CN108055310A - 基于无线传感器网络的污水曝气监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，包括设置在监控现场的水质感知监测装置、基站，基站与中央监控终端连接，中央监控终端与调节曝气量的自控调节阀，所述的水质感知监测装置包括多个传感器节点，传感器节点对监控现场的水质进行监测，并向基站发送相应的水质参数数据，由基站将水质参数数据传输至中央监控终端。本发明利用无线传感器网络技术实现了污水曝气的监控。
Description
技术领域
本发明涉及污水监测技术领域，具体涉及基于无线传感器网络的污水曝气监控系统。
背景技术
污水处理是保护生态环境的重要手段与方法，它不仅具有保护水源、净化水质、蓄洪防旱、调节气候和维护生物多样性等多种独特的不可替代的生态功能，还为人类提供丰富的生产、生活资源，具有巨大的经济、社会效益和科学、文化价值。基于无线传感器网络的污水监测可以有效改进污水监测几乎失控的现状。目前污水监测的主要技术还是采用人工定点定期采样，不仅耗费人力物力，成本较高，且不能实时监测污水排放出入口流量和水质的变化。研发基于无线传感器网络的污水监测系统，将极大地提升水资源保护的水平，提高人们的环保意识。因此，面向污水监测的无线传感器网络及其监测系统的研发成功和应用，必将取得显著的社会效益。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的污水曝气监控系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，包括设置在监控现场的水质感知监测装置、基站，基站与中央监控终端连接，中央监控终端与调节曝气量的自控调节阀，所述的水质感知监测装置包括多个传感器节点，传感器节点对监控现场的水质进行监测，并向基站发送相应的水质参数数据，由基站将水质参数数据传输至中央监控终端。
优选地，所述的中央监控终端包括用于接收水质参数数据的接收器、用于对水质参数数据进行异常分析的分析处理器，用于存储水质参数数据和由分析处理器数据输出的数据分析结果的存储器、以及用于向自控调节阀发送开/合动作指令的发送器，所述的接收器、存储器、发送器皆与分析处理器通信连接。
优选地，所述的自控调节阀为电动菱形调节阀。
本发明的有益效果为：组网配置灵活方便，适用范围广泛，能够大大降低生化池中的溶解氧浓度，优化鼓风机的运行，提高污水处理水平。
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是本发明中央监控终端的连接框图。
附图标记：
水质感知监测装置1、基站2、中央监控终端3、自控调节阀4、接收器10、存储器20、分析处理器30、发送器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，本实施例提供的基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，包括设置在监控现场的水质感知监测装置1、基站2，基站2与中央监控终端3连接，中央监控终端3与调节曝气量的自控调节阀4，所述的水质感知监测装置1包括多个传感器节点，传感器节点对监控现场的水质进行监测，并向基站2发送相应的水质参数数据，由基站2将水质参数数据传输至中央监控终端3。
在一个实施例中，如图2所示，所述的中央监控终端3包括用于接收水质参数数据的接收器10、用于对水质参数数据进行异常分析的分析处理器30，用于存储水质参数数据和由分析处理器30数据输出的数据分析结果的存储器20、以及用于向自控调节阀4发送开/合动作指令的发送器40，所述的接收器10、存储器20、发送器40皆与分析处理器30通信连接。
其中，所述分析处理器30接收到一定量的水质参数数据后，通过高效的数据融合算法对数据进行处理，例如，利用神经网络算法、遗传算法等智能算法高效处理，然后经过控制模型或者专家系统得到反馈控制结果，从而通过发送器向自控调节阀4发送相应的动作指令。
在一个实施例中，无线传感器节点主要包括溶解氧、水质、流量以及液位传感器。
在一个实施例中，所述的自控调节阀4为电动菱形调节阀。
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，多个传感器节点自组织协作构成对监控现场的水质进行监测的无线传感器网络，在网络初始化时，多个传感器节点通过网络分簇多跳路由协议进行分簇，从中动态选出簇头节点，其中簇头节点用于收集簇内传感器节点采集的水质参数数据并向基站2传输。
在一个实施例中，所述的网络分簇多跳路由协议具体包括：
(1)基站2对传感器节点形成的感知区域进行虚拟网格划分，根据传感器节点的地理位置信息和通信半径，将传感器节点划分到相应的大小相等的正方形虚拟网格之中，每个正方形虚拟网格即为一个簇；
(2)传感器节点根据自己的地理位置信息，判断自己所属的簇，同一正方形虚拟网格之中的传感器节点相互获取信息，形成邻居节点列表；
(3)当传感器节点收到基站2向整个网络发送选举簇头节点的消息后，等待一段时间，就向自己所在的正方形虚拟网格中的其他传感器节点发送竞选消息，其中，传感器节点根据下列公式确定等待时间：
式中，Wi为传感器节点i确定的等待时间，Wmin和Wmax是两个提前设定的时间参数，分别为最小等待时间、最大等待时间，Qi、Qio分别为传感器节点i的剩余能量、初始能量，d(i,sink)为传感器节点i到基站2的距离，Strans为传感器节点的传输距离；
(4)传感器节点在等待时间内收到来自同一个正方形虚拟网格内的其他传感器节点发送的竞选消息时，取消自己的等待时间并放弃簇头节点竞选，在同一个正方形虚拟网格中，第一个广播竞选消息的传感器节点成为该正方形虚拟网格的簇头节点，每个簇头节点收集所在正方形虚拟网格内的其他传感器节点发送的水质参数数据。
本实施例提出了传感器节点工作时的网络分簇多跳路由协议，其中利用等待时间的设置来选择簇头节点，使得剩余能量较多且距离基站2节点较近的传感器节点具有更大的概率充当簇头节点，本实施例中等待时间的计算公式设置能够将传感器节点的等待时间控制在一个合理的范围内；通过该路由协议进行传感器节点的分簇，能够有利于均衡整个由传感器节点构成的网络的能量消耗，并且有益于节省簇头节点向基站2发送水质参数数据的能耗，从而延长水质感知监测装置1的持续工作时间。
在一个实施例中，每个正方形虚拟网格的大小必须满足如下条件：
式中，r为正方形虚拟网格的边长，Strans为传感器节点的传输距离。
本实施例对正方形虚拟网格的大小进行限制，保证了相邻正方形虚拟网格之间的相互通信。
在一个实施例中，现任簇头节点在满足下列条件时向所属正方形虚拟网格内的其他传感器节点广播替换请求消息，收到替换请求消息的传感器节点重新根据网络分簇多跳路由协议产生新的簇头节点：
式中，Qj、Qj0分别为簇头节点j的剩余能量、初始能量，QW为预设的最小能量阈值，MW为预设的网络允许传感器节点出错的最大次数，Mj为簇头节点j到目前为止出错的次数，定义簇头节点采集的水质参数数据x满足x>0.5(x0+x1)时簇头节点出错一次，x0为预设的无事件发生时水质参数数据的期望值，x1为预设的事件发生时水质参数数据的期望值，Φ为设定门限值且满足Φ>0。
本实施例对簇头节点的维护机制进行了相应的设置，该维护机制基于能量、水质参数数据采集出错率制定了簇头节点的轮换条件，选出的簇头节点根据该轮换条件确定是否需要进行轮换，能够避免簇头节点因消耗过多的能量而提前死掉，并且避免出错率高的簇头节点持续进行水质参数数据的采集，进一步保障水质参数数据采集的可靠性。
在一个实施例中，与基站2为多跳距离的簇头节点通过多跳转发的形式将收集的水质参数数据发送至基站2。
其中，在建立到基站2的通信路由时，簇头节点向各邻居簇头节点发送中继协助消息，收到中继协助消息的各邻居簇头节点延迟一段时间向该簇头节点发送中继协助反馈消息，该簇头节点将最先发送所述中继协助反馈消息的邻居簇头节点作为协助转发其水质参数数据的下一跳；其中，所述各邻居簇头节点按照下列公式确定自身发送中继协助反馈消息的延迟时间：
式中，Wβ为簇头节点α的邻居簇头节点β发送中继协助反馈消息的延迟时间，Wmin和Wmax是所述的两个提前设定的时间参数，分别为最小等待时间、最大等待时间，Qβ、Qβo分别为传感器节点β的剩余能量、初始能量，Qαβ为簇头节点α向其邻居簇头节点β发送一次水质参数数据所需要消耗的能量，d(α,β)为簇头节点α到其邻居簇头节点β的距离，d(β,sink)为邻居簇头节点β到基站2的距离，d(α,sink)为传感器节点α到基站2的距离。
本实施例对簇头节点到基站2的路由建立机制进行了相应的设置，通过该机制设定的计算公式设定发送中继协助反馈消息的延迟时间，能够将延迟时间控制在合理的范围内，避免当所有邻居簇头节点的剩余能量都很低时，设置的延迟时间过长，由于延迟时间的计算公式中考虑了能量、能耗以及距离因素，使得与基站2为多跳距离的簇头节点在选择下一跳节点时，其拥有较多能量且转发水质参数数据能耗较低的邻居簇头节点具有更大的被选择概率，有利于提高水质参数数据多跳转发的可靠性，并且在整体上节约水质参数数据转发至基站2的能耗，从而能够节约污水曝气监控系统的整体能耗，降低污水处理成本。
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.基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，其特征是，包括设置在监控现场的水质感知监测装置、基站，基站与中央监控终端连接，中央监控终端与调节曝气量的自控调节阀，所述的水质感知监测装置包括多个传感器节点，传感器节点对监控现场的水质进行监测，并向基站发送相应的水质参数数据，由基站将水质参数数据传输至中央监控终端。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，其特征是，所述的中央监控终端包括用于接收水质参数数据的接收器、用于对水质参数数据进行异常分析的分析处理器，用于存储水质参数数据和由分析处理器数据输出的数据分析结果的存储器、以及用于向自控调节阀发送开/合动作指令的发送器，所述的接收器、存储器、发送器皆与分析处理器通信连接。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，其特征是，所述的自控调节阀为电动菱形调节阀。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，其特征是，多个传感器节点自组织协作构成对监控现场的水质进行监测的无线传感器网络，在网络初始化时，多个传感器节点通过网络分簇多跳路由协议进行分簇，从中动态选出簇头节点，其中簇头节点用于收集簇内传感器节点采集的水质参数数据并向基站传输。
5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，其特征是，所述的网络分簇多跳路由协议具体包括：
(1)基站对传感器节点形成的感知区域进行虚拟网格划分，根据传感器节点的地理位置信息和通信半径，将传感器节点划分到相应的大小相等的正方形虚拟网格之中，每个正方形虚拟网格即为一个簇；
(2)传感器节点根据自己的地理位置信息，判断自己所属的簇，同一正方形虚拟网格之中的传感器节点相互获取信息，形成邻居节点列表；
(3)当传感器节点收到基站向整个网络发送选举簇头节点的消息后，等待一段时间，就向自己所在的正方形虚拟网格中的其他传感器节点发送竞选消息；
(4)传感器节点在等待时间内收到来自同一个正方形虚拟网格内的其他传感器节点发送的竞选消息时，取消自己的等待时间并放弃簇头节点竞选，在同一个正方形虚拟网格中，第一个广播竞选消息的传感器节点成为该正方形虚拟网格的簇头节点，每个簇头节点收集所在正方形虚拟网格内的其他传感器节点发送的水质参数数据。
6.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的污水曝气监控系统，其特征是，传感器节点根据下列公式确定等待时间：
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<mo>,</mo>
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</mrow>
</mrow>
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<mo>)</mo>
<mo>&rsqb;</mo>
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<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
式中，Wi为传感器节点i确定的等待时间，Wmin和Wmax是两个提前设定的时间参数，分别为最小等待时间、最大等待时间，Qi、Qio分别为传感器节点i的剩余能量、初始能量，d(i,sink)为传感器节点i到基站的距离，Strans为传感器节点的传输距离。
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