CN107271133A - 一种基于无线传感器网络的风沙监测系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的风沙监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，包括风沙监测模块、远端监控中心和用户终端，所述的风沙监测模块基于无线传感器网络对设定的风沙监测区域进行监测，并将风沙监测数据传送至远端监控中心；所述的远端监控中心用于对风沙监测数据进行分析处理，在风沙监测数据超出正常阈值时向用户终端发送报警信号。利用本发明的风沙监测系统，可实时有效地获取风沙监测数据，在风沙监测数据异常时进行报警。

Description

一种基于无线传感器网络的风沙监测系统
技术领域
本发明涉及风沙监测技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的风沙监测系统。
背景技术
沙尘暴是由特殊的地理环境和气象条件所致的一种较为常见的自然现象，主要发生在沙漠及其临近的干旱与半干旱地区，世界范围内沙尘暴多发区位于中亚、北美、中非和澳大利亚。沙尘暴过程对生态系统的破坏力极强，它能够加速土地荒漠化，对大气环境造成严重的污染，使城市空气质量显著下降，对人类健康、城市交通、通讯和供电产生负面影响。由于其爆发的频繁性和危害的严重性，有必要设计一种对风沙进行监测的系统。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的风沙监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，包括风沙监测模块、远端监控中心和用户终端，所述的风沙监测模块基于无线传感器网络对设定的风沙监测区域进行监测，并将风沙监测数据传送至远端监控中心；所述的远端监控中心用于对风沙监测数据进行分析处理，在风沙监测数据超出正常阈值时向用户终端发送报警信号。
本发明的有益效果为：利用本发明的风沙监测系统，可实时有效地获取风沙监测数据，在风沙监测数据异常时进行报警。
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是本发明远端监控中心的框图示意图。
附图标记：
风沙监测模块1、远端监控中心2、用户终端3、风沙监测数据接收模块10、风沙数据阈值数据库20、风沙数据分析模块30、报警模块40。
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，本实施例提供的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，包括风沙监测模块1、远端监控中心2和用户终端3，所述的风沙监测模块1基于无线传感器网络对设定的风沙监测区域进行监测，并将风沙监测数据传送至远端监控中心2；所述的远端监控中心2用于对风沙监测数据进行分析处理，在风沙监测数据超出正常阈值时向用户终端3发送报警信号。
优选地，所述远端监控中心2包括风沙监测数据接收模块10、风沙数据阈值数据库20、风沙数据分析模块30、报警模块40，所述的风沙数据分析模块30对风沙监测数据接收模块10接收的风沙监测数据与风沙数据阈值数据库20存储的对应的风沙数据阈值进行比较，若风沙监测数据超出风沙数据阈值，则通过报警模块40向用户终端3发送报警信号。
优选地，所述的风沙监测模块1包括一个移动汇聚节点和多个风沙监测数据采集节点，风沙监测数据采集节点固定设置于设定的风沙监测区域内部，移动汇聚节点设置于设定的风沙监测区域外部，移动汇聚节点在每一轮的数据收集时从起始位置出发，按照设定的访问路径运动并收集风沙监测数据采集节点的监测数据，再返回起始位置准备下一轮的监测数据收集。
优选地，在每个风沙监测数据采集节点处，设置有用于阻止风沙监测数据采集节点被风沙吹动和防止风沙监测数据采集节点丢失的加固装置。
利用本发明上述实施例设置的风沙监测系统，可实时有效地获取风沙监测数据，在风沙监测数据异常时进行报警。
移动汇聚节点进行风沙监测数据的收集时的访问路径的设定，具体为：
(1)进行风沙监测区域的划分，将设定的风沙监测区域划分多个大小相等的方形的子监测区域，子监测区域的边长R为：
式中，Z为风沙监测区域的面积，Sα表示第α个风沙监测数据采集节点失效的概率，L为风沙监测数据采集节点的个数；
(2)对每个子监测区域，计算子监测区域内的风沙监测数据采集节点的位置优选值，选择其中位置优选值最大的一个风沙监测数据采集节点作为该子监测区域的位置参考节点，位置优选值的计算公式为：
式中，表示第i个子监测区域中的第β个风沙监测数据采集节点，表示的位置优选值，表示具有的在第i个子监测区域内的邻居节点数目，为到移动汇聚节点初始位置的距离，为到第i个子监测区域的中心点Oi的距离，J0为设定的距离参考值，q1、q2为设定的权重系数，且q1+q2＝1；
(3)将各位置参考节点按照与移动汇聚节点初始位置的距离由小到大的顺序直线连接形成的路径设定为移动汇聚节点的访问路径，各位置参考节点所处的位置为移动汇聚节点进行数据收集时停留的站点。
本优选实施例设定了移动汇聚节点的访问路径，使得移动汇聚节点不需要停留在每个风沙监测数据采集节点的位置进行风沙监测数据的收集，只需停留在位置参考节点所处的位置上进行风沙监测数据的收集，整体上相对缩短了移动汇聚节点的停留时间，节省了移动汇聚节点进行风沙监测数据收集的能耗，从而降低了风沙监测系统的能耗成本。
优选地，按照设定的访问路径，移动汇聚节点每次运动到位置参考节点所在的位置时，停留一段时间，并通过调整发射功耗调整通信距离为设定的通信距离阈值后再进行风沙监测数据的收集，其中设在第i个子监测区域设置的通信距离阈值为Ψi，Ψi按照下述公式设定：
式中，xi,yi为第i个子监测区域的位置参考节点的坐标，ac,bc为第i个子监测区域的第c个风沙监测数据采集节点(除位置参考节点)的坐标，Ki为第i个子监测区域具有的除位置参考节点之外的风沙监测数据采集节点数目，L为设定的调整因子。
本优选实施例中，移动汇聚节点能够根据子监测区域的风沙监测数据采集节点的分布特性，在进行风沙监测数据的收集之前调整自身的通信距离，从而确保移动汇聚节点能够完全收集子监测区域内所有风沙监测数据采集节点的风沙监测数据，避免风沙监测数据的遗漏，保障风沙监测系统在风沙监测数据收集方面的可靠性。
优选地，移动汇聚节点在位置参考节点所在位置处的停留时间按照下列公式设定：
式中，Wi表示移动汇聚节点在第i个子监测区域对应的位置参考节点所在位置处的停留时间，表示第i个子监测区域中的第V个风沙监测数据采集节点到位置参考节点si之间的跳数，Ki为第i个子监测区域具有的除位置参考节点之外的风沙监测数据采集节点数目，SV为第i个子监测区域中的第V个风沙监测数据采集节点失效的概率，GV为第i个子监测区域中的第V个风沙监测数据采集节点的丢包率，ξ为设定的调整系数，W0为设定的单位数据包发送时间阈值。
本优选实施例的风沙监测系统，在设定移动汇聚节点在位置参考节点所在位置处的停留时间时，考虑了子监测区域中风沙监测数据采集节点的失效概率和丢包率，能够对不同的子监测区域的停留时间进行适当地约束，使得停留时间的设置能够根据子监测区域的情况相应地调整，能够缩短移动汇聚节点的整体停留时间，进一步延长风沙监测系统中无线传感器网络的生命周期，降低风沙监测系统的整体能耗。
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 (7)

1.一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征是，包括风沙监测模块、远端监控中心和用户终端，所述的风沙监测模块基于无线传感器网络对设定的风沙监测区域进行监测，并将风沙监测数据传送至远端监控中心；所述的远端监控中心用于对风沙监测数据进行分析处理，在风沙监测数据超出正常阈值时向用户终端发送报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征是，所述远端监控中心包括风沙监测数据接收模块、风沙数据阈值数据库、风沙数据分析模块和报警模块，所述的风沙数据分析模块对风沙监测数据接收模块接收的风沙监测数据与风沙数据阈值数据库存储的对应的风沙数据阈值进行比较，若风沙监测数据超出风沙数据阈值，则通过报警模块向用户终端发送报警信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征是，所述的风沙监测模块包括一个移动汇聚节点和多个风沙监测数据采集节点，风沙监测数据采集节点固定设置于设定的风沙监测区域内部，移动汇聚节点设置于设定的风沙监测区域外部，移动汇聚节点在每一轮的数据收集时从起始位置出发，按照设定的访问路径运动并收集风沙监测数据采集节点的监测数据，再返回起始位置准备下一轮的监测数据收集。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征是，在每个风沙监测数据采集节点处，设置有用于阻止风沙监测数据采集节点被风沙吹动和防止风沙监测数据采集节点丢失的加固装置。
5.根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征是，移动汇聚节点进行风沙监测数据的收集时的访问路径的设定，具体为：
(1)进行风沙监测区域的划分，将设定的风沙监测区域划分多个大小相等的方形的子监测区域，子监测区域的边长R为：
<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <msubsup> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi> </msubsup> <msub> <mi>S</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </msqrt> </mrow>
式中，Z为风沙监测区域的面积，Sα表示第α个风沙监测数据采集节点失效的概率，L为风沙监测数据采集节点的个数；
(2)对每个子监测区域，计算子监测区域内的风沙监测数据采集节点的位置优选值，选择其中位置优选值最大的一个风沙监测数据采集节点作为该子监测区域的位置参考节点，位置优选值的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>Y</mi> <msubsup> <mi>U</mi> <msub> <mrow></mrow> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <mi>i</mi> </msubsup> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>q</mi> <mn>1</mn> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>m</mi> <msubsup> <mi>U</mi> <msub> <mrow></mrow> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <mi>i</mi> </msubsup> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>q</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>J</mi> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mi>J</mi> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <msub> <mi>O</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>J</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
式中，表示第i个子监测区域中的第β个风沙监测数据采集节点，表示的位置优选值，表示具有的在第i个子监测区域内的邻居节点数目，为到移动汇聚节点初始位置的距离，为到第i个子监测区域的中心点Oi的距离，J0为设定的距离参考值，q1、q2为设定的权重系数，且q1+q2＝1；
(3)将各位置参考节点按照与移动汇聚节点初始位置的距离由小到大的顺序直线连接形成的路径设定为移动汇聚节点的访问路径，各位置参考节点所处的位置为移动汇聚节点进行数据收集时停留的站点。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征是，移动汇聚节点在位置参考节点所在位置处的停留时间按照下列公式设定：
<mrow> <msub> <mi>w</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <mi>e</mi> <mi>&amp;xi;</mi> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>W</mi> <mn>0</mn> </msub> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> </munderover> <msubsup> <mi>N</mi> <mrow> <mi>V</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi> </msubsup> <msub> <mi>S</mi> <mi>V</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> </msubsup> <msub> <mi>G</mi> <mi>V</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，Wi表示移动汇聚节点在第i个子监测区域对应的位置参考节点所在位置处的停留时间，表示第i个子监测区域中的第V个风沙监测数据采集节点到位置参考节点si之间的跳数，Ki为第i个子监测区域具有的除位置参考节点之外的风沙监测数据采集节点数目，SV为第i个子监测区域中的第V个风沙监测数据采集节点失效的概率，GV为第i个子监测区域中的第V个风沙监测数据采集节点的丢包率，ξ为设定的调整系数，W0为设定的单位数据包发送时间阈值。
7.根据权利要求6所述的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征是，按照设定的访问路径，移动汇聚节点每次运动到位置参考节点所在的位置时，停留一段时间，并通过调整发射功耗调整通信距离为设定的通信距离阈值后再进行风沙监测数据的收集，其中通信距离阈值按照下述公式设定：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Psi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <mi>e</mi> <mi>L</mi> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </munder> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>a</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>b</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
式中，xi,yi为第i个子监测区域的位置参考节点的坐标，ac,bc为第i个子监测区域的第c个风沙监测数据采集节点(除位置参考节点)的坐标，Ψi表示移动汇聚节点在第i个子监测区域时设定的通信距离阈值，Ki为第i个子监测区域具有的除位置参考节点之外的风沙监测数据采集节点数目，L为设定的调整因子。
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