CN108366125A - 一种基于云计算和wsn技术的污水管网智能监测系统 - Google Patents

一种基于云计算和wsn技术的污水管网智能监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，包括无线传感器网络监测装置、云计算服务器、监控终端；所述无线传感器网络监测装置与云计算服务器连接的输入端连接，监控终端与云计算服务器的输出端连接。本发明利用云计算技术以及无线传感器网络监测装置技术实现了对污水管网的无线监测。

Description

一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统
技术领域
本发明涉及污水管网监测领域，具体涉及一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统。
背景技术
污水管网系统是城市建设、环境保护、防洪排涝等市政项目中的重要基础设备，建立城市污水管网的监测系统，为城市排水管理者提供实时观察污水管网的环境信息、分析污水管网动态运行状况的监测管理功能，已经成为了现代城市排水管理的迫切需求。
WSN(无线传感器网络)中常通过节点成簇的方式进行数据的收集，成簇网络通过选举能量较大的节点担任簇头，被选中的簇头节点可以完成对簇内成员节点采集数据的收集、预处理及聚合信息向基站的前传，减少了网络中冗余数据传输对节点能量的耗费，簇头节点之间信息的中继传输为网络中采集信息向基站的汇聚提供了能量有效的路由。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，包括无线传感器网络监测装置、云计算服务器、监控终端；所述无线传感器网络监测装置与云计算服务器连接的输入端连接，监控终端与云计算服务器的输出端连接；所述无线传感器网络监测装置包括基站和多个负责采集污水管网监测数据的传感器节点，其中传感器节点将采集的污水管网监测数据通过多跳方式发给基站的中央处理器，由中央处理器对传感器节点发送的污水管网监测数据进行汇聚处理，并经中央处理器将污水管网监测数据发送给云计算服务器。
优选地，所述监控终端包括处理器、微处理器、预警等级判定模块、报警模块、反馈模块，所述处理器的输出端与云计算服务器的输入端连接，所述云计算服务器的输出端通过反馈模块与微处理器的输入端电连接，所述微处理器的输出端电连接预警等级判定模块的输入端，且所述预警等级判定模块的输出端与处理器的输入端电连接，所述处理器的输出端与报警模块的输入端电连接。
进一步地，还包括信息收发装置，信息收发装置的输入端电连接处理器的输出端，所述信息收发装置的输出端分别与多个用户终端的输入端电连接。
优选地，所述云计算服务器包括云交互、云存储和云计算。
在实际测量过程中，基站将汇聚的污水管网监测数据发送到云计算服务器内的云计算中。云计算对收到的污水管网监测数据进行处理，经过云计算处理后的各项污水管网监测数据发送至云交互中进行污水管网监测数据的比对工作，若比对后显示污水管网监测数据不符合要求，则通过反馈模块将信息反馈给微处理器，微处理器驱使预警等级判定模块根据接收到的污水管网监测数据进行预警等级的判定工作，再将判定后的预警等级信息发送至处理器中，处理器驱动报警模块进行报警，在报警模块实现报警工作的同时，处理器通过信息收发装置与用户终端的使用者进行沟通，从而方便实现远程报警工作，可及时采取相应的针对方案来解决污水管网带来的问题。
本发明的有益效果为：该系统通过无线传感器网络监测装置、云计算服务器、监控终端的配合，实现了对污水管网的智能监测，且还具有预警发布功能，便于监控人员及时采取相应的针对方案来解决污水管网带来的问题。
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是本发明一个示例性实施例的污水管网监测系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的监控终端的结构示意框图。
附图标记：
无线传感器网络监测装置1、云计算服务器2、监控终端3、处理器10、微处理器12、预警等级判定模块14、报警模块16、反馈模块18。
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云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，包括无线传感器网络监测装置1、云计算服务器2、监控终端3；所述无线传感器网络监测装置1与云计算服务器连接。
如图2所示，所述监控终端3包括处理器10、微处理器12、预警等级判定模块14、报警模块16、反馈模块18，所述处理器10的输出端与云计算服务器2的输入端连接，所述云计算服务器2的输出端通过反馈模块18与微处理器12的输入端电连接，所述微处理器12的输出端电连接预警等级判定模块14的输入端，且所述预警等级判定模块14的输出端与处理器10的输入端电连接，所述处理器10的输出端与报警模块16的输入端电连接；
在一个实施例中，所述云计算服务器2包括云交互、云存储和云计算。
在一个实施例中，所述无线传感器网络监测装置1包括基站和多个负责采集污水管网监测数据的传感器节点，其中传感器节点将采集的污水管网监测数据通过多跳方式发给基站的中央处理器，由中央处理器对传感器节点发送的污水管网监测数据进行汇聚处理，并经中央处理器将污水管网监测数据发送给云计算服务器2。
在一个实施例中，传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、水位传感器、流量传感器、一氧化碳传感器的一种或多种。
在实际测量过程中，基站将汇聚的污水管网监测数据发送到云计算服务器2内的云计算中。云计算对收到的污水管网监测数据进行处理，经过云计算处理后的各项污水管网监测数据发送至云交互中进行污水管网监测数据的比对工作，若比对后显示污水管网监测数据不符合要求，则通过反馈模块18将信息反馈给微处理器12，微处理器12驱使预警等级判定模块根据接收到的污水管网监测数据进行预警等级的判定工作，再将判定后的预警等级信息发送至处理器10中，处理器10驱动报警模块进行报警，在报警模块实现报警工作的同时，处理器10通过信息收发装置与用户终端的使用者进行沟通，从而方便实现远程报警工作，可及时采取相应的针对方案来解决污水管网带来的问题。
本发明上述实施例中，该系统通过无线传感器网络监测装置1、云计算服务器2、监控终端3的配合，实现了对污水管网的智能监测，且还具有预警发布功能，便于监控人员及时采取相应的针对方案来解决污水管网带来的问题。
在一个实施例中，各传感器节点通过分簇路由协议构建分簇拓扑结构的无线传感器网络，将分布在污水管网监测区域内的传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇，每个簇包括一个主要簇头和一个次要簇头，主要簇头用于聚合簇内传感器节点采集的污水管网监测数据，次要簇头用于接收主要簇头发送的所聚合的污水管网监测数据，并将接收的所聚合的污水管网监测数据通过多跳路由的方式发送至基站。
其中，所述的分簇路由协议包括：
(1)基站向监测区域内所有传感器节点广播“hello”数据包，每个传感器节点i接收到“hello”数据包后确定自身到基站的距离，并随机生成概率Γi，若概率Γi大于设定的概率阈值Γ，则该传感器节点i成为候选主要簇头；
(2)候选主要簇头确定自身的当前感知半径，并确定位于当前感知半径范围内的其余传感器节点，构建自身的邻居节点集；
(3)每个候选主要簇头向自身的邻居节点集中的传感器节点广播竞选主要簇头的消息，在设定时间内若收到另外一个优选值更大的候选主要簇头广播的消息，则放弃主要簇头的竞争，否则自己成为主要簇头，并在自身的邻居节点集中确定一个传感器节点作为次要簇头；
其中，优选值的计算公式为：
式中，Yj表示候选主要簇头j的优选值，Ej为候选主要簇头j的当前剩余能量，Ej0为候选主要簇头j的初始能量，Rj为候选主要簇头j的当前感知半径，D(j,sink)为候选主要簇头j到基站的距离，λ1、λ2为设定的权重系数，且λ1+λ2＝1；
(4)没有当选为主要簇头或者次要簇头的传感器节点选择最近的主要簇头加入簇，成为成员节点。
无线传感器网络(WSN)中常通过节点成簇的方式进行数据的收集，成簇网络通过选举能量较大的节点担任簇头，被选中的簇头节点可以完成对簇内成员节点采集数据的收集、预处理及聚合信息向基站的前传，减少了网络中冗余数据传输对节点能量的耗费，簇头节点之间信息的中继传输为网络中采集信息向基站的汇聚提供了能量有效的路由。通过对网络中簇头选举算法的各类改进，可以减少网络中由于簇头固定，能耗过快带来的簇头死亡对网络链路中断的影响。但在采集数据的传输过程中，由于传感网络多采用“多对一”的传输模式，即网络中节点的信息都会汇聚到基站，这种传输模式导致网络中簇头节点之间能耗分布的不均匀，靠近基站的簇头由于承担的来自其余簇头的数据转发负载过重而提早死亡，造成网络链路的中断，导致网络中的覆盖在基站周围产生空洞，形成“热点”。
相对于现有技术，本实施例提出了一种新的分簇路由协议，该协议中通过选取主要簇头和次要簇头来承担污水管网监测数据的聚合和转发任务，实现能耗分散，从而能够降低完成簇内污水管网监测数据聚合的主要簇头的能耗以及主要簇头轮换的频率，进而能够延长网络的生存时间，其中选取优选值最大的传感器节点作为主要簇头，能够使得主要簇头能够有足够的能量完成污水管网监测数据聚合的任务，并使得污水管网监测数据转发的能耗相对较低，保障主要簇头长期工作的稳定性。
在一个实施例中，当主要簇头的当前剩余能量低于设定的最低能量值时，主要簇头在其邻居节点集中选择当前剩余能量最大的成员节点作为新的主要簇头。
在一个实施例中，每个传感器节点i在接收到“hello”数据包后还记录收到该“hello”数据包的实际信号强度，所述“hello”数据包包括由基站设定的各传感器节点接收“hello”数据包的理论信号强度；
候选主要簇头按照下列公式确定自身的当前感知半径：
式中，Rj为候选主要簇头j的当前感知半径，D(j,sink)为候选主要簇头j到基站的距离，Dmax为所有传感器节点到基站的距离中的最大值，Dmin为所有传感器节点到基站的距离中的最小值，μ为定义的半径控制因子，取值在[0.4,0.8]之间，Rj0为所有传感器节点初始化时的感知半径，Uj为传感器节点j收到基站“hello”数据包的实际信号强度，为由基站设定的传感器节点j接收“hello”数据包的理论信号强度，为设定的取值函数，当时，当时，
本实施例设定了当前感知半径的计算公式，通过控制当前感知半径，控制每个候选主要簇头的邻居节点个数，从而进一步影响候选主要簇头的竞争范围。本实施例通过当前感知半径的控制，使得候选主要簇头的竞争范围能够根据自身到基站的距离而变化，距离基站越近的候选主要簇头的竞争范围相对越小，有利于距离基站越近的区域产生较多的主要簇头，且簇规模相对较小，从而均衡距离基站较近区域的能耗，防止距离基站较近区域中的次要簇头因过多的污水管网监测数据转发任务而较快失效；本实施例还创造性地根据传感器节点接收基站数据包的实际信号强度与理论信号强度的差别设计了用于距离的加权系数，提高了候选主要簇头的竞争范围根据自身到基站的距离而变化的精度。
在一个实施例中，主要簇头在自身的邻居节点集中确定一个传感器节点作为次要簇头，具体包括：
(1)主要簇头计算自身的邻居节点集中每个传感器节点的选举权重；
其中，选举权重的计算公式为：
式中，Qk表示传感器节点k的选举权重，k∈ΦA，ΦA为主要簇头A的邻居节点集，Ek为传感器节点k的当前剩余能量，Eh为ΦA中第h个传感器节点的当前剩余能量，为ΦA中具有的传感器节点个数，D(k,A)为传感器节点k到其主要簇头A的距离，D(h,A)为ΦA中第h个传感器节点到其主要簇头A的距离，v为设定的能耗权重因子；
(2)主要簇头从自身的邻居节点集中将选举权重最大的传感器节点作为次要簇头。
其中，当次要簇头的当前剩余能量低于设定的最低能量值时，次要簇头在自身的邻居节点集中重新确定一个传感器节点作为次要簇头。
次要簇头是用来承担主要簇头的簇间中继能耗，本实施例根据设定的选举权重的计算公式计算邻居节点集中每个传感器节点的选举权重，并从中将选举权重最大的传感器节点作为次要簇头，有利于保障污水管网监测数据转发的可靠性，降低主要簇头向次要簇头发送污水管网监测数据的能耗，从而节约污水管网智能监测系统的数据采集成本。
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)

1.一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，其特征是，包括无线传感器网络监测装置、云计算服务器、监控终端；所述无线传感器网络监测装置与云计算服务器的输入端连接，监控终端与云计算服务器的输出端连接；所述无线传感器网络监测装置包括基站和多个负责采集污水管网监测数据的传感器节点，其中传感器节点将采集的污水管网监测数据通过多跳方式发给基站的中央处理器，由中央处理器对传感器节点发送的污水管网监测数据进行汇聚处理，并经中央处理器将污水管网监测数据发送给云计算服务器。
2.根据权利要求1所述的一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，其特征是，所述监控终端包括处理器、微处理器、预警等级判定模块、报警模块、反馈模块，所述处理器的输出端与云计算服务器的输入端连接，所述云计算服务器的输出端通过反馈模块与微处理器的输入端电连接，所述微处理器的输出端电连接预警等级判定模块的输入端，且所述预警等级判定模块的输出端与处理器的输入端电连接，所述处理器的输出端与报警模块的输入端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，其特征是，传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、水位传感器、流量传感器、一氧化碳传感器的一种或多种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，其特征是，各传感器节点通过分簇路由协议构建分簇拓扑结构的无线传感器网络，将分布在污水管网监测区域内的传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇，每个簇包括一个主要簇头和一个次要簇头，主要簇头用于聚合簇内传感器节点采集的污水管网监测数据，次要簇头用于接收主要簇头发送的所聚合的污水管网监测数据，并将接收的所聚合的污水管网监测数据通过多跳路由的方式发送至基站。
5.根据权利要求4所述的一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，其特征是，所述的分簇路由协议包括：
(1)基站向监测区域内所有传感器节点广播“hello”数据包，每个传感器节点i接收到“hello”数据包后确定自身到基站的距离，并随机生成概率Γi，若概率Γi大于设定的概率阈值Γ，则该传感器节点i成为候选主要簇头；
(2)候选主要簇头确定自身的当前感知半径，并确定位于当前感知半径范围内的其余传感器节点，构建自身的邻居节点集；
(3)每个候选主要簇头向自身的邻居节点集中的传感器节点广播竞选主要簇头的消息，在设定时间内若收到另外一个优选值更大的候选主要簇头广播的消息，则放弃主要簇头的竞争，否则自己成为主要簇头，并在自身的邻居节点集中确定一个传感器节点作为次要簇头；
(4)没有当选为主要簇头或者次要簇头的传感器节点选择最近的主要簇头加入簇，成为成员节点。
6.根据权利要求5所述的一种基于云计算和WSN技术的污水管网智能监测系统，其特征是，优选值的计算公式为：
式中，Yj表示候选主要簇头j的优选值，Ej为候选主要簇头j的当前剩余能量，Ej0为候选主要簇头j的初始能量，Rj为候选主要簇头j的当前感知半径，D(j,sink)为候选主要簇头j到基站的距离，λ1、λ2为设定的权重系数，且λ1+λ2＝1。
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