CN108024224A - 一种自动增氧智能监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自动增氧智能监控系统，包括增氧监控无线传感器网络、通信网络、增氧监控平台，增氧监控无线传感器网络包括传感器节点和汇聚节点，汇聚节点通过通信网络和增氧监控平台相连接。本发明利用无线传感器网络技术实现了增氧智能监控。
Description
技术领域
本发明设计自动增氧监控技术领域，具体涉及一种自动增氧智能监控系统。
背景技术
在农业生产中，农作物的生长过程中，根部需要吸收一定的氧气才能更好地促进农作物的生长。而在水产养殖中，为了提高淡水鱼的存活率，需要在鱼塘旁设置增氧机改善水质。
申请号为201210269765.6，申请日为2012年8月1日公开了一种养殖池自动增氧设备，包括增氧机，在增氧机上设置气温传感器、水温传感器、气压传感器、风速传感器，传感器分别连接信号调理电路的信号输入端，信号调理电路的信号输出端连接单片机，单片机连接一个控制增氧机的控制器，控制器优选自动变频控制器，单片机还连接一个用于设置各种参数的按键电路和显示屏，传感器、信号调理电路、单片机、驱动电路外接不间断电源。用户可设置各种参数，当气温、水温、气压、风速达到预先设定的条件时，控制电路启动增氧机工作，增氧机工作到预先设定的时间后停止工作，可节省能源。本设备还可以通过传感器的信号，控制增氧机的工作频率，以适应不同的天气环境，达到既及时增氧又节约能源的目的。
申请号为201210004350.6，申请日为2012年1月9日公开了一种用于智能增氧系统的提升机构，由转动装置、控制装置以及支架装置组成，其中，所述转动装置包括依次连接的电机、偏心轮、齿条及转动臂；所述控制装置包括控制电路、第一检测电路及第二检测电路；所述支架装置包括防水盒、固定杆及浮球。本发明技术方案提供的用于智能增氧系统的提升机构，对溶氧传感器实行了间隙采集方式，采集数据时保证传感器在水下一定深度进行采集，不采集时能够使传感器与浑浊的水分离，从而极大地减缓了传感器的失效时间；并且机构在转动的过程中，对传感器也有一定的清洗作用。
以上增氧装置均只能应用到较小的区域内，不能应对大规模、大范围的自动增氧。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种自动增氧智能监控系统。
本发明的目的采集以下技术方案来实现：
提供了一种自动增氧智能监控系统，包括增氧监控无线传感器网络、通信网络、增氧监控平台，增氧监控无线传感器网络包括传感器节点和汇聚节点，汇聚节点通过通信网络和增氧监控平台相连接；传感器节点与汇聚节点通信连接；所述的传感器节点包括氧气浓度传感器、氧气发生装置、控制器和电源，其中氧气浓度传感器、控制器和氧气发生装置依次连接，氧气浓度传感器、控制器和氧气发生装置分别与电源连接；
所述氧气浓度传感器用于实时检测氧气浓度，并将该氧气浓度信息传输给汇聚节点，汇聚节点通过通信网络传输给增氧监控平台；
所述的增氧监控平台用于接收通过汇聚节点传输来的传感器节点处的氧气浓度信息，并与增氧监控平台存储的氧气浓度信息进行比对，进而发布控制指令；
所述控制器用于接收增氧监控平台通过汇聚节点传输的控制指令，控制氧气发生装置的打开或闭合；
所述氧气发生装置用于产生氧气，增加氧气浓度或氧气分压；
所述电源用于向氧气浓度传感器、控制器和氧气发生装置供电。
本发明的有益效果为：本发明的传感器节点具有功耗低、成本低、效率高等特点，本发明通过将氧气浓度传感器安装在需要增氧的地方构成无线传感器网络，实时氧气浓度的无线监测，并通过无线传感器网络将采集到的氧气浓度信息发送给增氧监控平台，增氧监控平台控制氧气发生装置的开闭，从而实现增氧的智能控制。
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传感器节点的结构示意框图。
附图标记：
增氧监控无线传感器网络1、通信网络2、增氧监控平台3、氧气浓度传感器10、氧气发生装置20、控制器30、电源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，本实施例提供的一种自动增氧智能监控系统，包括增氧监控无线传感器网络1、通信网络2、增氧监控平台3，增氧监控无线传感器网络1包括传感器节点和汇聚节点，汇聚节点通过通信网络2和增氧监控平台3相连接；传感器节点与汇聚节点通信连接；所述的传感器节点包括气浓度传感器10、氧气发生装置20、控制器30、电源40，其中氧气浓度传感器10、控制器30和氧气发生装置20依次连接，氧气浓度传感器10、控制器30和氧气发生装置20分别与电源40连接；
所述氧气浓度传感器10用于实时检测氧气浓度，并将该氧气浓度信息传输给汇聚节点，汇聚节点通过通信网络2传输给增氧监控平台3；
所述的增氧监控平台3用于接收通过汇聚节点传输来的传感器节点处的氧气浓度信息，并与增氧监控平台3存储的氧气浓度信息进行比对，进而发布控制指令；
所述控制器30用于接收增氧监控平台3通过汇聚节点传输的控制指令，控制氧气发生装置20的打开或闭合；
所述氧气发生装置20用于产生氧气，增加氧气浓度或氧气分压；
所述电源40用于向氧气浓度传感器10、控制器30和氧气发生装置20供电。
在一个实施例中，所述氧气浓度传感器10为溶解氧传感器。作为另一可选的方案，所述氧气浓度传感器还可以为霍尔传感器。
可选地，所述通信网络2为卫星通信网、互联网或移动通信网。
本发明上述实施例所采用的工作原理如下：
汇聚节点通过通信网络2和增氧监控平台3进行数据传输；传感器节点和汇聚节点进行数据传输；增氧监控平台3用于接收通过汇聚节点传输来的传感器节点处的信息。
在每个传感器节点布置氧气浓度传感器10、氧气发生装置20和电源40；当氧气浓度传感器10检测传感器节点处的氧气浓度，并将该信息通过汇聚节点传输给增氧监控平台3；增氧监控平台3将接收到的信息与其数据库存储的信息进行比对，进而发布控制指令。
如果接收到的氧气浓度低于设定值，增氧监控平台3就通过无线传感器网络将“打开”信息传输给控制器30，控制器30开启氧气发生装置20，氧气发生装置20产生氧气供氧；而氧气浓度传感器10检测氧气浓度或氧气分压达到或高于设定阈值，增氧监控平台3通过无线传感器网络将“关闭”信息传输给控制器30，控制器30关闭氧气发生装置20，氧气发生装置20停止供氧。
在每个传感器节点，不断重复循环上述步骤。
本发明在每个传感器节点布置氧气浓度传感器10，可以实时监测节点处的氧气浓度或氧气分压，当节点处的氧气浓度或氧气分压低于设定阈值，自动打开氧气发生装置20，向节点处供氧；当节点处的氧气浓度或氧气分压达到或高于设定阈值，氧气发生装置20关闭，不再供氧，非常智能，且避免了资源的浪费。
本发明的氧气发生装置20可以采用增氧机或增氧泵，增加节点处的氧气浓度。
本发明上述实施例的传感器节点具有功耗低、成本低、效率高等特点，本发明通过将氧气浓度传感器10安装在需要增氧的地方构成无线传感器网络，实时氧气浓度的无线监测，并通过无线传感器网络将采集到的氧气浓度信息发送给增氧监控平台3，增氧监控平台3控制氧气发生装置20的开闭，从而实现增氧的智能控制。
在一个实施例中，传感器节点采用分簇网络结构进行氧气浓度信息采集，具体为：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氧气浓度信息发送至所属簇的簇首，进而由簇首对氧气浓度信息进行融合并发送到汇聚节点。
本实施例通过分簇网络结构进行氧气浓度信息采集，使得氧气浓度信息的传输路径能够保持在较短的通讯距离，从而能够降低氧气浓度信息传输的能量消耗。
在一个实施例中，传感器节点通过分簇路由协议竞选出簇首，具体包括：
(1)汇聚节点通过发送广播信号，启动增氧监控无线传感器网络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，则成为临时簇首；
其中，设Y(Di)表示传感器节点Di的随机阈值，Y(Di)的计算公式为：
式中，Qi为传感器节点Di成为簇首的概率，r是当前分簇的轮次，V是有资格成为簇首的传感器节点集合，若传感器节点在最近的轮内没有担任过簇首，则该传感器节点属于V；
(2)当选为临时簇首的传感器节点在对应的通信半径范围内广播当选消息，并接收其他临时簇首的广播消息，若一个临时簇首的剩余能量大于其所有的邻居临时簇首，则自动成为真正的簇首，否则恢复到普通传感器节点状态，其中若两个临时簇首间距小于其中任意一个传感器节点的通信半径，则该两个传感器节点互为邻居临时簇首；
(3)每个当选的簇首向周围的传感器节点广播当选消息，传感器节点根据接收到的当选消息确定周边的簇首集合，进而传感器节点计算与该簇首集合中每个簇首的接近度，并从中选择最小接近度对应的簇首作为自己的簇首加入形成簇，其中，设DCb为所述簇首集合中第b个簇首，W(Dj,DCb)表示传感器节点Dj与簇首DCb的接近度，W(Dj,DCb)的计算公式为：
式中，L(Dj,DCb)为传感器节点Dj与簇首DCb的距离，为簇首DCb的通信半径，簇首DCb的当前剩余能量，为簇首DCb的初始能量。
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。
本实施例对LEACH分簇路由协议进行改进，提出了一种新的分簇路由协议。该新的分簇路由协议中，将通过阈值筛选的传感器节点作为临时簇首，并根据剩余能量对相邻的临时簇首进行进一步的筛选，能够避免相邻两个传感器节点同时被选为簇首，相对于LEACH分簇路由协议中直接将通过阈值筛选的传感器节点作为簇首的方式，提高了簇首分布的均匀性；
该新的分簇路由协议中，传感器节点选择最小接近度对应的簇首作为自己的簇首加入形成簇，能够使得通信半径更大、能量更多的簇首能够管理更多的传感器节点，相对于LEACH分簇路由协议中直接选择距离最近的簇首加入的方式，更能够平衡各簇首的能耗，延长增氧监控无线传感器网络1的工作周期，有利于节省系统的通信成本。
传感器节点由簇首根据汇聚节点分配的负载进行负载分配，负载分配结束后，传感器节点根据簇首分配的负载启动氧气浓度信息采集的工作，其中，传感器节点的负载分配具体包括：
(1)簇首计算簇内各传感器节点的状态值，设Dk为簇首所在簇内的第k个传感器节点，为传感器节点Dk的状态值，的计算公式为：
式中，为传感器节点Dk的当前剩余能量，为传感器节点Dk的初始能量，为传感器节点Dk到其簇首的距离，为簇首的簇半径；
(2)设定状态值阈值HQ，若存在传感器节点的状态值低于HQ，则簇首令该传感器节点进入睡眠状态；
(3)簇首对剩余未睡眠的传感器节点进行负载分配。
本实施例中，由汇聚节点进行总负载调度，汇聚节点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按照上述方式分配给簇内的未睡眠的传感器节点。本实施例提出了传感器节点的负载调度机制，该机制中，传感器节点的负载由所属簇的簇首依据自身从汇聚节点得到的负载进行分配；该机制中，还基于传感器节点的剩余能量以及距离簇首的距离设计了传感器节点的状态值计算公式，为后续的负载分配提供了一个衡量参数，簇首在给簇内的各传感器节点分配负载时，对于状态值不佳的传感器节点不分配负载，并且令该部分传感器节点进入睡眠状态以减少该部分传感器节点的能量消耗，使得传感器节点之间的能量消耗得到平衡，从而增加了氧气浓度信息采集工作的持续时间，提高了自动增氧智能监控系统的可靠性。
在一个实施例中，所述簇首对剩余未睡眠的传感器节点进行负载分配，具体包括：
(1)簇首对剩余未睡眠的传感器节点按照状态值由小到大的顺序进行排列，生成的传感器节点序列为G＝{G1,G2,…,GN}，其中N为簇首所在簇内包含的未睡眠的传感器节点个数；
(2)设簇首从汇聚节点得到的负载为E，簇首依次计算传感器节点序列中各传感器节点应分配到的负载，设Du表示传感器节点序列中第u个传感器节点，Dm表示传感器节点序列中第m个传感器节点，m＝1,2,…,N，Eu为Du应分配到的负载，Eu的计算公式如下：
式中，为Du的当前剩余能量值，为Dm的当前剩余能量值，为传感器节点Du到其簇首的距离；
(3)簇首按照(2)中计算的结果对传感器节点序列中各传感器节点进行负载分配。
本实施例根据能量值对剩余未睡眠的传感器节点进行负载分配，并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；将计算到的负载分配给传感器节点，能够使得能量值较小的传感器节点分配到一个相应较小的负载，从而减少能量值较小的传感器节点的能耗，进一步平衡传感器节点间的能量消耗，使得传感器节点的能源耗尽时间推迟，最终延长增氧监控无线传感器网络1的生命周期；。
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)
1.一种自动增氧智能监控系统，其特征是，包括增氧监控无线传感器网络、通信网络、增氧监控平台，增氧监控无线传感器网络包括传感器节点和汇聚节点，汇聚节点通过通信网络和增氧监控平台相连接；传感器节点与汇聚节点通信连接；所述的传感器节点包括氧气浓度传感器、氧气发生装置、控制器和电源，其中氧气浓度传感器、控制器和氧气发生装置依次连接，氧气浓度传感器、控制器和氧气发生装置分别与电源连接；
所述氧气浓度传感器用于实时检测氧气浓度，并将该氧气浓度信息传输给汇聚节点，汇聚节点通过通信网络传输给增氧监控平台；
所述的增氧监控平台用于接收通过汇聚节点传输来的传感器节点处的氧气浓度信息，并与增氧监控平台存储的氧气浓度信息进行比对，进而发布控制指令；
所述控制器用于接收增氧监控平台通过汇聚节点传输的控制指令，控制氧气发生装置的打开或闭合；
所述氧气发生装置用于产生氧气，增加氧气浓度或氧气分压；
所述电源用于向氧气浓度传感器、控制器和氧气发生装置供电。
2.根据权利要求1所述的一种自动增氧智能监控系统，其特征是，所述氧气浓度传感器为溶解氧传感器。
3.根据权利要求1或2所述的一种自动增氧智能监控系统，其特征是，所述通信网络为卫星通信网、互联网或移动通信网。
4.根据权利要求1所述的一种自动增氧智能监控系统，其特征是，所述控制器为可编程控制器。
5.根据权利要求1所述的一种自动增氧智能监控系统，其特征是，传感器节点采用分簇网络结构进行氧气浓度信息采集，具体为：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氧气浓度信息发送至所属簇的簇首，进而由簇首对氧气浓度信息进行融合并发送到汇聚节点。
6.根据权利要求5所述的一种自动增氧智能监控系统，其特征是，传感器节点通过分簇路由协议竞选出簇首，具体包括：
(1)汇聚节点通过发送广播信号，启动增氧监控无线传感器网络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，则成为临时簇首；
其中，设Y(Di)表示传感器节点Di的随机阈值，Y(Di)的计算公式为：
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式中，Qi为传感器节点Di成为簇首的概率，r是当前分簇的轮次，V是有资格成为簇首的传感器节点集合，若传感器节点在最近的轮内没有担任过簇首，则该传感器节点属于V；
(2)当选为临时簇首的传感器节点在对应的通信半径范围内广播当选消息，并接收其他临时簇首的广播消息，若一个临时簇首的剩余能量大于其所有的邻居临时簇首，则自动成为真正的簇首，否则恢复到普通传感器节点状态，其中若两个临时簇首间距小于其中任意一个传感器节点的通信半径，则该两个传感器节点互为邻居临时簇首；
(3)每个当选的簇首向周围的传感器节点广播当选消息，传感器节点根据接收到的当选消息确定周边的簇首集合，进而传感器节点计算与该簇首集合中每个簇首的接近度，并从中选择最小接近度对应的簇首作为自己的簇首加入形成簇，其中，设DCb为所述簇首集合中第b个簇首，W(Dj,DCb)表示传感器节点Dj与簇首DCb的接近度，W(Dj,DCb)的计算公式为：
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式中，L(Dj,DCb)为传感器节点Dj与簇首DCb的距离，为簇首DCb的通信半径，簇首DCb的当前剩余能量，为簇首DCb的初始能量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180511 |