头竞争能力的数据采集节点作为簇头节点，再由簇头节点收集和发送簇内数据采集节点的建筑安全监测数据，相对于现有技术中由各数据采集点直接发送建筑安全监测数据到基站的方式，本优选实施例的数据收集具有更高的能量效率，数据精度损失小，大大延长了建筑安全监测系统中的无线传感器网络的有效工作寿命；其中，定义了簇头竞争能力值的计算公式，在该计算公式中，考虑了数据采集节点的剩余能量值和与邻居节点的数据相似度，使得计算出的结果能够作为判定该数据采集节点能否成为簇头节点的指标，保证了筛选机制的科学性，从而能够保障建筑安全监测数据的精度和采集效率。
优选地，所述自定义的过滤规则为：
若备选簇头节点集合中存在两备选簇头节点Si′、Sj′满足下列公式，则比较两者的簇头竞争能力值，将簇头竞争能力值较低的备选簇头节点从备选簇头节点集合中删除，将备选簇头节点集合中剩余的备选簇头节点作为簇头节点：
Figure BDA0001291835430000041
式中，D(Si′,Sj′)表示两备选簇头节点Si′、Sj′的感知数据间的曼哈顿距离，D′为所述设定的曼哈顿距离阈值，
Figure BDA0001291835430000042
表示备选簇头节点Si′在通信距离为0.8d范围内的相似节点集合，
Figure BDA0001291835430000043
表示备选簇头节点Sj′在通信距离为0.8d范围内的相似节点集合，其中d为所述的设定的通信距离阈值，
Figure BDA0001291835430000044
表示备选簇头节点Si′的相似节点集合与备选簇头节点Sj′的相似节点集合中包含的共同的相似节点的数目，n′为备选簇头节点Si′与备选簇头节点Sj′所具有的相似节点总数。
本优选实施例通过自定义的过滤规则，在两个相似度较高的备选簇头节点中选择簇头竞争能力值较大的备选簇头节点作为簇头节点，能够相对减少分簇的数量，从而减少同时工作的数据采集节点的数量，进一步节省建筑安全监测系统中的无线传感器网络的能量，保障建筑安全监测系统长期有效工作。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.基于无线传感器网络的建筑安全监测系统，其特征是，包括建筑安全监测数据采集模块、建筑安全监测数据传输模块和建筑安全监控中心；所述建筑安全监测数据采集模块通过无线传感器网络进行数据采集，包括数据采集节点和簇头节点，所述数据采集节点布置在被测部位，用于采集监测区域的建筑安全监测数据；所述簇头节点用于收集数据采集节点采集的建筑安全监测数据，并对该建筑安全监测数据进行数据融合处理和数据压缩处理；所述建筑安全监测数据传输模块用于将簇头节点的建筑安全监测数据传送至基站；建筑安全监控中心用于通过移动通信网络接收基站的建筑安全监测数据，对建筑安全监测数据进行分析和处理，并输出监测结果；所述数据采集节点按照设定的数据采集策略采集监测区域的建筑安全监测数据：设置簇头节点在其任期内始终处于活动状态，数据采集节点在每一次采集建筑安全监测数据开始前以随机概率进入活动状态，定义随机概率的计算公式为：
Figure FDA0002166400410000011
其中，
Figure FDA0002166400410000012
式中，Ω(Si)表示数据采集节点Si的随机概率，D(Si,Si′)表示数据采集节点Si与其所属的分簇中的簇头节点Si′的感知数据间的曼哈顿距离，k为数据采集节点Si所属的分簇中所具有的数据采集节点的数目，ε为设定的误差阈值；q为感知数据的维度数目，μl(Si)表示数据采集节点Si的第l维度的感知数据分量，μl(Si′)表示簇头节点Si′的第l维度的感知数据分量；
所述簇头节点从数据采集节点中选出，定义筛选机制为：
(1)各数据采集节点根据基站的分簇命令，通过调整发射功耗调整自身的通信距离为设定的通信距离阈值，并向通信距离范围内的邻居节点交换自身的剩余能量和最近的感知序列信息；
(2)每个数据采集节点接收通信距离范围内邻居节点交换的信息后，根据下列公式计算各数据采集节点的簇头竞争能力：
Figure FDA0002166400410000013
式中，P(Si)表示数据采集节点Si的簇头竞争能力值，E(Si)表示数据采集节点Si的剩余能量，E(Sj)表示数据采集节点Si在通信距离范围内的邻居节点Sj剩余能量，m为数据采集节点Si在通信距离范围内的邻居节点的数量，m′为数据采集节点Si在通信距离范围内的相似节点的数量，其中定义所述的相似节点为感知数据与数据采集节点Si的感知数据的曼哈顿距离小于D′/2的节点，D′为设定的曼哈顿距离阈值，D(Si,Sj)表示数据采集节点Si在通信距离范围内的邻居节点Sj的感知数据与数据采集节点Si的感知数据的曼哈顿距离，η为设定的权重因子，ξ为设定的调整因子，η和ξ的取值范围均为[0,1]；
(3)将P(Si)>0的数据采集节点作为备选簇头节点，形成备选簇头节点集合，对备选簇头节点集合中的备选簇头节点按照自定义的过滤规则进行过滤处理，将过滤后的备选簇头节点集合中的备选簇头节点作为簇头节点；
(4)对无线传感器网络内的每个数据采集节点，计算该数据采集节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该数据采集节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的建筑安全监测系统，其特征是，所述建筑安全监测数据包括建筑结构的应力数据、加速度数据、位移数据。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的建筑安全监测系统，其特征是，所述建筑安全监控中心包括数据分析模块和显示模块，该数据分析模块将收到的建筑安全监测数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示模块进行比较结果显示。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的建筑安全监测系统，其特征是，所述自定义的过滤规则为：
若备选簇头节点集合中存在两备选簇头节点Si′、Sj′满足下列公式，则比较两者的簇头竞争能力值，将簇头竞争能力值较低的备选簇头节点从备选簇头节点集合中删除，将备选簇头节点集合中剩余的备选簇头节点作为簇头节点：
Figure FDA0002166400410000021
式中，D(Si′,Sj′)表示两备选簇头节点Si′、Sj′的感知数据间的曼哈顿距离，D′为所述设定的曼哈顿距离阈值，
Figure FDA0002166400410000022
表示备选簇头节点Si′在通信距离为0.8d范围内的相似节点集合，
Figure FDA0002166400410000023
表示备选簇头节点Sj′在通信距离为0.8d范围内的相似节点集合，其中d为所述的设定的通信距离阈值，
Figure FDA0002166400410000024
表示备选簇头节点Si′的相似节点集合与备选簇头节点Sj′的相似节点集合中包含的共同的相似节点的数目，n′为备选簇头节点Si′与备选簇头节点Sj′所具有的相似节点总数。
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