CN109030313B - 用于水利工程的渗流智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于水利工程的渗流智能监测系统，包括数据采集模块、基站设备和渗流监测预警模块；所述数据采集模块包括随机部署于设定的水利工程渗流监测区域内的多个无线传感器网络节点，无线传感器网络节点对所测的水利工程上的渗流处进行监测感知，并将获得的水利工程渗流数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各无线传感器网络节点发送的水利工程渗流数据，进行处理后转发至渗流监测预警模块；渗流监测预警模块用于对基站设备发送的水利工程渗流数据进行分析和处理，确定水利工程渗流的水流变化值，当水流变化值超出规定阈值时，向预设用户终端发送报警信息。

Description

用于水利工程的渗流智能监测系统

技术领域

本发明涉及水利工程渗流监测领域，具体涉及用于水利工程的渗流智能监测系统。

背景技术

大坝，水建筑物挡水后因水位差发生渗流现象，使一部分水体渗入坝体和地基，在其地基中形成渗流场，导致发生流土、管涌或塌滑。资料显示，水利工程事故大部分是由渗流作用引起的。因此，对水利工程的渗流状态进行监测十分重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供用于水利工程的渗流智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了用于水利工程的渗流智能监测系统，包括数据采集模块、基站设备和渗流监测预警模块；所述数据采集模块包括随机部署于设定的水利工程渗流监测区域内的多个无线传感器网络节点，无线传感器网络节点对所测的水利工程上的渗流处进行监测感知，并将获得的水利工程渗流数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各无线传感器网络节点发送的水利工程渗流数据，进行处理后转发至渗流监测预警模块；渗流监测预警模块用于对基站设备发送的水利工程渗流数据进行分析和处理，确定水利工程渗流的水流变化值，当水流变化值超出规定阈值时，向预设用户终端发送报警信息。

优选地，所述无线传感器网络节点包括传感器、信号调理电路、射频发射模块，其中传感器通过信号调理电路与射频发射模块连接。

优选地，所述的传感器包括水声传感器。

本发明的有益效果为：实现了大型水利工程的渗流实时监测，省去敷设大量导线、降低施工难度，无需人员定期巡回检查渗流，节约大量人力成本。

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水利工程渗流实时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无线传感器网络节点的框图示意图。

附图标记：

数据采集模块1、基站设备2、渗流监测预警模块3、传感器10、信号调理电路20、射频发射模块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，本实施例提供的用于水利工程的渗流智能监测系统，包括数据采集模块1、基站设备2和渗流监测预警模块3；所述数据采集模块1包括随机部署于设定的水利工程渗流监测区域内的多个无线传感器网络节点，无线传感器网络节点对所测的水利工程上的渗流处进行监测感知，并将获得的水利工程渗流数据发送至基站设备2；所述基站设备2汇聚各无线传感器网络节点发送的水利工程渗流数据，进行处理后转发至渗流监测预警模块3；渗流监测预警模块3用于对基站设备2发送的水利工程渗流数据进行分析和处理，确定水利工程渗流的水流变化值，当水流变化值超出规定阈值时，向预设用户终端发送报警信息。

其中，如图2所示，所述无线传感器网络节点包括传感器10、信号调理电路20、射频发射模块30，其中传感器10通过信号调理电路20与射频发射模块30连接。

在一种实施方式中，所述的传感器包括水声传感器。

本发明上述实施例实现了大型水利工程的渗流实时监测，省去敷设大量导线、降低施工难度，无需人员定期巡回检查渗流，节约大量人力成本。

在一个实施例中，网络拓扑构建时多个无线传感器网络节点通过分簇路由协议完成分簇，每个分簇设置一个簇头，所述基站设备2从多个簇头中选出一个第一中继节点，每个簇头选择簇内的一个无线传感器网络节点作为第二中继节点；在数据传输阶段，每个分簇内的无线传感器网络节点在第二中继节点、对应簇头之间选择距离最近的作为目的节点，将采集的水利工程渗流数据发送至目的节点；每个目的节点与所述第一中继节点距离较近时，所述目的节点将收集的水利工程渗流数据发送至第一中继节点，每个目的节点与所述基站设备2距离较近时，所述目的节点直接将接收的水利工程渗流数据发送至该基站设备2；所述第一中继节点接收的水利工程渗流数据量达到其缓存极限时，第一中继节点将接收的所有水利工程渗流数据汇总发送至所述基站设备2。

本实施例创新性地设置了第一中继节点、第二中继节点，通过该设置，避免了簇内所有无线传感器网络节点直接将水利工程渗流数据发送至对应簇头，也避免了所有簇头直接将水利工程渗流数据发送至基站设备2，从而减少了通信开销，降低数据拥塞程度。

其中，网络中各无线传感器网络节点的初始能量不相同，其中各无线传感器网络节点的能量分布在[E₀,(1+ρ)E₀]范围内，E₀为网络中初始能量值最小的无线传感器网络节点的初始能量，(1+ρ)E₀为网络中初始能量值最大的无线传感器网络节点的初始能量。

在一个实施例中，所述基站设备2从多个簇头中选出一个第一中继节点，包括：

(1)基站设备2向每个簇头广播竞选消息，收到竞选消息的簇头将自身的位置和当前剩余能量信息发送至基站设备2，基站设备2根据位置信息统计位于各簇头通信范围内的簇头数量，并根据该簇头数量由多到少的顺序对各簇头进行排序，形成簇头列表；

(2)设位于各簇头通信范围内的簇头数量中的最大值为n_max、最小值为n_min，基站设备 2从所述簇头列表中选择簇头数量大于

的簇头作为备选节点；

(3)基站设备2计算各备选节点的权值，将权值最大的备选节点作为第一中继节点，并广播至各簇头；其中，设定所述权值的计算公式为：

式中，Q_i为簇头i的权值，E_i为簇头i的当前剩余能量，d_i,o为簇头i与基站设备2的距离， d_j,_o为第j个簇头与基站设备2的距离，N为网络中的簇头数量；λ₁、λ₂为预设的权重系数。

本实施例设置了第一中继节点的确定机制，该机制中通过挑选邻居簇头数量较多的簇头作为备选节点，有利于保障较多的簇头能够与第一中继节点通信，从而充分发挥第一中继节点的功效，避免因其余簇头与第一中继节点皆相距较远而带来无谓的能量消耗。本实施例进一步设置了备选节点的权值计算公式，根据该计算公式确定各备选节点的权值，并选择权值最大的备选节点作为第一中继节点，使得选出的第一中继节点有足够的能量处理水利工程渗流数据收集任务，并进一步降低第一中继节点与基站设备2之间的通信开销。

在一个实施例中，所述每个簇头选择簇内的一个无线传感器网络节点作为第二中继节点，包括：

(1)簇头比较其与第一中继节点、基站设备2的距离，在第一中继节点和基站设备2中确定距离最近节点，并将所述距离最近节点的身份信息和位置信息广播至簇内各无线传感器网络节点；

(2)簇内各无线传感器网络节点按照下列公式计算自身的状态值，并将状态值反馈至对应的簇头：

式中，Z_ia为簇头i所在簇内的无线传感器网络节点a的状态值，d_i,a为簇头i与无线传感器网络节点a的距离，d_a,o′为无线传感器网络节点a与簇头i确定的距离最近节点的距离，d_i,o′为簇头i与其确定的距离最近节点的距离，ρ为设定的距离权重系数，ρ∈(0,1)；k_a为位于无线传感器网络节点a通信范围内的无线传感器网络节点个数，Φ_i为簇头i的簇内无线传感器网络节点个数，σ₁、σ₂为预设的权重系数，且σ₁+σ₂＝1；

(3)簇头根据簇内各无线传感器网络节点的状态值计算状态值平均值，将状态值大于该状态值平均值的无线传感器网络节点作为候选节点，并构建候选节点列表；

(4)簇头在候选节点列表中选择当前剩余能量最大的候选节点作为第二中继节点。

本实施例提出了第二中继节点的选择机制，其中创新性地设定了无线传感器网络节点状态值的计算公式，该计算公式使得与距离最近节点相距较近的、节点度数较大的无线传感器网络节点具有更大的概率，以当选候选节点。本实施例中，簇头只在构建的候选节点列表中，选择当前剩余能量最大的候选节点作为第二中继节点，有利于保障选出的第二中继节点能够有效承担水利工程渗流数据收集的任务，并且有利于降低水利工程渗流数据收集、以及将水利工程渗流数据传输至距离最近节点的能耗。

在一个实施例中，簇头按照预设周期进行第二中继节点的更新，以完成第二中继节点的轮换，具体为：

(1)簇头计算候选节点列表中各候选节点的选择概率：

式中，η_b为候选节点b的选择概率，E_b为候选节点b的当前剩余能量，E_b0为候选节点b的初始能量，(1+ρ)E₀为网络中初始能量值最大的无线传感器网络节点的初始能量，β_b为所述候选节点b到目前为止充当第二中继节点的次数，β_max为预设的次数阈值，τ为预设的衰减因子，用于表示充当第二中继节点次数对选择概率的影响程度；

(2)簇头将选择概率最大的候选节点作为新的第二中继节点，并广播至簇内各无线传感器网络节点，先前的第二中继节点则成为普通的无线传感器网络节点。

本实施例在此提出了第二中继节点的轮换机制，其中将能量、充当第二中继节点次数作为选择概率计算的标准，创新性地设定了选择概率的计算公式。通过定期将选择概率最大的候选节点作为新的第二中继节点，避免了因多次将同一候选节点作为第二中继节点而使得第二中继节点的能量快速消耗，有利于均衡各备选节点的能量消耗，进而提高水利工程渗流数据采集和传输的可靠性。

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 (3)

1.用于水利工程的渗流智能监测系统，其特征是，包括数据采集模块、基站设备和渗流监测预警模块；所述数据采集模块包括随机部署于设定的水利工程渗流监测区域内的多个无线传感器网络节点，无线传感器网络节点对所测的水利工程上的渗流处进行监测感知，并将获得的水利工程渗流数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各无线传感器网络节点发送的水利工程渗流数据，进行处理后转发至渗流监测预警模块；渗流监测预警模块用于对基站设备发送的水利工程渗流数据进行分析和处理，确定水利工程渗流的水流变化值，当水流变化值超出规定阈值时，向预设用户终端发送报警信息；网络拓扑构建时多个无线传感器网络节点通过分簇路由协议完成分簇，每个分簇设置一个簇头，所述基站设备从多个簇头中选出一个第一中继节点，每个簇头选择簇内的一个无线传感器网络节点作为第二中继节点；在数据传输阶段，每个分簇内的无线传感器网络节点在第二中继节点、对应簇头之间选择距离最近的作为目的节点，将采集的水利工程渗流数据发送至目的节点；每个目的节点与所述第一中继节点距离较近时，所述目的节点将收集的水利工程渗流数据发送至第一中继节点，每个目的节点与所述基站设备距离较近时，所述目的节点直接将接收的水利工程渗流数据发送至该基站设备；所述第一中继节点接收的水利工程渗流数据量达到其缓存极限时，第一中继节点将接收的所有水利工程渗流数据汇总发送至所述基站设备；网络中各无线传感器网络节点的初始能量不相同，其中各无线传感器网络节点的能量分布在[E₀,(1+ρ)E₀]范围内，E₀为网络中初始能量值最小的无线传感器网络节点的初始能量，(1+ρ)E₀为网络中初始能量值最大的无线传感器网络节点的初始能量；所述基站设备从多个簇头中选出一个第一中继节点，包括：

(1)基站设备向每个簇头广播竞选消息，收到竞选消息的簇头将自身的位置和当前剩余能量信息发送至基站设备，基站设备根据位置信息统计位于各簇头通信范围内的簇头数量，并根据该簇头数量由多到少的顺序对各簇头进行排序，形成簇头列表；

(2)设位于各簇头通信范围内的簇头数量中的最大值为n_max、最小值为n_min，基站设备从所述簇头列表中选择簇头数量大于

的簇头作为备选节点；

(3)基站设备计算各备选节点的权值，将权值最大的备选节点作为第一中继节点，并广播至各簇头；其中，设定所述权值的计算公式为：

式中，Q_i为簇头i的权值，E_i为簇头i的当前剩余能量，d_i,o为簇头i与基站设备的距离，d_j,o为第j个簇头与基站设备的距离，N为网络中的簇头数量；λ₁、λ₂为预设的权重系数。

2.根据权利要求1所述的用于水利工程的渗流智能监测系统，其特征是，所述无线传感器网络节点包括传感器、信号调理电路、射频发射模块，其中传感器通过信号调理电路与射频发射模块连接。

3.根据权利要求2所述的用于水利工程的渗流智能监测系统，其特征是，所述的传感器包括水声传感器。

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