CN108174426A - 一种森林生态环境无线传感器网络监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，包括：由汇聚节点和多个传感器节点组成的无线传感器网络，所述的无线传感器网络用于采集被监测森林区域内的环境传感数据，并用于将环境传感数据汇聚后通过卫星设备发送至监管终端；卫星设备，用于通信连接汇聚节点和监管终端；监管终端，用于接收卫星设备传输的环境传感数据，并将环境传感数据与设定的阈值门限进行比较处理，在环境传感数据超出设定的阈值门限时输出报警信号。本发明实现了对被监测森林区域环境的实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及生态环境监测技术领域，具体涉及一种森林生态环境无线传感器网络监测系统。
背景技术
在森林防火管理中，普遍采用在防火期间派出防火人员到林区巡逻、望塔的方式对森林进行防火监测。人工巡检、望塔方式虽然简单易行，但需要投入很多财力、物力、劳力，存在防火人员主观麻痹大意、擅离岗位、无法实时监测、覆盖范围有限等诸多不利因素。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种森林生态环境无线传感器网络监测系统。
本发明的目的采集以下技术方案来实现：
提供了一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，包括：
由汇聚节点和多个传感器节点组成的无线传感器网络，所述的无线传感器网络用于采集被监测森林区域内的环境传感数据，并用于将环境传感数据汇聚后通过卫星设备发送至监管终端；
卫星设备，用于通信连接汇聚节点和监管终端；
监管终端，用于接收卫星设备传输的环境传感数据，并将环境传感数据与设定的阈值门限进行比较处理，在环境传感数据超出设定的阈值门限时输出报警信号。
优选地，所述的监管终端包括用于与卫星设备连接的通信模块、用于处理传感器节点采集的环境传感数据的数据分析处理模块。
本发明的有益效果为：实现了被监测森林区域内的无线环境监控，并能够在环境传感数据超出设定的阈值门限时进行报警，具有部署方便，成本低廉的优点。
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本发明森林生态环境无线传感器网络监测系统的一个实施例的结构连接框图；
图2是本发明中监管终端的一个实施例的连接框图。
附图标记：
无线传感器网络1、卫星设备2、监管终端3、通信模块10、数据分析处理模块20。
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森林生态环境无线传感器网络监测系统，包括：
由汇聚节点和多个传感器节点组成的无线传感器网络1，所述的无线传感器网络1用于采集被监测森林区域内的环境传感数据，并用于将环境传感数据汇聚后通过卫星设备2发送至监管终端3；
卫星设备2，用于通信连接汇聚节点和监管终端3；
监管终端3，用于接收卫星设备2传输的环境传感数据，并将环境传感数据与设定的阈值门限进行比较处理，在环境传感数据超出设定的阈值门限时输出报警信号。
其中，多个传感器节点随机铺设在被监测森林区域的各个位置。
在一个实施例中，如图2所示，监管终端3包括用于与卫星设备2连接的通信模块10、用于处理传感器节点采集的环境传感数据的数据分析处理模块20。
在一个实施例中，每个传感器节点包括用于测量周围环境的温度和湿度信息的温湿度传感器、用于与邻居传感器节点进行无线通信的无线收发电路。
本发明上述实施例实现了被监测森林区域内的无线环境监控，并能够在环境传感数据超出设定的阈值门限时进行报警，具有部署方便，成本低廉的优点。
在一个实施例中，传感器节点将采集的环境传感数据传输至汇聚节点时，按照并行多径路由协议进行数据传输，其中，所述的并行多径路由协议为：
(1)设始发环境传感数据的传感器节点为源节点，源节点从汇聚节点发送的多个优选路由路径信息中获取多条从其到汇聚节点的优选路由路径，归入路径集合E；
(2)源节点计算每条优选路由路径的权重值；
(3)当传感器节点在单位时间段内采集的环境传感数据量低于设定的数据量阈值时，传感器节点选取权重值最大的优选路由路径进行传输，当传感器节点在单位时间段内采集的环境传感数据量高于设定的数据量阈值时，传感器节点根据权重值比例对环境传感数据进行分割后分配给各优选路由路径进行传输。
其中，权重值的计算公式为：
式中，Wi表示路径集合E中优选路由路径i的权重值，其中i∈E，Pi-min为优选路由路径i中当前剩余能量最小的传感器节点的剩余能量，Pj-min为路径集合E内的第j个优选路由路径中当前剩余能量最小的传感器节点的剩余能量，Hi-sink为优选路由路径i的总长度，Hj-sink为所述第j个优选路由路径的总长度，d1、d2为预设的权重系数。
本实施例进一步设定了并行多径路由协议，其中基于能量和距离因素设定了权重值的计算公式。由于能量影响到路由路径的稳定性，而路由路径的总长度大小反映了环境传感数据沿该路由路径传输的能耗大小，由权重值的计算公式可知，权重值越大的优选路由路径在传输环境传感数据方面具有更优越的性能。本实施例在环境传感数据量较大时根据权重值比例对环境传感数据进行分割后分配给各优选路由路径进行传输，能够平衡各优选路由路径上传感器节点的能耗，使得一种森林生态环境无线传感器网络监测系统更加节能。
其中，设Ei为优选路由路径i被分到的环境传感数据量，Ei的计算公式为：
式中，E为需要传输到汇聚节点的总环境传感数据量，Wj为路径集合E内的第j个优选路由路径的权重值。
当数据量很大的情况下，单路由路径无法满足网络环境传感数据通信的性能要求，本实施例中，传感器节点在环境传感数据量大的情况下将环境传感数据分流到多条优选路由路径中进行传输，能够有效提高环境传感数据传输效率。
在一个实施例中，汇聚节点在接收到源节点发送的路径探测包后，对多个路径探测包进行处理，得到从该源节点到汇聚节点的多个优选路由路径信息，进而向该源节点发送对应的多个优选路由路径信息。
其中，源节点向汇聚节点发送路径探测包的过程，具体包括：网络初始阶段，源节点向网络广播路径探测包，此时路径探测包携带有该源节点的身份标识(ID)、当前剩余能量和带宽需求，收到路径探测包的传感器节点将自身的ID、当前剩余能量以及与上一跳传感器节点间的单跳链路信息加入到接收到的路径探测包中，再将路径探测包发送至下一跳节点，直至路径探测包到达汇聚节点。
本实施例通过传感器节点向汇聚节点发送路径探测包的形式获取从该传感器节点到汇聚节点的路由路径的相关信息，简单高效，加快了传感器节点建立到汇聚节点路由路径的速度。
在一个实施例中，在接收阶段，汇聚节点在第一次接收到路径探测包时开始计时，在设定时间段内继续接收从各源节点始发的多个路径探测包，并对接收的路径探测包进行存储，超时后不再接收路径探测包。
所述对多个路径探测包进行处理，具体包括：
汇聚节点对路径探测包进行处理，得到多条从源节点r到汇聚节点的路由路径，并归入初始路径集合Er，r＝1,…,n，n为源节点个数；对于初始路径集合Er，汇聚节点将多条满足基本条件的从源节点r到汇聚节点的路由路径作为初始粒子群，采用改进的多种群粒子群优化算法对初始粒子群进行优化，得到多条从源节点r到汇聚节点的优选路由路径，并沿每条优选路由路径将对应的优选路由路径信息发送给源节点r。
本实施例由汇聚节点来确定各源节点到汇聚节点的路由路径，减少了源节点在确定到汇聚节点的路由方面的负担。
其中，基本条件为：
式中，表示第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径的生命期，其中，为在第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径中的能量最小传感器节点的当前剩余能量；Pelec为射频传输系数，εamp为放大器功放能耗系数，Hmax为在第D条从源节点r到汇聚节点的路由路径中、间距最大的相邻两个传感器节点之间的距离，Hmax-1为在第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径中、间距次大的相邻两个传感器节点之间的距离，Q％为预设的生命期下限值；Lλ为第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径的总时延，L％为预设的最大时延值；y(Lλ,L％)为判断函数，当Lλ＞L％时，y(Lλ,L％)＝0，当Lλ≤L％时，y(Lλ,L％)＝1。
相关技术中采用多种群粒子群优化算法对路由路径进行优化时，通常是将传感器节点到汇聚节点的所有路由路径作为初始粒子群，当路由路径数量较多的情况下无疑增加了粒子搜索的复杂性。
本实施例在确定用于路径优化的初始粒子群时，创造性地预先将不满足基本条件的路由路径进行剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，有益于降低粒子搜索的复杂度，提高路由路径优化的速度。其中设置基本条件时考虑了能量和时延两个因素，将生命期过短、总时延较长的路由路径直接筛除，从而确保后续建立传感器节点到汇聚节点的路由时能够满足能量、稳定性和实时性的基本需求，保障环境传感数据的实时传输，确保对被监测森林区域进行稳定的环境监测。
在一个实施中，改进的多种群粒子群优化算法具体包括：
(1)计算初始粒子群中每个粒子的适应度；
(2)根据源节点的带宽需求估计需要的路由路径数K，对初始粒子群进行K均值聚类，根据聚类结果将粒子分成K个种群；
(3)各种群找出自己的全局最优位置；
(4)各种群粒子按照下列改进的速度公式求出飞行速度：
式中，Vi(t+1)表示粒子i在t+1时刻的速度，Vi(t)表示粒子i在t时刻的速度，Ci(t)为粒子i在t时刻的位置，WiNest为粒子i自身所经历的历史最优位置，Wgbest表示粒子i所在种群的全局最优位置，Wgbest(j)表示第j个种群的全局最优位置，其中j＝1,…,K，α1、α2、α3皆为加速常数，β1、β2、L3皆为在区间[0,1]内均匀分布的随机数，w为惯性权重；
(5)各种群粒子按照下列位置公式改变自身位置：
Ci(t+1)＝Ci(t)+Vi(t+1)
式中，Ci(t+1)表示粒子i在t+1时刻的位置；
(6)达到优化目标，输出每个种群的优选路由路径Wgbest(j)，即多条从源节点r到汇聚节点的优选路由路径，结束，否则回到(1)。
本实施例定义了改进的多种群粒子群优化算法，考虑了各种群全局最优位置的交集，改进了粒子的速度公式，使不同种群的粒子能够向不同的方向飞行，避免相互交叉，从而减少种群粒子交叉的概率，保证任意两条优选路由路径之间不存在共同的传感器节点。
其中，定义适应度的计算公式为：
式中，Wr(λ)表示第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径的适应值，Gr(λ)为第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径的总链路开销；Fr(λ)为第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径的带宽，由路径中的最小带宽决定；为在第λ条从源节点r到汇聚节点的路由路径中的能量最小传感器节点的当前剩余能量；Gmin、Fmin、Pmin分别是为满足网络服务质量要求而设定的链路开销上限、最大链路开销值、带宽下限、能量下限，a1,a2,a3皆为预设的权重系数。
本实施例在设计适应度函数时，考虑了带宽、链路开销和能量因素，以满足传输环境传感数据的网络服务质量需求，从而确保建立从传感器节点到汇聚节点的高质量路由，提高传输环境传感数据的可靠性，确保森林生态环境无线传感器网络监测系统稳定运行。
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)
1.一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，其特征是，包括：
由汇聚节点和多个传感器节点组成的无线传感器网络，所述的无线传感器网络用于采集被监测森林区域内的环境传感数据，并用于将环境传感数据汇聚后通过卫星设备发送至监管终端；
卫星设备，用于通信连接汇聚节点和监管终端；
监管终端，用于接收卫星设备传输的环境传感数据，并将环境传感数据与设定的阈值门限进行比较处理，在环境传感数据超出设定的阈值门限时输出报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，其特征是，多个传感器节点随机铺设在被监测森林区域的各个位置。
3.根据权利要求1所述的一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，其特征是，所述的监管终端包括用于与卫星设备连接的通信模块、用于处理传感器节点采集的环境传感数据的数据分析处理模块。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，其特征是，每个传感器节点包括用于测量周围环境的温度和湿度信息的温湿度传感器、用于与邻居传感器节点进行无线通信的无线收发电路。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，其特征是，传感器节点将采集的环境传感数据传输至汇聚节点时，按照并行多径路由协议进行数据传输，其中，所述的并行多径路由协议为：
(1)设始发环境传感数据的传感器节点为源节点，源节点从汇聚节点发送的多个优选路由路径信息中获取多条从其到汇聚节点的优选路由路径，归入路径集合E；
(2)源节点计算每条优选路由路径的权重值；
(3)当传感器节点在单位时间段内采集的环境传感数据量低于设定的数据量阈值时，传感器节点选取权重值最大的优选路由路径进行传输，当传感器节点在单位时间段内采集的环境传感数据量高于设定的数据量阈值时，传感器节点根据权重值比例对环境传感数据进行分割后分配给各优选路由路径进行传输；
其中，权重值的计算公式为：
式中，Wi表示路径集合E中优选路由路径i的权重值，其中i∈E，Pi-min为优选路由路径i中当前剩余能量最小的传感器节点的剩余能量，Pj-min为路径集合E内的第j个优选路由路径中当前剩余能量最小的传感器节点的剩余能量，Hi-sink为优选路由路径i的总长度，Hj-sink为所述第j个优选路由路径的总长度，d1、d2为预设的权重系数。
6.根据权利要求5所述的一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，设Ei为优选路由路径i被分到的环境传感数据量，Ei的计算公式为：
式中，E为需要传输到汇聚节点的总环境传感数据量，Wj为路径集合E内的第j个优选路由路径的权重值。
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