CN107426683A - 一种污水智能监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种污水智能监测系统，包括水质感知监测模块、远程通信模块和污水监测管理终端；所述的水质感知监测模块用于基于无线传感器网络采集现场水质感知数据，并将现场水质感知数据通过远程通信模块传送至污水监测管理终端；还包括智能终端，所述的智能终端与污水监测管理终端通信连接，当现场水质感知数据超过对应现场水质感知数据阈值时，污水监测管理终端向智能终端发送报警信号。本发明利用无线传感器网络技术实现了污水的监测。

Description

一种污水智能监测系统
技术领域
本发明涉及污水监测技术领域，具体涉及一种污水智能监测系统。
背景技术
水域环境监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学决策的依据。水域环境监测是环境保护管理部门监管的重要内容之一，目前我国对大江、大河、沿海流域、港口、海湾实施日常例行监测，对赤潮、溢油、重大污染物泄漏等污染事故，每天需进行一次监测。当大江、大河及大型湖泊等突发水环境污染事故时，现有常规手段无法实现迅速、准确、动态地监测与预报，以致环保相关部门难以快速、恰当地作出决策。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种污水智能监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种污水智能监测系统，包括水质感知监测模块、远程通信模块和污水监测管理终端；所述的水质感知监测模块用于基于无线传感器网络采集现场水质感知数据，并将现场水质感知数据通过远程通信模块传送至污水监测管理终端。
本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了现场水质监测，使得环保相关部门能够及时发现水环境污染事故，对事故的发生和发展进行监测评估，制定紧急对策和措施。
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本发明的结构框图；
图2是本发明污水监测管理终端的连接框图。
附图标记：
水质感知监测模块1、远程通信模块2、污水监测管理终端3、智能终端4、水质感知数据接收模块10、水质感知数据存储模块20、水质感知数据处理模块30、阈值数据库40、异常数据显示模块50。
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污水智能监测系统，包括水质感知监测模块1、远程通信模块2和污水监测管理终端3；所述的水质感知监测模块1用于基于无线传感器网络采集现场水质感知数据，并将现场水质感知数据通过远程通信模块2传送至污水监测管理终端3。
作为一个优选实施例，所述的污水监测管理终端3包括水质感知数据接收模块10、水质感知数据存储模块20、水质感知数据处理模块30、阈值数据库40、异常数据显示模块50；水质感知数据接收模块10与远程通信模块2连接，水质感知数据接收模块10、水质感知数据存储模块20、水质感知数据处理模块30、阈值数据库40依次连接，异常数据显示模块50与水质感知数据处理模块30连接。
作为一个优选实施例，污水智能监控管理系统还包括智能终端4，所述的智能终端4与污水监测管理终端3通信连接，阈值数据库存储有现场水质感知数据阈值，所述的水质感知数据处理模块将收到的现场水质感知数据与阈值数据库中的对应现场水质感知数据阈值进行比较，当现场水质感知数据超过对应现场水质感知数据阈值时向智能终端4发送报警信号。
作为一个优选实施例，所述的现场水质感知数据包括水温、RH值、浊度、电导率、溶解氧含量。
本发明上述实施例利用无线传感器网络技术实现了现场水质监测，使得环保相关部门能够及时发现水环境污染事故，对事故的发生和发展进行监测评估，制定紧急对策和措施。
在一个实施例中，所述水质感知监测模块1包括水质监测感知节点、簇头节点、基站；所述的水质监测感知节点用于采集设定污水监测区域内的现场水质感知数据，并将现场水质感知数据发送至所在簇的簇头节点；簇头节点用于接收簇内的水质监测感知节点发送的现场水质感知数据，并对现场水质感知数据进行异常现场水质感知数据检测，剔除异常现场水质感知数据后，对剩余的现场水质感知数据进行融合处理并发送至基站，进而由基站将处理后的现场水质感知数据通过远程通信模块2上传至污水监测管理终端3。
在一个实施例中，无线传感器网络在初始化时划分为多个簇，簇内水质监测感知节点根据一定的概率轮流当选为簇头节点。
在一个实施例中，水质监测感知节点的通信距离在分簇前设置为：
式中，Lq表示水质监测感知节点q所设置的通信距离，g为设定的调节系数，Dmax和Dmin分别为传感器监测网络中水质监测感知节点离汇聚节点sink的最大距离和最小距离，D(q,sink)表示水质监测感知节点q离汇聚节点sink的距离，表示水质监测感知节点q能够设置的最大通信距离。
本实施例通过上述方式设置水质监测感知节点的通信距离，能够使得距离汇聚节点越近的水质监测感知节点，其通信距离越小，有利于减小靠近汇聚节点的簇的规模，从而有益于节省靠近汇聚节点的簇头节点在处理簇内监测数据通信时消耗的能量，保留更多的能量来承担转发任务，降低污水智能监测系统的通信成本。
在一个实施例中，无线传感器网络在初始化时划分为多个簇，具体包括：
(1)对无线传感器网络中的水质监测感知节点进行初始化群落划分，得到初始化的群落结构，具体为：为无线传感器网络中的每个水质监测感知节点分配一个群落，则共有N个群落，对于每个水质监测感知节点，计算其与各邻居水质监测感知节点之间的连接强度，确定最大连接强度，若最大连接强度为0，则水质监测感知节点不动，若最大连接强度为正值，则将水质监测感知节点从所在群落移除，并将其加入到最大连接强度对应的邻居水质监测感知节点的群落中，重复该过程，直至群落不再变化，其中连接强度的计算公式定义为：
式中，Wij表示水质监测感知节点i与其邻居水质监测感知节点j之间的连接强度，Dij表示水质监测感知节点i与其邻居水质监测感知节点j之间距离，ni为水质监测感知节点i的邻居水质监测感知节点数目，y(i,j)为设定的群落判定函数，若i,j属于同个群落，则y(i,j)＝0，若i,j属于不同的群落，则y(i,j)＝1；
(2)对于初始化的群落结构中的每个群落，计算群落与其邻居群落之间的相关程度，确定最大相关程度，若最大相关程度为负值，则该群落不动，若最大相关程度为正值，则将该群落加入到最大相关程度对应的群落中，重复该过程，直至群落中水质监测感知节点的组成不再变化，从而完成水质监测感知节点的分簇，其中相关程度的计算公式为：
式中，WAB表示群落A与其邻居群落B之间的相关程度，Dab表示群落A的水质监测感知节点与其邻居群落B的水质监测感知节点之间的距离，wT为设定的相关程度阈值。
本实施例利用水质监测感知节点之间的连通关系进行群落划分，进而利用群落之间的相关程度进行群落重组，从而将无线传感器网络分成多个簇，其中，最终得到的群落数目即为簇的数目，且簇内水质监测感知节点联系紧密，簇间水质监测感知节点联系稀疏，利用上述方式进行分簇，使得簇成员的数目更加合理，能够进一步平衡簇内和簇间通信。
在一个实施例中，簇内水质监测感知节点根据一定的概率轮流当选为簇头节点，具体为：
(1)确定簇内水质监测感知节点当选为簇头节点的概率：
式中，Rp表示簇内水质监测感知节点p当选为簇头节点的概率，Up和Mp分别为p的当前剩余能量和在通信距离内的邻居水质监测感知节点数目，e为p所在簇内的其他水质监测感知节点，Np为p所在簇内的水质监测感知节点数目，Ue和Me分别为e的当前剩余能量和在通信距离内的邻居水质监测感知节点数目；
(2)概率最大的水质监测感知节点当选为簇头节点。
按照上述公式确定簇内水质监测感知节点当选为簇头节点的概率，能够使得能量更高、在簇内所处的位置较为中心的水质监测感知节点更容易成为簇头节点，且根据一定的概率轮流当选为簇头节点，能够平衡簇内水质监测感知节点的能耗，有利于保证簇的稳定性，保障水质感知数据的可靠收集。
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 (6)

1.一种污水智能监测系统，其特征是，包括水质感知监测模块、远程通信模块和污水监测管理终端；所述的水质感知监测模块用于基于无线传感器网络采集现场水质感知数据，并将现场水质感知数据通过远程通信模块传送至污水监测管理终端。
2.根据权利要求1所述的一种污水智能监测系统，其特征是，所述的污水监测管理终端包括水质感知数据接收模块、水质感知数据存储模块、水质感知数据处理模块、阈值数据库和异常数据显示模块；水质感知数据接收模块与远程通信模块连接，水质感知数据接收模块、水质感知数据存储模块、水质感知数据处理模块、阈值数据库依次连接，异常数据显示模块与水质感知数据处理模块连接。
3.根据权利要求2所述的一种污水智能监测系统，其特征是，还包括智能终端，所述的智能终端与污水监测管理终端通信连接，阈值数据库存储有现场水质感知数据阈值，所述的水质感知数据处理模块将收到的现场水质感知数据与阈值数据库中的对应现场水质感知数据阈值进行比较，当现场水质感知数据超过对应现场水质感知数据阈值时向智能终端发送报警信号。
4.根据权利要求1所述的一种污水智能监测系统，其特征是，所述水质感知监测模块包括水质监测感知节点、簇头节点、基站；所述的水质监测感知节点用于采集设定污水监测区域内的现场水质感知数据，并将现场水质感知数据发送至所在簇的簇头节点；簇头节点用于接收簇内的水质监测感知节点发送的现场水质感知数据，并进行融合处理后发送至基站，进而由基站将处理后的现场水质感知数据通过远程通信模块上传至污水监测管理终端。
5.根据权利要求4所述的一种污水智能监测系统，其特征是，无线传感器网络在初始化时划分为多个簇，水质监测感知节点的通信距离在分簇前设置为：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>g</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>q</mi> <mo>,</mo> <mi>sin</mi> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <msub> <mi>D</mi> <mi>max</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>D</mi> <mi>min</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <msubsup> <mi>L</mi> <mi>q</mi> <mi>max</mi> </msubsup> </mrow>
式中，Lq表示水质监测感知节点q所设置的通信距离，g为设定的调节系数，Dmax和Dmin分别为传感器监测网络中水质监测感知节点离汇聚节点sink的最大距离和最小距离，D(q,sink)表示水质监测感知节点q离汇聚节点sink的距离，表示水质监测感知节点q能够设置的最大通信距离。
6.根据权利要求5所述的一种污水智能监测系统，其特征是，无线传感器网络在初始化时划分为多个簇，具体包括：
(1)将无线传感器网络中的水质监测感知节点进行初始化群落划分，得到初始化的群落结构，具体为：为无线传感器网络中的每个水质监测感知节点分配一个群落，则共有N个群落，对于每个水质监测感知节点，计算其与各邻居水质监测感知节点之间的连接强度，确定最大连接强度，若最大连接强度为0，则水质监测感知节点不动，若最大连接强度为正值，则将水质监测感知节点从所在群落移除，并将其加入到最大连接强度对应的邻居水质监测感知节点的群落中，重复该过程，直至群落不再变化，其中连接强度的计算公式定义为：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> </msubsup> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> 1
式中，Wij表示水质监测感知节点i与其邻居水质监测感知节点j之间的连接强度，Dij表示水质监测感知节点i与其邻居水质监测感知节点j之间距离，ni为水质监测感知节点i的邻居水质监测感知节点数目，y(i,j)为设定的群落判定函数，若i,j属于同个群落，则y(i,j)＝0，若i,j属于不同的群落，则y(i,j)＝1；
(2)对于初始化的群落结构中的每个群落，计算群落与其邻居群落之间的相关程度，确定最大相关程度，若最大相关程度为负值，则该群落不动，若最大相关程度为正值，则将该群落加入到最大相关程度对应的群落中，重复该过程，直至群落中水质监测感知节点的组成不再变化，从而完成水质监测感知节点的分簇，其中相关程度的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>B</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munder> <mi>max</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>A</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>B</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munder> <mi>min</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>A</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>B</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <munder> <mi>max</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>A</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>B</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <munder> <mi>min</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>A</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>B</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>w</mi> <mi>T</mi> </msub> </mrow>
式中，WAB表示群落A与其邻居群落B之间的相关程度，Dab表示群落A的水质监测感知节点与其邻居群落B的水质监测感知节点之间的距离，wT为设定的相关程度阈值。
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