CN108064065A - 一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，包括水质监控中心、传感监测装置和用户终端；所述的传感监测装置、用户终端与水质监控中心通信连接；所述的传感监测装置包括汇聚节点和多个对水质进行监测的传感器节点，传感器节点采集的水质参数由汇聚节点进行汇聚并发送至水质监控中心；所述的水质监控中心用于对水质参数进行分析处理，并在水质异常时向用户终端发送报警信号。本发明实现了水质的远程监测。

Description

一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统。

背景技术

水资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一，水资源的可持续利用是社会、经济可持续发展的重要保证。近年来随着水资源的污染日益严重，水质监测作为水污染控制工作中的基础性工作，为水环境管理、污染源控制以及环境规划提供科学依据，其意义和作用也变得更加重要。

相关技术中，进行水质监测时，常采用便携式水质监测仪进行人工取样、实验室分析的方式，取样频率为每月数次到每日数次，是重点流域断面采样的主要方法。这种方法分析精度高，但存在监测周期长，劳动强度大，数据采集和传输速度慢，难以发现突发性污染情况等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，包括水质监控中心、传感监测装置和用户终端；所述的传感监测装置、用户终端与水质监控中心通信连接；所述的传感监测装置包括汇聚节点和多个对水质进行监测的传感器节点，传感器节点采集的水质参数由汇聚节点进行汇聚并发送至水质监控中心；所述的水质监控中心用于对水质参数进行分析处理，并在水质异常时向用户终端发送报警信号。

其中，用户终端可以通过实时访问水质监控中心查询监测区域的水质参数和异常状况。

优选地，所述水质监控中心包括依次连接的水质参数存储模块、水质参数分析处理模块、异常报警模块，还包括水质参数显示模块，水质参数显示模块与水质参数存储模块、水质参数分析处理模块连接。

本发明的有益效果为：能够实时监测到水质参数，监管人员可以远程监测水质信息，可以有效弥补传统技术的缺点，满足水质监测信息化、网络化的要求，同时具有费用低、功耗低、可靠性高、使用方便等优点，可带来强大的经济和社会效益。

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框图；

图2是本发明一个实施例的水质监控中心的连接框图。

附图标记：

水质监控中心1、传感监测装置2、用户终端3、水质参数存储模块10、水质参数分析处理模块20、异常报警模块30、水质参数显示模块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基于无线传感器网络的远程水质监测系统，包括水质监控中心1、传感监测装置2和用户终端3；所述的传感监测装置2、用户终端3与水质监控中心1通信连接；所述的传感监测装置2包括汇聚节点和多个对水质进行监测的传感器节点，传感器节点采集的水质参数由汇聚节点进行汇聚并发送至水质监控中心1；所述的水质监控中心1用于对水质参数进行分析处理，并在水质异常时向用户终端3发送报警信号。

其中，用户终端3可以通过实时访问水质监控中心1查询监测区域的水质参数和异常状况。

可选地，所述传感器节点包括传感器单元、处理单元、收发单元以及电源，所述处理单元分别与所述传感器单元和收发单元通信。

可选地，所述的水质监控中心1在水质参数超出设定的阈值时判定水质为异常。所述的水质参数数据包括水体温度、酸碱度及电导率值。

在一个实施例中，如图2所示，所述水质监控中心1包括依次连接的水质参数存储模块10、水质参数分析处理模块20、异常报警模块30，还包括水质参数显示模块40，水质参数显示模块40与水质参数存储模块10、水质参数分析处理模块20连接。

本发明上述实施例基于无线传感器网络技术提出了远程水质监测系统，能够实时监测到水质参数，监管人员可以远程监测水质信息，可以有效弥补传统技术的缺点，满足水质监测信息化、网络化的要求，同时具有费用低、功耗低、可靠性高、使用方便等优点，可带来强大的经济和社会效益。

在一个实施例中，传感器节点部署于设定的水质监测区域内，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集水质参数的无线传感器网络；传感器节点采集的水质参数最终传送到汇聚节点，进而由汇聚节点将接收到的水质参数传送到水质监控中心1。

在一个实施例中，传感器节点构成的无线传感器网络为分簇网络结构，传感器节点在网络启动时刻进行分簇，从而确定多个传感器节点作为簇头，其余的传感器节点归属于与其距离最短的簇头；传感器节点将采集的水质参数发送至所归属的簇头，簇头用于对簇内传感器节点发送的水质参数进行融合后发送至汇聚节点。

本实施例采用基于分簇结构的无线传感器网络采集水质参数，能够降低传感器节点部署的成本以及提高水质参数的传输效率。

其中，传感器节点只在网络启动时刻进行一次分簇。

在一个实施例中，所述的传感器节点在网络启动时刻进行分簇，具体为：

(1)传感器节点与邻居节点进行信息交互，构建邻居节点列表，其中邻居节点为处于传感器节点的通信范围内的其他传感器节点；

(2)汇聚节点向所有传感器节点发送广播消息，传感器节点收到广播消息后按照下列公式计算自己的状态值，其中广播消息包含状态值阈值：

式中，Q_i表示传感器节点i的状态值，d(sink，o)为汇聚节点到水质监控中心1的距离，d(i，j)为传感器节点i与其第j个邻居节点之间的距离，n_i为传感器节点i构建的邻居节点列表具有的邻居节点个数，E_i为传感器节点i的当前剩余能量，E_i0为传感器节点i的初始能量，d(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，a₁、a₂、a₃为预设的权重系数，满足a₁+a₂+a₃＝1：

(3)若传感器节点计算的状态值大于状态值阈值，则该传感器节点成功竞选为临时簇头，并向汇聚节点发送簇头担任请求消息；

(4)汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头，并完成簇的划分。

本实施例基于传感器节点与邻居节点之间的平均距离、传感器节点的能量以及距离汇聚节点的远近三个因素进行考量，定义了传感器节点的状态值的计算公式，该机制将状态值大于状态值阈值的传感器节点作为临时簇头，使得与邻居节点之间的平均距离越小、剩余能量越多且距离汇聚节点更近的传感器节点成为簇头的概率更大，由于簇头与簇内传感器节点之间的平均距离越小时形成的簇就更紧凑，剩余能量越多的簇头网络运行的可靠性越高，因此通过该机制确定簇头，有利于提高分簇的紧凑性和网络运行的可靠度，且使得距离汇聚节点更近的区域簇头更多，从而使得无线传感器网络中传感器节点的能量消耗更加均衡，有益于延长水质参数采集的工作周期。

在一个实施例中，所述的汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头，具体为：

(1)汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定临时簇头，并按序将临时簇头归入临时簇头列表；

(2)按照下列公式计算临时簇头列表中所有临时簇头的簇头竞争半径：

式中，R_λ表示临时簇头λ的簇头竞争半径，R_max为预设的簇头竞争半径最大值，d(l，sink)为传感监测装置中第l个传感器节点到汇聚节点的距离，M为传感监测装置具有的传感器节点个数，γ为预设的调节系数，用于控制簇头竞争半径的取值范围；

(3)判断任意两个临时簇头的簇头竞争半径是否大于该两个临时簇头之间的距离，若存在两个临时簇头，它们的簇头竞争半径皆大于它们之间的距离，则将当前剩余能量较小的临时簇头剔除出临时簇头列表；

(4)判断结束后，将临时簇头列表中的所有临时簇头选为最终的簇头，并向所有传感器节点广播消息。

本实施例提出了一种簇头竞争机制，汇聚节点根据该簇头竞争机制对临时簇头进行进一步筛选，有效避免了簇头过密情况的发生，使得无线传感器网络的分簇拓扑更加合理，而且始终选择剩余能量最多的传感器节点担当簇头，有利于平衡无线传感器网络的能量，从而延长水质参数采集的工作周期。

在一个实施例中，簇头在满足下列簇头轮换条件时，在其簇内传感器节点中选择当前剩余能量最多的传感器节点为新的簇头：

式中，E_v表示簇头v的当前剩余能量，E_k为簇头v所在簇内第k个传感器节点的当前剩余能量，N_v为簇头v所在簇内的传感器节点个数。

本实施例提出了簇头的轮换机制，该机制中，簇头只有在满足簇头轮换条件时重新选择簇头，这样能够减少轮流选取簇头所消耗的能量，且在簇头的轮换中始终选择当前剩余能量最多的传感器节点作为新的簇头，有利于均衡无线传感器网络的能量，提高无线传感器网络的生存周期。

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)

1.一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，其特征是，包括水质监控中心、传感监测装置和用户终端；所述的传感监测装置、用户终端与水质监控中心通信连接；所述的传感监测装置包括汇聚节点和多个对水质进行监测的传感器节点，传感器节点采集的水质参数由汇聚节点进行汇聚并发送至水质监控中心；所述的水质监控中心用于对水质参数进行分析处理，并在水质异常时向用户终端发送报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，其特征是，所述的水质监控中心在水质参数超出设定的阈值时判定水质为异常。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，其特征是，所述水质监控中心包括依次连接的水质参数存储模块、水质参数分析处理模块、异常报警模块，还包括水质参数显示模块，水质参数显示模块与水质参数存储模块、水质参数分析处理模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，其特征是，传感器节点部署于设定的水质监测区域内，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集水质参数的无线传感器网络。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，其特征是，传感器节点构成的无线传感器网络为分簇网络结构，传感器节点在网络启动时刻进行分簇，从而确定多个传感器节点作为簇头，其余的传感器节点归属于与其距离最短的簇头；传感器节点将采集的水质参数发送至所归属的簇头，簇头用于对簇内传感器节点发送的水质参数进行融合后发送至汇聚节点。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的远程水质监测系统，其特征是，所述的传感器节点在网络启动时刻进行分簇，具体为：

(1)传感器节点与邻居节点进行信息交互，构建邻居节点列表，其中邻居节点为处于传感器节点的通信范围内的其他传感器节点；

(2)汇聚节点向所有传感器节点发送广播消息，传感器节点收到广播消息后按照下列公式计算自己的状态值，其中广播消息包含状态值阈值：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>sin</mi> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>o</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> </msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msub> <mfrac> <msub> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>3</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>sin</mi> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>o</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>sin</mi> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，Q_i表示传感器节点i的状态值，d(sink,o)为汇聚节点到水质监控中心1的距离，d(i,j)为传感器节点i与其第j个邻居节点之间的距离，n_i为传感器节点i构建的邻居节点列表具有的邻居节点个数，E_i为传感器节点i的当前剩余能量，E_i0为传感器节点i的初始能量，d(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，a₁、a₂、a₃为预设的权重系数，满足a₁+a₂+a₃＝1；

(3)若传感器节点计算的状态值大于状态值阈值，则该传感器节点成功竞选为临时簇头，并向汇聚节点发送簇头担任请求消息；

(4)汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头，并完成簇的划分。