CN107465746A - 一种基于无线传感器网络的风沙监测系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于无线传感器网络的风沙监测系统,包括传感器监测模块、无线通信模块和远程监控中心,所述传感器监测模块布置在监测区域内,用于采集所在位置的风沙运动数据,并将风沙运动数据通过无线通信模块传送至远程监控中心,所述远程监控中心用于对所述风沙运动数据进行处理和分析,并在所述风沙运动数据超出安全阈值时进行预警。本发明的有益效果为:通过无线传感器技术进行风沙监测,通过传感器节点进行风沙运动数据的采集,并通过无线传感器网络将采集得到的数据进行传输,增加了通信的灵活性,提高了监测系统的可靠性。

Description

一种基于无线传感器网络的风沙监测系统
技术领域
本发明创造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
当前,环境恶化严重尤其是沙漠化问题更为突出,各国也都投入很大的精力致力于风沙的治理,监测系统为治理提供了科学的数据,对野外环境因子的监测是一个长期的过程,而且都是在一些比较恶劣的环境下进行的,传统的监测系统是基于PC机进行现场测试,具有移动不方便、费用高以及移动不方便等缺点,目前,采用传感器网络技术来构建风沙监测系统,能够利用其优势来满足风沙运动数据的监测,其优势在于无线通信的方式减少了布线的投入,降低了维护和维修的难度,增加了通信的灵活性,增加了监测系统的可靠性,其次,节点集成多种类型的传感器,使得同时采集多个参数数据成为可能,大大缩短了数据采集时间。
发明内容
针对上述问题,本发明旨在提供一种基于无线传感器网络的风沙监测系统。
本发明创造的目的通过以下技术方案实现:
一种基于无线传感器网络的风沙监测系统,其特征是,包括传感器监测模块、无线通信模块和远程监控中心,所述传感器监测模块布置在监测区域内,用于采集所在位置的风沙运动数据,并将风沙运动数据通过无线通信模块传送至远程监控中心,所述远程监控中心用于对所述风沙运动数据进行处理和分析,并在所述风沙运动数据超出安全阈值时进行预警。
本发明创造的有益效果:通过无线传感器技术进行风沙监测,通过传感器节点进行风沙运动数据的采集,并通过无线传感器网络将采集得到的数据进行传输,增加了通信的灵活性,提高了监测系统的可靠性。
附图说明
利用附图对发明创造作进一步说明,但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制,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是本发明结构示意图;
附图标记:
传感器监测模块1;无线通信模块2;远程监控中心3。
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,本实施例的一种基于无线传感器网络的风沙监测系统,其特征是,包括传感器监测模块1、无线通信模块2和远程监控中心3,所述传感器监测模块1布置在监测区域内,用于采集所在位置的风沙运动数据,并将风沙运动数据通过无线通信模块2传送至远程监控中心3,所述远程监控中心3用于对所述风沙运动数据进行处理和分析,并在所述风沙运动数据超出安全阈值时进行预警。
优选地,所述传感器监测模块1包括传感器采集单元和基站,所述传感器采集单元包括多个用于采集风沙运动数据的传感器节点和用于对簇内风沙运动数据进行收集和处理的簇首节点,簇首节点发送的数据经基站传送到所述无线通信模块。
优选地,所述传感器采集单元采用分层网络拓扑结构。
本优选实施例通过无线传感器技术进行风沙监测,通过传感器节点进行风沙运动数据的采集,并通过无线传感器网络将采集得到的数据进行传输,增加了通信的灵活性,提高了监测系统的可靠性。
优选地,所述分层网络拓扑结构中,采用改进的LEACH算法进行簇首的选择,具体为:
式中,N0是传感器节点的原始能量值,ni为传感器节点的当前剩余能量值,kis为传感器节点和基站之间的距离值,p为传感器节点成为簇首节点的百分率,是轮数间隔值,G是候选节点的集合。
本优选实施例针对无线传感器网络中各传感器节点能量消耗和簇首节点位置分布不均导致的网络寿命下降的问题,本系统在簇首的选择算法中引入了各传感器节点的能量因素和各传感器节点与汇聚节点的距离因素,以降低簇内节点与簇首节点之间的通信能耗,实现了网络能耗均衡,延长了无线传感器网络的生存周期。
优选地,所述分层网络拓扑结构中,定义传感器节点分簇的代价函数,通过计算传感器节点与簇首之间的代价函数值,对传感器节点进行分簇,具体为:
定义传感器节点vi加入簇首cj的代价函数为V(i,j),则代价函数V(i,j)的计算公式为:
式中,kij是传感器节点vi到簇首cj的距离,sj是簇首cj到基站的距离,kmax和kmin分别是传感器节点vi到所有簇首距离的最大值和最小值,smax和smin分别是所有簇首到基站距离的最大值和最小值,ni和ej分别是传感器节点vi和簇首cj的剩余能量值,NO和EO分别是传感器节点vi和簇首cj的初始能量值,和ω分别是各项参数的权重,且
当代价函数V(i,j)为最小值时,传感器节点vi即加入簇首cj
本优选实施例在传感器节点成簇过程中,引入传感器节点到簇首的距离、传感器节点和簇首的能量值以及簇首到基站的距离构造传感器节点选择簇首的代价函数,选择具有最小代价函数的簇首加入,降低了数据传输过程中传感器节点的能量消耗,减少了网络的总体能耗,增加了网络的使用寿命。
优选地,所述分层网络拓扑结构中,选择合适的中继节点实现簇首和基站之间进行数据传输,具体为:
a.定义簇首ci选择簇首cj作为中继节点的代价函数为C(cj),
式中,e(cj)为簇首cj的剩余能量值,为簇首ci的临近簇首的平均剩余能量值,n(cj)为簇首cj传输数据包的单位能耗值,为簇首ci的临近簇首传输数据包的平均能耗值,ω是加权系数,d(ci,cj)为簇首ci到簇首cj的距离值,为簇首ci到临近簇首的距离的平均值,d(cj,b)为簇首cj到基站的距离值,为簇首ci临近的簇首到基站的平均距离值。
b.当簇首ci到基站的距离时,数据包直接由簇首ci转发到基站;当簇首ci到基站的距离时,选择具有最小代价函数值C(cj)的簇首cj作为中继节点。
本优选实施例在数据传输过程中,采用多跳路由的数据传输方式,当簇首到基站的距离小于邻居簇首到基站的平均距离时,选择合适的中继节点进行数据的传输,均衡了簇首的能耗值,延长了网络的使用寿命。
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)

1.一种基于无线传感器网络的风沙监测系统,其特征是,包括传感器监测模块、无线通信模块和远程监控中心,所述传感器监测模块布置在监测区域内,用于采集所在位置的风沙运动数据,并将风沙运动数据通过无线通信模块传送至远程监控中心,所述远程监控中心用于对所述风沙运动数据进行处理和分析,并在所述风沙运动数据超出安全阈值时进行预警。
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,所述传感器监测模块包括传感器采集单元和基站,所述传感器采集单元包括多个用于采集风沙运动数据的传感器节点和用于对簇内风沙运动数据进行收集和处理的簇首节点,簇首节点发送的数据经基站传送到所述无线通信模块。
3.根据权利要求2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,所述传感器采集单元采用分层网络拓扑结构。
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,所述分层网络拓扑结构中,采用改进的LEACH算法进行簇首的选择,具体为:
<mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mi>p</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>p</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>mod</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>p</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>{</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>}</mo> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>n</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>G</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
式中,N0是传感器节点的初始能量值,ni为传感器节点的当前剩余能量值,kis为传感器节点和基站之间的距离值,p为传感器节点成为簇首节点的百分率,是轮数间隔值,G是候选节点的集合。
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,所述分层网络拓扑结构中,定义传感器节点分簇的代价函数,通过计算传感器节点与簇首之间的代价函数值,对传感器节点进行分簇,具体为:
定义传感器节点vi加入簇首cj的代价函数为V(i,j),则代价函数V(i,j)的计算公式为:
式中,kij是传感器节点vi到簇首cj的距离,sj是簇首cj到基站的距离,kmax和kmin分别是传感器节点vi到所有簇首距离的最大值和最小值,smax和smin分别是所有簇首到基站距离的最大值和最小值,ni和ej分别是传感器节点vi和簇首cj的剩余能量值,NO和EO分别是传感器节点vi和簇首cj的初始能量值,和ω分别是各项参数的权重,且
当代价函数V(i,j)为最小值时,传感器节点vi即加入簇首cj
6.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,所述分层网络拓扑结构中,选择合适的中继节点实现簇首和基站之间的数据传输,具体为:
a.定义簇首ci选择簇首cj作为中继节点的代价函数为C(cj),
<mrow> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>*</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mover> <mi>N</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mover> <mi>D</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mover> <mi>D</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中,e(cj)为簇首cj的剩余能量值,为簇首ci的临近簇首的平均剩余能量值,n(cj)为簇首cj传输数据包的单位能耗值,为簇首ci的临近簇首传输数据包的平均能耗值,ω是加权系数,d(ci,cj)为簇首ci到簇首cj的距离值,为簇首ci到临近簇首的距离的平均值,d(cj,b)为簇首cj到基站的距离值,为簇首ci临近的簇首到基站的平均距离值;
b.当簇首ci到基站的距离时,数据包直接由簇首ci转发到基站;当簇首ci到基站的距离时,选择具有最小代价函数值C(cj)的簇首cj作为中继节点。
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