CN108303497A - 空气污染监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了空气污染监测系统，包括：无线传感器网络，用于对空气污染进行监测，获取空气污染参数并进行处理转发；无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于设定的空气污染监测区域内的环境监测节点，环境监测节点采集空气污染参数，并将空气污染参数多跳传输至汇聚节点；监测中心，用于与汇聚节点通信，接收并分析汇聚节点发送的空气污染参数，在空气污染参数超过设定的正常门限时发出报警信号；用户终端，用于远程访问监测中心并接收监测中心发来的报警信号。本发明采用无线传感器网络技术实现了空气污染的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及空气监测技术领域，具体涉及空气污染监测系统。
背景技术
相关技术中，对城市空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。这种方法只能得到空气污染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，当空气污染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空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，本发明提供空气污染监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了空气污染监测系统，包括：
无线传感器网络，用于对空气污染进行监测，获取空气污染参数并进行处理转发；无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于设定的空气污染监测区域内的环境监测节点，环境监测节点采集空气污染参数，并将空气污染参数多跳传输至汇聚节点；
监测中心，用于与汇聚节点通信，接收并分析汇聚节点发送的空气污染参数，在空气污染参数超过设定的正常门限时发出报警信号；
用户终端，用于远程访问监测中心并接收监测中心发来的报警信号。
优选地，所述用户终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问监测中心并接收报警信号。
优选地，所述监测中心包括用于与无线传感器网络双向通信的数据收发器、存储器和处理器。
本发明的有益效果为：采用无线传感器网络技术获取空气污染参数并加以分析处理，能够准确、及时地反映空气污染状况并报警，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本发明空气污染监测系统的一个实施例的结构连接框图；
图2是本发明一个实施例的监测中心的结构连接框图。
附图标记：
无线传感器网络1、监测中心2、用户终端3、数据收发器10、存储器20、处理器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，本实施例提供了空气污染监测系统，包括：
无线传感器网络1，用于对空气污染进行监测，获取空气污染参数并进行处理转发；无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于设定的空气污染监测区域内的环境监测节点，环境监测节点采集空气污染参数，并将空气污染参数多跳传输至汇聚节点；
监测中心2，用于与汇聚节点通信，接收并分析汇聚节点发送的空气污染参数，在空气污染参数超过设定的正常门限时发出报警信号；
用户终端3，用于远程访问监测中心2并接收监测中心2发来的报警信号。
在一个实施例中，所述用户终端3为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问监测中心2并接收报警信号。
在一个实施例中，如图2所示，所述监测中心2包括数据收发器10、存储器20和处理器30；数据收发器10、存储器20皆与处理器30通信连接。
其中，环境监测节点包括至少一种下述的传感器：
粉尘传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的粉尘污染物的浓度；
PM2.5传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的PM2.5污染物的浓度；
甲醛传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的甲醛污染物的浓度；
有毒气体传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的有毒气体的浓度；
异味传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的异味的浓度；
二氧化碳传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的二氧化碳的浓度。
本发明上述实施例采用无线传感器网络技术获取空气污染参数并加以分析处理，能够准确、及时地反映空气污染状况并报警，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，定义环境监测节点x的邻域为Lx为环境监测节点x的通信距离，Bxk为表示环境监测节点x与环境监测节点k之间的距离。
环境监测节点部署于设定的空气污染监测区域后，将部分环境监测节点切换为休眠状态，具体为：
(1)对各环境监测节点进行冗余分析，若环境监测节点的冗余度小于设定的阈值，确定该环境监测节点为冗余节点，其中，设定冗余度的计算公式为：
式中，Di表示环境监测节点i的冗余度，Λi表示环境监测节点i邻域中的环境监测节点集合，P(∪j∈A(i)j∩i)表示环境监测节点i的感知范围与其邻域内所有环境监测节点感知范围的重合部分，P(i)为环境监测节点i的感知范围；表示在环境监测节点i的邻域内与环境监测节点i的距离小于或等于Li/3的环境监测节点的个数，K(i)表示环境监测节点i的邻域中的环境监测节点数量，m1、m2为设定的权重系数；
(2)将各冗余节点按照设定的休眠策略切换为休眠状态。
相关技术中，随机部署环境监测节点通常会出现大量冗余节点的情况，带来信息冗余过度、能量过度浪费的问题。为解决该问题，本实施例对环境监测节点进行冗余分析，根据分析结果对各冗余节点按照设定的休眠策略进行休眠，实现了环境监测节点的优化部署，有利于降低空气污染参数采集和传输的能耗，延长无线传感器网络的生命周期，从而提高空气污染监测系统运行的可靠性。
本实施例基于距离和感知范围两个因素进行考虑，创造性地设定了冗余度的计算公式，为对环境监测节点进行冗余分析提供了一个衡量环境监测节点冗余情况的指标，提高了对环境监测节点进行冗余分析的效率和精度，有助于优化网络拓扑结构，降低空气污染参数采集和传输方面的能耗。
其中，将各冗余节点按照设定的休眠策略切换为休眠状态，具体包括：
(1)对按照距离汇聚节点由远到近的顺序各冗余节点进行排序；
(2)按照排序依次对冗余节点进行休眠判定，每对一个冗余节点进行休眠判定时，若该冗余节点满足下列休眠条件，则令该冗余节点休眠：
式中，La为冗余节点a的通信距离，Lab为冗余节点a的邻域中与冗余节点a距离最近的环境监测节点的通信距离，K(a)为冗余节点a邻域中的环境监测节点数量，R为设定的覆盖质量阈值。
如果把冗余节点的状态设置为休眠，那么会降低无线传感器网络的覆盖率，若对多个冗余节点的状态同时设置为休眠，将会出现大量的感知盲点。本实施例基于这个问题，设定了一种针对冗余节点的休眠策略，按照排序依次对冗余节点进行休眠判定，只对满足休眠条件的冗余节点进行休眠，具有一定的灵活应变性，能够减少因为陆续休眠带来感知盲点的问题，保障一定的网络覆盖率，确保空气污染参数感知的全面性。
可选地，由汇聚节点对确定的各冗余节点按照设定的休眠策略进行休眠。
在一个实施例中，若环境监测节点的邻域中存在已休眠冗余节点，该环境监测节点在进行空气污染参数采集和传输的过程中，在自身的当前剩余能量低于设定的最小能量值时唤醒其邻域中已休眠冗余节点。
所述的唤醒其邻域中已休眠冗余节点，具体包括：
(1)设环境监测节点为c，若环境监测节点c的邻域中已休眠冗余节点只有一个，环境监测节点c直接触发邻域中已休眠冗余节点进行工作；
(2)若邻域中已休眠冗余节点存在多个，环境监测节点c在其邻域的已休眠冗余节点中选择权值最大的进行工作；
其中，权值的计算公式为：
式中，Sa表示在环境监测节点c邻域中的已休眠冗余节点a的权值，Bca表示环境监测节点c与冗余节点a之间的距离，BcC表示环境监测节点c与其邻域中的已休眠冗余节点μ之间的距离，nc表示环境监测节点c邻域中的已休眠冗余节点数量，Baτ为已休眠冗余节点a与其邻域中的环境监测节点τ之间的距离，La为已休眠冗余节点a与其邻域中环境监测节点距离的均值，K(a)为已休眠冗余节点a邻域中的环境监测节点数量，f1、f2为权重系数。
环境监测节点在剩余能量低于设定的最小能量值时，容易失效，环境监测节点的失效将会降低网络覆盖率。
本实施例设定了已休眠冗余节点的恢复策略，通过恢复为工作状态的冗余节点参与到空气污染参数采集和传输的工作中，能够填补环境监测节点在失效时可能会带来的感知盲点，从而保证网络的覆盖质量，提高无线传感器网络的稳定性。
本实施例设定了冗余节点的权值的计算公式，选择权值最大的已休眠冗余节点进行唤醒，有利于在增加工作状态的冗余节点时尽可能地减少冗余信息的增加，实现空气污染监测系统中资源的优化布置，为实现实时快速的空气污染监测奠定良好的基础。
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.空气污染监测系统，其特征是，包括：
无线传感器网络，用于对空气污染进行监测，获取空气污染参数并进行处理转发；无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于设定的空气污染监测区域内的环境监测节点，环境监测节点采集空气污染参数，并将空气污染参数多跳传输至汇聚节点；
监测中心，用于与汇聚节点通信，接收并分析汇聚节点发送的空气污染参数，在空气污染参数超过设定的正常门限时发出报警信号；
用户终端，用于远程访问监测中心并接收监测中心发来的报警信号。
2.根据权利要求1所述的空气污染监测系统，其特征是，所述用户终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问监测中心并接收报警信号。
3.根据权利要求1所述的空气污染监测系统，其特征是，所述监测中心包括数据收发器、存储器和处理器。
4.根据权利要求1所述的空气污染监测系统，其特征是，环境监测节点包括至少一种下述的传感器：
粉尘传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的粉尘污染物的浓度；
PM2.5传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的PM2.5污染物的浓度；
甲醛传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的甲醛污染物的浓度；
有毒气体传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的有毒气体的浓度；
异味传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的异味的浓度；
二氧化碳传感器，用于实时检测所述空气污染监测区域中的二氧化碳的浓度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的空气污染监测系统，其特征是，环境监测节点部署于设定的空气污染监测区域后，将部分环境监测节点切换为休眠状态，具体为：
(1)对各环境监测节点进行冗余分析，若环境监测节点的冗余度小于设定的阈值，确定该环境监测节点为冗余节点，其中，设定冗余度的计算公式为：
式中，Di表示环境监测节点i的冗余度，Λi表示环境监测节点i邻域中的环境监测节点集合，P(∪j∈A(i)j∩i)表示环境监测节点i的感知范围与其邻域内所有环境监测节点感知范围的重合部分，P(i)为环境监测节点i的感知范围；表示在环境监测节点i的邻域内与环境监测节点i的距离小于或等于Li/3的环境监测节点的个数，K(i)表示环境监测节点i的邻域中的环境监测节点数量，m1、m2为设定的权重系数；
(2)将各冗余节点按照设定的休眠策略切换为休眠状态。
6.根据权利要求5所述的空气污染监测系统，其特征是，若环境监测节点的邻域中存在已休眠冗余节点，该环境监测节点在进行空气污染参数采集和传输的过程中，在自身的当前剩余能量低于设定的最小能量值时唤醒其邻域中已休眠冗余节点。
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