CN107862835A - 一种基于云计算的山洪灾害监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于云计算的山洪灾害监测系统，包括山洪灾害监测无线传感器网络、云计算服务器、监控终端；所述山洪灾害监测无线传感器网络与云服务连接的输入端连接，监控终端与云服务的输出端连接。本发明利用云技术以及山洪灾害监测无线传感器网络技术实现了对山洪灾害的无线监测。

Description

一种基于云计算的山洪灾害监测系统

技术领域

本发明涉及山洪灾害监测领域，具体涉及一种基于云计算的山洪灾害监测系统。

背景技术

目前，山区由于特殊的地质因素和气候因素，加上越演越烈的人为因素影响，山洪灾害频发，破坏性也越来越大，给当地人民的财产和生命安全带来严重威胁。山洪灾害不仅造成一定范围内的人员伤亡、财产损失，还会对附近道路交通造成严重威胁。山洪灾害预警监测就是通过各种技术手段，在大规模山洪灾害之前进行智能判断并且报警，同时实时监测山洪动态，为防灾工作提供科学依据。

然而，传统的山洪灾害监测预警系统中存在数据处理效率低、资源共享能力弱、软件通用化程度不高、功能不全等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于云计算的山洪灾害监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于云计算的山洪灾害监测系统，包括山洪灾害监测无线传感器网络、云计算服务器、监控终端；所述山洪灾害监测无线传感器网络与云服务连接的输入端连接，监控终端与云服务的输出端连接。

优选地，所述监控终端包括处理器、微处理器、预警等级判定模块、报警模块、反馈模块，所述处理器的输出端与云计算服务器的输入端连接，所述云计算服务器的输出端通过反馈模块与微处理器的输入端电连接，所述微处理器的输出端电连接预警等级判定模块的输入端，且所述预警等级判定模块的输出端与处理器的输入端电连接，所述处理器的输出端与报警模块的输入端电连接。

进一步地，还包括信息收发装置，信息收发装置的输入端电连接处理器的输出端，所述信息收发装置的输出端分别与用户终端一、用户终端二和用户终端N的输入端电连接。

优选地，所述云计算服务器包括云交互、云存储和云计算。

优选地，所述山洪灾害监测无线传感器网络包括基站和多个负责采集山体环境监测数据的传感器节点，其中传感器节点将采集的山体环境监测数据通过多跳方式发给基站的中央处理器，由中央处理器对传感器节点发送的山体环境监测数据进行汇聚处理，并经中央处理器将山体环境监测数据发送给云计算服务器。

在实际测量过程中，基站将汇聚的山体环境监测数据发送到云计算服务器内的云计算中。云计算对收到的山体环境监测数据进行处理，经过云计算处理后的各项山体环境监测数据发送至云交互中进行山体环境监测数据的比对工作，若比对后显示山体环境监测数据不符合要求，则通过反馈模块将信息反馈给微处理器，微处理器驱使预警等级判定模块根据接收到的山体环境监测数据进行预警等级的判定工作，再将判定后的预警等级信息发送至处理器中，处理器驱动报警模块进行报警，在报警模块实现报警工作的同时，处理器通过信息收发装置与用户终端的使用者进行沟通，从而方便实现远程报警工作，可及时采取相应的针对方案来解决山洪灾害带来的问题。

本发明的有益效果为：该基于云架构的山洪灾害监测预警系统采用基于云计算的技术理念设计开发了具有扩展性好，数据存储与处理强，预警更加及时有效的山洪监测预警系统；该系统通过山洪灾害监测无线传感器网络、云计算服务器、监控终端的配合，实现了实时、动态反映信息，且还具有预警发布功能，为政府部门防洪防灾决策提供科学、统一、可靠的信息平台，该系统还通过处理器、信息收发装置以及多个用户终端的配合，在山洪灾害发生时，监控管理中心的处理器可自动通过信息收发装置与用户终端的使用者进行沟通，从而方便实现远程报警工作，可及时采取相应的针对方案来解决山洪灾害带来的问题。

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本发明一个实施例的结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的监控终端的结构示意框图。

附图标记：

山洪灾害监测无线传感器网络1、云计算服务器2、监控终端3、信息收发装置4、处理器10、微处理器12、预警等级判定模块14、报警模块16、反馈模块18。

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，本实施例提供的一种基于云计算的山洪灾害监测系统，包括山洪灾害监测无线传感器网络1、云计算服务器2、监控终端3；所述山洪灾害监测无线传感器网络1与云服务连接；

如图2所示，所述监控终端3包括处理器10、微处理器12、预警等级判定模块14、报警模块16、反馈模块18，所述处理器10的输出端与云计算服务器2的输入端连接，所述云计算服务器2的输出端通过反馈模块18与微处理器12的输入端电连接，所述微处理器12的输出端电连接预警等级判定模块14的输入端，且所述预警等级判定模块14的输出端与处理器10的输入端电连接，所述处理器10的输出端与报警模块16的输入端电连接；

进一步地，还包括信息收发装置4，信息收发装置4的输入端电连接处理器10的输出端，所述信息收发装置的输出端分别与用户终端一、用户终端二和用户终端N的输入端电连接。

在一个实施例中，所述云计算服务器2包括云交互、云存储和云计算。

在一个实施例中，所述山洪灾害监测无线传感器网络1包括基站和多个负责采集山体环境监测数据的传感器节点，其中传感器节点将采集的山体环境监测数据通过多跳方式发给基站的中央处理器，由中央处理器对传感器节点发送的山体环境监测数据进行汇聚处理，并经中央处理器将山体环境监测数据发送给云计算服务器。

在一个实施例中，传感器节点包括传感器，其中传感器的类型有：雨量传感器、液位传感器和加速度传感器。

在实际测量过程中，基站将汇聚的山体环境监测数据发送到云计算服务器2内的云计算中。云计算对收到的山体环境监测数据进行处理，经过云计算处理后的各项山体环境监测数据发送至云交互中进行山体环境监测数据的比对工作，若比对后显示山体环境监测数据不符合要求，则通过反馈模块18将信息反馈给微处理器12，微处理器12驱使预警等级判定模块根据接收到的山体环境监测数据进行预警等级的判定工作，再将判定后的预警等级信息发送至处理器10中，处理器10驱动报警模块进行报警，在报警模块实现报警工作的同时，处理器10通过信息收发装置与用户终端的使用者进行沟通，从而方便实现远程报警工作，可及时采取相应的针对方案来解决山洪灾害带来的问题。

本发明上述实施例中，该基于云架构的山洪灾害监测预警系统采用基于云计算的技术理念设计开发了具有扩展性好，数据存储与处理强，预警更加及时有效的山洪监测预警系统；该系统通过山洪灾害监测无线传感器网络1、云计算服务器2、监控终端3的配合，实现了实时、动态反映信息，且还具有预警发布功能，为政府部门防洪防灾决策提供科学、统一、可靠的信息平台。

在一个实施例中，多个传感器节点通过分簇路由协议竞选出簇首，传感器节点将采集的山体环境监测数据发送至所属簇的簇首，进而由簇首对山体环境监测数据进行融合并发送到基站。其中，传感器节点的负载由所属簇的簇首依据自身从基站得到的负载进行分配，传感器节点在负载分配结束后开启数据采集工作。进一步地，传感器节点的感知时间和发送给簇首的山体环境监测数据量跟所分配的负载量成比例。

本实施例中传感器节点通过分簇形式传输山体环境监测数据至基站，使得山体环境监测数据的传输路径能够保持在较短的通讯距离，从而能够降低网络能量消耗，节省山洪灾害监测系统的数据采集成本。

在一个实施例中，所述的分簇路由协议具体包括：基站通过发送广播信号，启动山洪灾害监测无线传感器网络1中所有传感器节点运行，每个启动的传感器节点应用安全加密随机数产生器生成一个0和1之间的随机数，并计算随机阈值，如果生成的随机数小于随机阈值，则成为簇首，选定的簇首通过广播告知其他的传感器节点，其他的传感器节点根据接收信号的强度计算与簇首的距离，并选择最近的簇首加入簇，完成簇的建立；

其中，随机阈值的计算公式为：

式中，Y_e为传感器节点X_e的随机阈值，V₀为初始概率值，其值固定不变，Q_e为传感器节点X_e的当前剩余能量，为网络平均能量，Q_e-last为传感器节点X_e上次作为簇首时消耗的能量，传感器节点X_e未曾做过簇首时Q_e-last＝0，Q_e0为传感器节点的初始能量。

传统方式经常采用LEACH分簇协议进行传感器节点的分簇。LEACH分簇协议中，网络的工作周期被分为若干轮，所有传感器节点轮流担任簇首以达到能量均衡消耗的目的。在簇生成阶段，每个传感器节点产生一个0-1之间的随机数，并根据当前轮数计算出一个门限值，如果某传感器节点在前1/(为簇首的比率)轮内未担任过簇首，并且随机数小于门限值，则该传感器节点成为簇首，然后，簇首向所有节点广播自己成为簇首的消息，普通节点则根据接收到的广播信号的强度来判断自己与簇首的距离，并以簇成员的身份加入与之最近的簇。

LEACH协议中簇首的选择是随机的，每轮选出的簇首数量相差很大，且分布不均匀，无法做到最优。相对于LEACH分簇协议，本实施例提出了一种新的分簇协议，该新的分簇协议优先以剩余能量较多的、消耗能量速率较低的传感器节点作为簇首，使得传感器节点的开始死亡的时间晚于LEACH，延长了山洪灾害监测无线传感器网络1的工作周期。

山洪灾害监测无线传感器网络1中传感器节点的死亡会带来传感“空洞”，造成传感质量的下降，因此通常用第1个传感器节点的死亡时间来评价分簇协议的性能；

基于上述分析，本发明人根据本实施例的分簇协议以及传统的LEACH分簇协议分别进行了仿真，结果表明，本实施例的传感器节点的开始死亡的时间相对于LEACH的晚了12％，主要原因在于本实施例选择剩余能量较多的、消耗能量速率较低的传感器节点作为簇首，有利于平衡传感器节点的能量消耗。

在一个实施例中，由基站进行总负载调度，基站将接收到的总负载分成若干个子负载，然后将子负载分配给各簇首，每个簇首将分到的子负载再进行分割，然后分配给每个簇内的传感器节点。

其中，设通过分簇路由协议竞选出的簇首集合为θ，M为θ包含的簇首的个数，CH_b表示θ中第b个簇首，CH_δ表示θ中第δ个簇首，表示CH_b从基站得到的负载，则簇首CH_b从基站得到的负载为：

式中，表示CH_b所在簇的簇半径，表示CH_b所在簇包含的传感器节点个数，表示CH_δ所在簇的簇半径，表示CH_δ所在簇包含的传感器节点个数，δ＝1,…,M，W为基站要分配给簇首节点的总负载。

本实施例基于簇首所属簇的簇半径以及包含的传感器节点个数两个因素设计了基站总负载的划分公式，依据该公式计算的结果进行簇首的负载分配，能够使得拥有传感器节点个数较多的、簇半径较大(相当于传感器节点与簇首之间距离较大)的簇首能够分配到更多的子负载来进行传感器节点的负载分配，有利于较好地分配负载和均衡传感器节点的能量消耗，延长山体环境监测数据采集的工作周期，从而在整体上相对节省了山洪灾害监测系统的通信成本。

在一个实施例中，传感器节点的负载由所属簇的簇首依据自身从基站得到的负载进行分配，具体包括：

(1)簇首α对所属簇内的传感器节点按照距离自身由近到远的顺序进行排序，生成的传感器节点序列为X＝{X₁,X₂,…,X₂3，其中G为簇首α所属簇内的传感器节点个数；

(2)设簇首α从基站得到的负载为W_α，簇首α依照该传感器节点序列的排列顺序依次计算各传感器节点应分配到的负载：

式中，W₁为传感器节点X₁应分配到的负载，W_k为传感器节点X_k应分配到的负载，h为预设的调节因子，h的取值范围为[0.5,0.8]，k＝2,…,G，b为比例因子，其中T_C为由传感器节点电路决定的单位山体环境监测数据的感知时间，T_S为传感器节点将感知的单位山体环境监测数据发送到簇首所需的时间；Q_c为传感器节点X_c的当前剩余能量，Q_c-1为传感器节点X_c-1的当前剩余能量，其中X_c,X_c-1∈X，c＝2,…,k；

(3)设依次计算到各传感器节点应分配到的负载为{W₁,W₂,…,W_G}，簇首将{W₁,W₂,…,W_G}依次分配到传感器节点序列中的传感器节点。

本实施例提出了相应的负载分配公式，使得簇首能够依据负载分配公式直接计算各传感器节点应当分配到的负载，提高了簇首分配负载的速度和科学性；

本实施例中，传感器节点的负载由所属簇的簇首依据自身从基站得到的负载进行分配，簇首在给簇内的各传感器节点分配负载时，考虑了从基站得到的负载以及传感器节点的剩余能量，使得剩余能量较少的传感器节点分配到一个相应较小的负载；

本实施例按照负载分配公式对传感器节点进行负载分配，能够减少剩余能量较少的传感器节点的能耗，从而较好地分配负载和均衡能量消耗，使每个传感器节点的能源耗尽时间推迟，最终延长整个山洪灾害监测无线传感器网络1的生命周期，从而在整体上能够节省山洪灾害监测预警系统的通信成本，提高山洪灾害监测预警系统工作的可靠度。

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)

1.一种基于云计算的山洪灾害监测系统，其特征是，包括山洪灾害监测无线传感器网络、云计算服务器、监控终端；所述山洪灾害监测无线传感器网络与云服务的输入端连接，监控终端与云服务的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于云计算的山洪灾害监测系统，其特征是，所述监控终端包括处理器、微处理器、预警等级判定模块、报警模块、反馈模块，所述处理器的输出端与云计算服务器的输入端连接，所述云计算服务器的输出端通过反馈模块与微处理器的输入端电连接，所述微处理器的输出端电连接预警等级判定模块的输入端，且所述预警等级判定模块的输出端与处理器的输入端电连接，所述处理器的输出端与报警模块的输入端电连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于云计算的山洪灾害监测系统，其特征是，还包括信息收发装置，信息收发装置的输入端电连接处理器的输出端，所述信息收发装置的输出端分别与用户终端一、用户终端二和用户终端N的输入端电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于云计算的山洪灾害监测系统，其特征是，多个传感器节点通过分簇路由协议竞选出簇首，传感器节点将采集的山体环境监测数据发送至所属簇的簇首，进而由簇首对山体环境监测数据进行融合并发送到基站。

5.根据权利要求4所述的一种基于云计算的山洪灾害监测系统，其特征是，传感器节点的负载由所属簇的簇首依据自身从基站得到的负载进行分配，传感器节点在负载分配结束后开启数据采集工作。

6.根据权利要求5所述的一种基于云计算的山洪灾害监测系统，其特征是，由基站进行总负载调度，基站将接收到的总负载分成若干个子负载，然后将子负载分配给各簇首，每个簇首将分到的子负载再进行分割，然后分配给每个簇内的传感器节点。

7.根据权利要求6所述的一种基于云计算的山洪灾害监测系统，其特征是，设通过分簇路由协议竞选出的簇首集合为θ，M为θ包含的簇首的个数，CH_b表示θ中第b个簇首，CH_δ表示θ中第δ个簇首，表示CH_b从基站得到的负载，则簇首CH_b从基站得到的负载为：

<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <msub> <mi>CH</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <msub> <mi>CH</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> </msub> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <msub> <mi>CH</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <msub> <mi>CH</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> </msub> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </msubsup> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <msub> <mi>CH</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>W</mi> </mrow>

式中，表示CH_b所在簇的簇半径，表示CH_b所在簇包含的传感器节点个数，表示CH_δ所在簇的簇半径，表示CH_δ所在簇包含的传感器节点个数，δ＝1,…,M，W为基站要分配给簇首节点的总负载。