CN108235274A - 一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，包括：无线传感器网络，用于对大气污染进行监测，获取大气污染监测数据并进行处理转发；大气污染监测子中心，用于与无线传感器网络双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络发送的大气污染监测数据，在大气污染监测数据超过设定的正常门限时发出报警信号；远程控制终端，用于远程访问、远程监控大气污染监测子中心并接收大气污染监测子中心发来的报警信号；用户终端，用于通过手机网络接收各大气污染监测子中心发来的报警信号。本发明采用无线传感器网络技术获取大气污染监测数据并加以分析处理。

Description

一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统

技术领域

本发明涉及空气监测技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统。

背景技术

相关技术中，对城市大气污染监测的方法主要有：

(1)传统方法，即人工取样实验室分析的方法。这种方法只能得到监测区域内某段时间内的监测值，无法进行实时监测，监测结果受人为的影响很大，同时，当监测区域有害气体浓度很高时会严重伤害监测人员的身体健康；

(2)目前比较流行的在线监测，多采用国外进口的自动化大气环境监测设备进行监测，这种监测方法，尽管能够实现实时监测，但所用设备结构复杂、价格昂贵、难以维护、运营成本高且其工作环境苛刻。

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大气污染监测系统。

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大气污染监测系统，包括：

无线传感器网络，用于对大气污染进行监测，获取大气污染监测数据并进行处理转发；

大气污染监测子中心，用于与无线传感器网络双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络发送的大气污染监测数据，在大气污染监测数据超过设定的正常门限时发出报警信号；

远程控制终端，用于远程访问、远程监控大气污染监测子中心并接收大气污染监测子中心发来的报警信号；

用户终端，用于通过手机网络接收各大气污染监测子中心发来的报警信号。

优选地，所述远程控制终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问大气污染监测子中心并接收报警信号。

优选地，所述大气污染监测子中心包括用于与无线传感器网络双向通信的通信模块、大气污染监测数据存储模块和大气污染监测数据管理分析模块。

本发明的有益效果为：采用无线传感器网络技术获取大气污染监测数据并加以分析处理，能够准确、及时地反映大气污染状况并报警，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用。

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连接框图；

图2是本发明一个实施例的大气污染监测子中心的结构连接框图。

附图标记：

无线传感器网络1、大气污染监测子中心2、远程控制终端3、用户终端4、通信模块10、大气污染监测数据存储模块20、大气污染监测数据管理分析模块30。

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，本实施例提供了一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，包括：

无线传感器网络1，用于对大气污染进行监测，获取大气污染监测数据并进行处理转发；

大气污染监测子中心2，用于与无线传感器网络1双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络1发送的大气污染监测数据，在大气污染监测数据超过设定的正常门限时发出报警信号；

远程控制终端3，用于远程访问、远程监控大气污染监测子中心2并接收大气污染监测子中心2发来的报警信号；

用户终端4，用于通过手机网络接收各大气污染监测子中心2发来的报警信号。

在一个实施例中，所述远程控制终端3为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问大气污染监测子中心2并接收报警信号。

在一个实施例中，如图2所示，所述大气污染监测子中心2包括用于与无线传感器网络1双向通信的通信模块10、大气污染监测数据存储模块20和大气污染监测数据管理分析模块30。

本发明上述实施例采用无线传感器网络技术获取大气污染监测数据并加以分析处理，能够准确、及时地反映大气污染状况并报警，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用。

在一个实施例中，所述的无线传感器网络1包括设定于大气污染监测区域外的基站以及部署于设定的大气污染监测区域内的多个传感器节点，基站与大气污染监测子中心2通信连接，传感器节点以设定的密度C泊松分布于大气污染监测区域内。

其中，所述的传感器节点包括传感模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块四部分。所述传感模块包括二氧化硫传感器、二氧化碳传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、A/D转换器及辅助电路。

在一个实施例中，网络初始化时，将大气污染监测区域沿纵向划分为S个大小相等的虚拟的条形大气污染监测区域，每个条形大气污染监测区域沿纵向平均划分多个矩形监测子区域，每个矩形监测子区域中的传感器节点通过选举确定一个数据汇聚节点和一个数据转发节点，剩余的传感器节点作为成员污染监测节点，其中数据汇聚节点用于接收并处理所在矩形监测子区域内各成员污染监测节点采集的大气污染监测数据，所述的数据转发节点用于由数据汇聚节点处理后的大气污染监测数据与自身采集的大气污染监测数据进行聚合，并传输到下一跳节点或基站。

在一个实施例中，按照距离基站由近到远的距离对各个条形大气污染监测区域依次设为Ψ₁,Ψ₂,…,Ψ_S，其中前一个条形大气污染监测区域划分的矩形监测子区域的数量比下一个条形大气污染监测区域划分的矩形监测子区域的数量多1个，对于Ψ₁,Ψ₂,…,Ψ_S，设划分的矩形监测子区域的数量分别为K,K-1,K-2,…,K-(S-1)，按照下列公式确定K的具体数值：

式中，ε_fs为传感器节点的通信模型采用自由空间模型时的功率放大损耗，ε_mp为传感器节点的通信模型采用多路径衰减模型时的功率放大损耗，E为医疗监测区域的面积，R_max为传感器节点中的最大通信半径，int[·]表示取整运算。

本实施例设置根据条形大气污染监测区域划分的规模时，综合考虑了条形大气污染监测区域与基站之间的距离、大气污染监测区域的面积、传感器节点的通信范围以及能量损耗的实际情况，从而实现对条形大气污染监测区域划分的规模控制，使得距离基站更远的矩形监测子区域的面积更大，包含更多的传感器节点来分担能耗负载，整体上实现了对数据汇聚节点和数据转发节点的数目的优化控制，有利于较大程度地实现无线传感器网络1传感器节点的能耗平衡，提高大气污染监测系统的稳定性。

在一个实施例中，矩形监测子区域中的传感器节点选举数据汇聚节点和数据转发节点时，具体执行：

(1)传感器节点在其通信范围内向其他传感器节点广播自身的剩余能量以及位置信息，所有收到该信息的传感器节点被视为该传感器节点的邻居节点，且在收到该信息后更新自身的邻居信息列表；

(2)矩形监测子区域内所有剩余能量大于设定的能量阈值Q_T的传感器节点选举成为候选节点，每个候选节点按照下列公式计算自身的数据汇聚节点竞争能力值和数据转发节点竞争能力值，数据汇聚节点竞争能力值最大的候选节点竞选成为数据汇聚节点，数据转发节点竞争能力值最大的候选节点竞选成为数据转发节点：

式中，分别表示第j个数据转发节点的数据汇聚节点竞争能力值、数据转发节点竞争能力值，Q_j表示第j个数据转发节点的当前剩余能量，Q_jh表示第j个数据转发节点的第h个邻居节点的当前剩余能量，w_j表示第j个数据转发节点的邻居节点数目，L_jh表示第j个数据转发节点与其第h个邻居节点之间的距离，R_j表示第j个数据转发节点的当前通信半径，L_jo表示第j个数据转发节点与基站之间的距离，μ₁、μ₂为设定的权重系数。

在一个实施例中，若同时出现两个相等的数据汇聚节点竞争能力值或者数据转发节点竞争能力值的最高值，选择具有较大剩余能量的候选节点。

在一个实施例中，若存在一个候选节点同时具有数据汇聚节点竞争能力值和数据转发节点竞争能力值的最高值，该候选节点竞选成为数据转发节点，同时选择具有次高数据汇聚节点竞争能力值的候选节点为数据汇聚节点。

相对于现有技术中常用单个簇头节点对大气污染监测数据进行汇聚处理和转发的方式，本实施例中采用数据汇聚节点和数据转发节点分别进行汇聚处理和转发，有利于均衡矩形监测子区域内传感器节点的能耗，减少数据汇聚节点和数据转发节点的竞选轮次，其中基于剩余能量和距离的综合考虑，提出了数据转发节点和数据汇聚节点的路由竞选机制，该机制使得选举出的数据汇聚节点在满足能量要求的同时能够与成员污染监测节点之间的距离较近，有利于降低传感器节点间的通信能耗，且使得选举出的数据转发节点在保证能量要求的前提下尽量靠近基站，有利于降低大气污染监测数据的转发通信成本，从而能够在整体上节省无线传感器网络1的通信成本，延长无线传感器网络1的生命周期，进一步节省大气污染监测系统的运营成本。

在一个实施例中，设数据转发节点的最大通信半径为R_d-max，与基站的距离为L_do，若0.8R_d-max≥L_do，则该数据转发节点与基站直接通信；

若0.8R_d-max<L_do，则该数据转发节点通过多跳形式与基站通信；

设数据转发节点位于条形大气污染监测区域Ψ_ξ，该数据转发节点在位于距离基站更近的条形大气污染监测区域Ψ_ξ+1中的数据汇聚节点中选择一个最优的作为下一跳节点，具体为：

设数据转发节点为y，y在条形大气污染监测区域Ψ_ξ+1中的数据汇聚节点中选择距离该数据转发节点最近的两个数据汇聚节点，设为α、β，若满足下列条件，y选择α作为下一跳节点，否则选择β作为下一跳节点：

(Q_α-Q_β)-ε_fs×Z_y×(L_αy-L_αβ)>0

式中，Q_α为数据汇聚节点α的当前剩余能量，Q_β为数据汇聚节点β的当前剩余能量，ε_fs为传感器节点的通信模型采用自由空间模型时的功率放大损耗，Z_y为数据转发节点y需向下一跳节点传输的大气污染监测数据量，L_αy为数据汇聚节点α与数据转发节点y的距离，L_αβ为数据汇聚节点β与数据转发节点y的距离。

本实施例提出了数据转发节点对下一跳节点的选择策略，该策略考虑了数据转发节点与基站的距离、数据汇聚节点的剩余能量和数据转发节点的能耗，能够极大提高传感器节点能量的利用率，均衡无线传感器网络1的总能耗，有利于节省大气污染监测系统的运营成本，确保能够为大气污染监测子中心2长期有效地提供大气污染监测数据。

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大气污染监测系统，其特征是，包括：

无线传感器网络，用于对大气污染进行监测，获取大气污染监测数据并进行处理转发；

大气污染监测子中心，用于与无线传感器网络双向通信，并且能够接收并分析无线传感器网络发送的大气污染监测数据，在大气污染监测数据超过设定的正常门限时发出报警信号；

远程控制终端，用于远程访问、远程监控大气污染监测子中心并接收大气污染监测子中心发来的报警信号；

用户终端，用于通过手机网络接收各大气污染监测子中心发来的报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，其特征是，所述远程控制终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问大气污染监测子中心并接收报警信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，其特征是，所述大气污染监测子中心包括用于与无线传感器网络双向通信的通信模块、大气污染监测数据存储模块和大气污染监测数据管理分析模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，其特征是，所述的无线传感器网络包括设定于大气污染监测区域外的基站以及部署于设定的大气污染监测区域内的多个传感器节点，基站与大气污染监测子中心通信连接，传感器节点以设定的密度C泊松分布于大气污染监测区域内。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，其特征是，网络初始化时，将大气污染监测区域沿纵向划分为S个大小相等的虚拟的条形大气污染监测区域，每个条形大气污染监测区域沿纵向平均划分多个矩形监测子区域，每个矩形监测子区域中的传感器节点通过选举确定一个数据汇聚节点和一个数据转发节点，剩余的传感器节点作为成员污染监测节点，其中数据汇聚节点用于接收并处理所在矩形监测子区域内各成员污染监测节点采集的大气污染监测数据，所述的数据转发节点用于由数据汇聚节点处理后的大气污染监测数据与自身采集的大气污染监测数据进行聚合，并传输到下一跳节点或基站。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，其特征是，按照距离基站由近到远的距离对各个条形大气污染监测区域依次设为Ψ₁,Ψ₂,…,Ψ_S，其中前一个条形大气污染监测区域划分的矩形监测子区域的数量比下一个条形大气污染监测区域划分的矩形监测子区域的数量多1个，对于Ψ₁,Ψ₂,…,Ψ_S，设划分的矩形监测子区域的数量分别为K,K-1,K-2,…,K-(S-1)，按照下列公式确定K的具体数值：

式中，ε_fs为传感器节点的通信模型采用自由空间模型时的功率放大损耗，ε_mp为传感器节点的通信模型采用多路径衰减模型时的功率放大损耗，E为医疗监测区域的面积，R_max为传感器节点中的最大通信半径，int[·]表示取整运算。