CN108540954A - 空气污染实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了空气污染实时监测系统，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；空气污染监测终端，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；智能终端，用于远程访问空气污染监测终端并接收空气污染监测终端发来的报警信号。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

空气污染实时监测系统

技术领域

本发明涉及空气监测技术领域，具体涉及空气污染实时监测系统。

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实时监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了空气污染实时监测系统，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；

空气污染监测终端，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；

智能终端，用于远程访问空气污染监测终端并接收空气污染监测终端发来的报警信号。

优选地，所述智能终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问空气污染监测终端并接收报警信号。

优选地，所述空气污染监测终端包括用于与无线传感器网络双向通信的通信模块、数据存储模块和数据处理模块。

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本发明空气污染实时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空气污染监测终端的结构连接框图。

附图标记：

无线传感器网络1、空气污染监测终端2、智能终端3、通信模块10、数据存储模块20、数据处理模块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，本实施例提供了空气污染实时监测系统，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；

空气污染监测终端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；

智能终端3，用于远程访问空气污染监测终端2并接收空气污染监测终端2发来的报警信号。

在一个实施例中，所述智能终端3为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问空气污染监测终端2并接收报警信号。

在一个实施例中，如图2所示，所述空气污染监测终端2包括用于与无线传感器网络1双向通信的通信模块10、数据存储模块20和数据处理模块30。

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，所述的无线传感器网络1包括汇聚节点和多个随机部署于设定的空气监测区域内的传感器节点，传感器节点采集空气污染参数，并将空气污染参数传输至汇聚节点。汇聚节点汇聚空气污染参数并将汇聚的数据发送至空气污染监测终端2。

其中，传感器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监测区域中的二氧化碳的浓度。

在一个实施例中，传感器节点采集的空气污染参数通过并行多径路由方式传输至汇聚节点，具体为：传感器节点将由汇聚节点确定的多个优选路由路径作为空气污染参数传输的路径，计算出每条优选路由路径的合理负载，将采集的空气污染参数按照负载比例分割后分配给各优选路由路径进行传输。

本实施例将空气污染参数分流到多条路由路径中同时进行传输，能够有效提高空气污染参数传输的效率。

在一个实施例中，汇聚节点确定传感器节点的多个优选路由路径，具体包括：

(1)汇聚节点在网络初始化阶段向网络广播初始化信息，获取各传感器节点到汇聚节点的最小跳数；

(2)接收传感器节点发送的多个路径探测包，设始发路径探测包的传感器节点为源节点，通过处理路径探测包得到源节点到汇聚节点的多条路由路径，其中每个路径探测包携带了一条路由路径的基本信息，所述的基本信息包括该路由路径中包含的传感器节点、链路状态信息及带宽需求信息，所述的传感器节点为负责转发空气污染参数的传感器节点；

(3)确定每条路由路径的总时延，将总时延大于预设的时延阈值的路由路径剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，计算其中每个粒子的适应度，适应度函数为：

式中，Q(a)表示路由路径a的适应值，E(a)为路由路径a中当前剩余能量最小传感器节点的剩余能量，C(a)为路由路径a的总链路开销，D(a)为路由路径a的最大传感器节点间距，E_min、C_max、D_max分别是为满足网络服务质量要求而设定的最小能量值、最大链路开销值、最大间距值；

(4)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；

(5)采用多种群粒子群优化算法对K个种群进行路径优化，得到每个种群的优选路由路径；

(6)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并更新源节点的路由表，进而源节点得到多个优选路由路径。

本实施例在多种群粒子群优化算法的基础上制定了一种多路径路由算法，汇聚节点根据该多路径路由算法来确定传感器节点的多个优选路由路径，可有效地减少传感器节点的负担。其中，本实施例在确定初始粒子群时，预先将不满足时延要求的路由路径进行剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，可有效地提高了路由路径确定的速度，降低粒子搜索的复杂度，在设计适应度函数时，考虑了传感器节点的当前剩余能量、总链路开销和节点间距，使得得到的多个优选路由路径具备更高的路由成功率和节能性能，保障空气污染监测可靠运行，在整体上使得空气污染实时监测系统更加节能。

在一个实施例中，采用多种群粒子群优化算法对K个种群进行路径优化，具体包括：

(1)各种群根据适应度值找出自己的全局最优位置；

(2)各种群粒子按照下列改进的速度公式求出飞行速度：

式中，V_i(t+1)表示粒子i在t+1时刻的速度，V_i(t)表示粒子i在t时刻的速度，X_i(t)为粒子i在t时刻的位置，Q_ibest为粒子i自身所经历的历史最优位置，Q_gbest表示粒子i所在种群的全局最优位置，Q_gbest(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、β₃皆为在区间[0,1]内均匀分布的随机数，为惯性权重，其中φ为预设的常量；

(3)各种群粒子按照下列位置公式改变自身位置：

X_i(t+1)＝X_i(t)+V_i(t+1)

式中，X_i(t+1)表示粒子i在t+1时刻的位置；

(4)达到优化目标，输出每个种群的优选路由路径Q_gbest(j)，结束，否则回到(1)。

本实施例基于现有的多种群粒子群优化算法的基础上，对多种群粒子群优化算法中的速度公式进行改进，一方面对惯性权重进行改进，将惯性权重定义为随着时间变化的系数，从而在算法初期惯性权重设为较大值，使得粒子搜索范围更大，而在后期将惯性权重设为较小值，使得算法能够收敛，另一方面考虑了各种群全局最优位置的交集，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，有效保障空气污染参数传输的可靠性。

上述实施中，汇聚节点每接收到源节点发送的一个路径探测包，则得到一条路由路径。其中，路径探测包从源节点到汇聚节点的过程，具体包括：源节点向网络广播路径探测包，收到路径探测包的传感器节点确定路径探测包中包含的传感器节点个数是否超过预设的个数阈值，当超过时舍弃该路径探测包，当没有超过时将自身的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的路径探测包中，形成新的路径探测包，并选择一个邻居节点作为下一跳节点，将该新的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。

其中，传感器节点选择一个邻居节点作为下一跳节点时，具体执行：

(1)随机选择一个邻居节点；

(2)判断选择的邻居节点是否符合下一跳备选条件，若符合，则将该邻居节点作为下一跳节点，将新路径探测包发送至该邻居节点，若不符合，返回(1)；

下一跳备选条件为：

式中，E_ij表示传感器节点i所选择的邻居节点j的当前剩余能量，E_min为设定的最小能量值，h_ij为邻居节点j到汇聚节点的最小跳数，h_i为传感器节点i到汇聚节点的最小跳数，h_max为预设的最大跳数值，h_pre为路径探测包到达传感器节点i前已经过的跳数。

其中，邻居节点指的是位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点。

本实施例设计了从传感器节点向汇聚节点发送路径探测包的具体机制，该机制简单高效，能够全面准确地获取路径探测包经过的路由路径的相关信息，其中在路径探测包中包含的传感器节点ID个数超过预设的个数阈值时对路径探测包进行舍弃，能够防止形成过长的路由路径，通过随机选择邻居节点的方式，能够确保探测的路由路径是随机的，而设定下一跳备选条件，能够避免传感器节点选到能量不足、跳数过大的下一跳节点。通过上述机制获取路由路径，能够使获取到的路由路径满足实时性需求，提高链路信息采集的效率，进而实现实时快速的空气污染监测。

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 (7)

1.空气污染实时监测系统，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；

空气污染监测终端，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；

智能终端，用于远程访问空气污染监测终端并接收空气污染监测终端发来的报警信号。

2.根据权利要求1所述的空气污染实时监测系统，其特征是，所述智能终端为远程计算机，能够通过互联网或3G网络或GPRS网络访问空气污染监测终端并接收报警信号。

3.根据权利要求1所述的空气污染实时监测系统，其特征是，所述空气污染监测终端包括用于与无线传感器网络双向通信的通信模块、数据存储模块和数据处理模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的空气污染实时监测系统，其特征是，所述的无线传感器网络包括汇聚节点和多个随机部署于设定的空气监测区域内的传感器节点，传感器节点采集空气污染参数，并将空气污染参数传输至汇聚节点。

5.根据权利要求4所述的空气污染实时监测系统，其特征是，传感器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监测区域中的二氧化碳的浓度。

6.根据权利要求4所述的空气污染实时监测系统，其特征是，传感器节点采集的空气污染参数通过并行多径路由方式传输至汇聚节点，具体为：传感器节点将由汇聚节点确定的多个优选路由路径作为空气污染参数传输的路径，计算出每条优选路由路径的合理负载，将采集的空气污染参数按照负载比例分割后分配给各优选路由路径进行传输。

7.根据权利要求5所述的空气污染实时监测系统，其特征是，汇聚节点确定传感器节点的多个优选路由路径，具体包括：

(1)汇聚节点在网络初始化阶段向网络广播初始化信息，获取各传感器节点到汇聚节点的最小跳数；

(2)接收传感器节点发送的多个路径探测包，设始发路径探测包的传感器节点为源节点，通过处理路径探测包得到源节点到汇聚节点的多条路由路径，其中每个路径探测包携带了一条路由路径的基本信息，所述的基本信息包括该路由路径中包含的传感器节点、链路状态信息及带宽需求信息，所述的传感器节点为负责转发空气污染参数的传感器节点；

(3)确定每条路由路径的总时延，将总时延大于预设的时延阈值的路由路径剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，计算其中每个粒子的适应度，适应度函数为：

式中，Q(a)表示路由路径a的适应值，E(a)为路由路径a中当前剩余能量最小传感器节点的剩余能量，C(a)为路由路径a的总链路开销，D(a)为路由路径a的最大传感器节点间距，E_min、C_max、D_max分别是为满足网络服务质量要求而设定的最小能量值、最大链路开销值、最大间距值；

(4)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；

(5)采用多种群粒子群优化算法对K个种群进行路径优化，得到每个种群的优选路由路径；

(6)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并更新源节点的路由表，进而源节点得到多个优选路由路径。