CN108965409A - 空气质量智能实时监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了空气质量智能实时监测系统，包括：无线传感器网络，用于对监测区域内的空气质量进行监测，获取空气质量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该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集空气质量参数，并将空气质量参数多跳传输至汇聚节点；监测站，用于与汇聚节点通信，包括用于接收并存储汇聚节点发送的空气质量参数的云存储器和用于分析汇聚节点发送的空气质量参数的数据分析设备，所述数据分析设备在空气质量参数超过设定的正常门限时发出报警信号；用户终端，用于远程访问监测站并接收监测站发来的报警信号。

Description

空气质量智能实时监测系统
技术领域
本发明涉及空气监测技术领域，具体涉及空气质量智能实时监测系统。
背景技术
相关技术中，对空气质量监测的方法主要有：
(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，本发明提供空气质量智能实时监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了空气质量智能实时监测系统，包括：
无线传感器网络，用于对监测区域内的空气质量进行监测，获取空气质量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该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集空气质量参数，并将空气质量参数多跳传输至汇聚节点；在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在空气质量参数传输阶段，传感器节点侦听到一个空气质量参数报文时，从空气质量参数报文中获取下一跳节点的标识，若自己不是空气质量参数报文所指定的下一跳节点，传感器节点丢弃该空气质量参数报文，否则转发该空气质量参数报文；
监测站，用于与汇聚节点通信，包括用于接收并存储汇聚节点发送的空气质量参数的云存储器和用于分析汇聚节点发送的空气质量参数的数据分析设备，所述数据分析设备在空气质量参数超过设定的正常门限时发出报警信号；
用户终端，用于远程访问监测站并接收监测站发来的报警信号。
优选地，所述用户终端为远程计算机，能够通过互联网访问监测站并接收报警信号。
本发明的有益效果为：采用无线传感器网络技术获取空气质量参数并加以分析处理，能够准确、及时地反映空气质量状况并报警，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是本发明一个示例性实施例的空气质量智能实时监测系统的结构连接框图；
图2是本发明一个示例性实施例的监测站的结构连接框图。
附图标记：
无线传感器网络1、监测站2、用户终端3、云存储器10、数据分析设备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、图2，本实施例提供了空气质量智能实时监测系统，包括：
无线传感器网络1，用于对监测区域内的空气质量进行监测，获取空气质量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该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集空气质量参数，并将空气质量参数多跳传输至汇聚节点；在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在空气质量参数传输阶段，传感器节点侦听到一个空气质量参数报文时，从空气质量参数报文中获取下一跳节点的标识，若自己不是空气质量参数报文所指定的下一跳节点，传感器节点丢弃该空气质量参数报文，否则转发该空气质量参数报文；
监测站2，用于与汇聚节点通信，包括用于接收并存储汇聚节点发送的空气质量参数的云存储器10和用于分析汇聚节点发送的空气质量参数的数据分析设备20，所述数据分析设备20在空气质量参数超过设定的正常门限时发出报警信号；
用户终端3，用于远程访问监测站2并接收监测站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，能够通过互联网访问监测站2并接收报警信号。
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质量参数并加以分析处理，能够准确、及时地反映空气质量状况并报警，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，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，具体为：在网络初始化阶段，汇聚节点向各传感器节点发送Hello报文，该Hello报文包括各传感器节点的位置坐标、到汇聚节点的距离以及到汇聚节点的跳数；各传感器节点接收到Hello报文后，根据Hello报文构建邻居节点列表，并计算各邻居节点到汇聚节点的最优路径质量，将各邻居节点的ID以及到汇聚节点的最优路径质量存储在所构建的邻居节点列表中；
其中，邻居节点到汇聚节点的最优路径质量的计算公式设定为：
式中，Qij表示传感器节点i的邻居节点j到汇聚节点的最优路径质量，d(sink，i)为传感器节点i到汇聚节点的距离，d(i，j)为传感器节点i与其邻居节点j的距离，d(sink，j)为邻居节点j到汇聚节点的距离，h(sink，i)为传感器节点i到汇聚节点的跳数，h(sink，j)为邻居节点j到汇聚节点的跳数；λ为设定的权重系数，且0＜λ＜1。
本实施例解决了传感器节点获取邻居节点信息并构建邻居节点列表的问题，其中创新性地设定了邻居节点到汇聚节点的最优路径质量的计算公式，该计算公式基于邻居节点与传感器节点、汇聚节点之间的位置进行最优路径质量的计算，能够较好地衡量邻居节点转发空气质量参数时的位置优势情况，为后续传感器节点选择下一跳提供基础数据参考，从而有利于提高传感器节点后续选择下一跳的效率；本实施例在构建邻居节点列表时只是存储邻居节点的ID以及到汇聚节点的最优路径质量，相比于现有技术中需要存储邻居节点的位置信息、到汇聚节点的跳数以及距离信息等，节省了存储空间。
在一个实施例中，传感器节点转发该空气质量参数报文，具体包括：
(1)若汇聚节点在传感器节点的通信范围内，传感器节点将该空气质量参数报文直接发送到汇聚节点；
(2)若汇聚节点不在传感器节点的通信范围内，传感器节点将邻居节点列表中当前剩余能量不低于设定最低能量阈值的邻居节点作为候选节点，并从候选节点中选择下一跳节点。
其中，所述从候选节点中选择下一跳节点，具体包括：
(1)计算各候选节点转发空气质量参数的路径质量：
式中，表示当前计算出的传感器节点i的候选节点k转发空气质量参数的路径质量；表示前一次计算的传感器节点i的候选节点k转发空气质量参数的路径质量，其中设置初始时候选节点k转发空气质量参数的路径质量其中Qik为传感器节点i的邻居节点列表中存储的所述候选节点k到汇聚节点的最优路径质量，Eik为所述候选节点k的当前剩余能量，Emin为设定的最低能量阈值；μ为设定的常量，代表学习率；v为设定的能量影响因子；
(2)传感器节点选择路径质量最大的候选节点作为下一跳，并更新自己到汇聚节点的最优路径质量为将更新的信息存储到所转发的空气质量参数报文中。
本实施例创新性地设定了传感器节点转发空气质量参数报文的通信协议，该通信协议使得传感器节点在发送空气质量参数包时能够根据网络当前的情况选择路由路径，从而增强无线传感器网络内部传感器节点与汇聚节点的连接性，保障空气质量参数包的递交。在路径选择中，本实施例综合考虑了传感器节点的剩余能量和链路质量，能够节省空气质量参数传输能耗；传感器节点在发送空气质量参数报文的过程中捎带了更新后的传感器节点到汇聚节点的最优路径质量，待下一跳传感器节点收到该反馈信息后，就能够更新自己邻居节点列表中存储的该传感器节点到汇聚节点的最优路径质量，为此后的路径选择奠定了基础，避免需要重新确认邻居节点到汇聚节点的最优路径质量，节省了能量开销。
在一个实施例中，若传感器节点的各邻居节点的当前剩余能量皆低于设定最低能量阈值，传感器节点确定自身的当前剩余能量是否满足下列条件，若满足，传感器节点调节自身的发送功率将空气质量参数报文直接发送给汇聚节点，若不满足，传感器节点舍弃该空气质量参数报文：
式中，Ei为传感器节点i的当前剩余能量，d(sink，i)为传感器节点i到汇聚节点的距离，ε为设定的距离开销阈值。
本实施例考虑了传感器节点没有合适的候选节点进行转发空气质量参数报文时的情况，并基于能量和距离因素，确定传感器节点是否能够冒险直接发送空气质量参数报文，从而在一定程度上解决了路由空洞的问题，延长了无线传感器网络1的生命周期，有利于提高空气质量智能实时监测系统运作的稳定性。
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.空气质量智能实时监测系统，其特征是，包括：
无线传感器网络，用于对监测区域内的空气质量进行监测，获取空气质量参数并进行处理转发，所述的无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集空气质量参数，并将空气质量参数多跳传输至汇聚节点；在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在空气质量参数传输阶段，传感器节点侦听到一个空气质量参数报文时，从空气质量参数报文中获取下一跳节点的标识，若自己不是空气质量参数报文所指定的下一跳节点，传感器节点丢弃该空气质量参数报文，否则转发该空气质量参数报文；
监测站，用于与汇聚节点通信，包括用于接收并存储汇聚节点发送的空气质量参数的云存储器和用于分析汇聚节点发送的空气质量参数的数据分析设备，所述数据分析设备在空气质量参数超过设定的正常门限时发出报警信号；
用户终端，用于远程访问监测站并接收监测站发来的报警信号。
2.根据权利要求1所述的空气质量智能实时监测系统，其特征是，所述用户终端为远程计算机，能够通过互联网访问监测站并接收报警信号。
3.根据权利要求1所述的空气质量智能实时监测系统，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，用于实时检测所述监测区域中的二氧化碳的浓度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的空气质量智能实时监测系统，其特征是，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，具体为：在网络初始化阶段，汇聚节点向各传感器节点发送Hello报文，该Hello报文包括各传感器节点的位置坐标、到汇聚节点的距离以及到汇聚节点的跳数；各传感器节点接收到Hello报文后，根据Hello报文构建邻居节点列表，并计算各邻居节点到汇聚节点的最优路径质量，将各邻居节点的ID以及到汇聚节点的最优路径质量存储在所构建的邻居节点列表中；
其中，邻居节点到汇聚节点的最优路径质量的计算公式设定为：
式中，Qij表示传感器节点i的邻居节点j到汇聚节点的最优路径质量，d(sink，i)为传感器节点i到汇聚节点的距离，d(i，j)为传感器节点i与其邻居节点j的距离，d(sink，j)为邻居节点j到汇聚节点的距离，h(sink，i)为传感器节点i到汇聚节点的跳数，h(sink，j)为邻居节点j到汇聚节点的跳数；λ为设定的权重系数，且0＜λ＜1。
5.根据权利要求4所述的空气质量智能实时监测系统，其特征是，传感器节点转发该空气质量参数报文，具体包括：
(1)若汇聚节点在传感器节点的通信范围内，传感器节点将该空气质量参数报文直接发送到汇聚节点；
(2)若汇聚节点不在传感器节点的通信范围内，传感器节点将邻居节点列表中当前剩余能量不低于设定最低能量阈值的邻居节点作为候选节点，并从候选节点中选择下一跳节点。
6.根据权利要求5所述的空气质量智能实时监测系统，其特征是，所述从候选节点中选择下一跳节点，包括：
(1)计算各候选节点转发空气质量参数的路径质量：
式中，表示当前计算出的传感器节点i的候选节点k转发空气质量参数的路径质量；表示前一次计算的传感器节点i的候选节点k转发空气质量参数的路径质量，其中设置初始时候选节点k转发空气质量参数的路径质量其中Qik为传感器节点i的邻居节点列表中存储的所述候选节点k到汇聚节点的最优路径质量，Eik为所述候选节点k的当前剩余能量，Emin为设定的最低能量阈值；μ为设定的常量，代表学习率；v为设定的能量影响因子；
(2)传感器节点选择路径质量最大的候选节点作为下一跳，并更新自己到汇聚节点的最优路径质量为将更新的信息存储到所转发的空气质量参数报文中。
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