CN109186667A - 湖泊水指标实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了湖泊水指标实时监测系统，包括现场环境监测设备、通信网络、环境监测中心，所述现场环境监测设备实时监测湖泊水质参数，通过通信网络传输给环境监测中心。
Description
技术领域
本发明涉及水质监测技术领域，具体涉及湖泊水指标实时监测系统。
背景技术
随着科技的发展，早期的人工监测已经基本被淘汰，传统的做法就是派人到各个监测区域取回水样，然后在实验室里检测。这种监测方法效率低、成本高，而且不能实现对湖水的连续检测，此外工作人员无法到达的区域，水质将难以监测。随着计算机技术和无线传感器网络技术的发展，对大范围区域内的无线监测提供了可能的方法和手段。无线传感器网络是由大量无线传感器节点以自组织方式构成的网络，它具有传感器节点密度高、网络拓扑变化频繁以及节点功率、计算能力和数据存储能力有限等特点，使得无线传感器网络在环境监测军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。
发明内容
针对上述问题，本发明提供湖泊水指标实时监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了湖泊水指标实时监测系统，包括现场环境监测设备、通信网络、环境监测中心，所述现场环境监测设备实时监测湖泊水质参数，通过通信网络传输给环境监测中心。
其中，所述现场环境监测设备包括汇聚节点和多个传感器节点，多个传感器节点采集湖泊水质参数，汇聚节点汇聚多个传感器节点的湖泊水质参数并发送至所述环境监测中心；网络初始化时各传感器节点将自身的感知半径调节为Emax，Emax为传感器节点可调到的最大感知半径；无线传感器网络拓扑构建时，多个传感器节点被分为多个簇，每个簇设置一个簇头。
优选地，所述传感器节点包括微处理器单元、通信单元及电源管理单元。
优选地，所述湖泊水质参数包括水体温度、水体盐度、水体酸碱值、水体有害金属元素浓度、化学物质含量、水体浮游生物数量、湖泊水位、水面风速与风向、水面温度与湿度。
本发明的有益效果为：通过无线传感器网络实现了湖泊的湖泊水质参数采集，使环境监测中心通过简单而又经济的计量手段，实现对整个地区监测点数据进行监测并分析，通过网络实时监测湖泊水资源的水质变化，可以确保周边大城市的用水安全，进而实现良好的社会效益和经济效益。
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湖泊水指标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传感器节点的结构示意框图。
附图标记：
现场环境监测设备1、通信网络2、环境监测中心3、微处理器单元10、通信单元20、电源管理单元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，本发明实施例提供了湖泊水指标实时监测系统，包括现场环境监测设备1、通信网络2、环境监测中心3，所述现场环境监测设备1实时监测湖泊水质参数，通过通信网络2传输给环境监测中心3。
其中，所述现场环境监测设备1包括汇聚节点和多个传感器节点，多个传感器节点采集湖泊水质参数，汇聚节点汇聚多个传感器节点的湖泊水质参数并发送至所述环境监测中心3；网络初始化时各传感器节点将自身的感知半径调节为Emax，Emax为传感器节点可调到的最大感知半径；无线传感器网络拓扑构建时，多个传感器节点被分为多个簇，每个簇设置一个簇头。
其中，所述湖泊水质参数包括水体温度、水体盐度、水体酸碱值、水体有害金属元素浓度、化学物质含量、水体浮游生物数量、湖泊水位、水面风速与风向、水面温度与湿度。
在一种能够实施的方式中，如图2所示，所述传感器节点包括微处理器单元10、通信单元20及电源管理单元30。
本发明上述实施例通过无线传感器网络实现了湖泊的湖泊水质参数采集，使环境监测中心3通过简单而又经济的计量手段，实现对整个地区监测点数据进行监测并分析，通过网络实时监测湖泊水资源的水质变化，可以确保周边大城市的用水安全，进而实现良好的社会效益和经济效益。
在一种能够实现的方式中，簇头在其簇内的传感器节点选择一个传感器节点作为辅助收集节点，簇头与所述辅助收集节点保持自身的感知半径始终为Emax；在数据传输阶段，簇内其余传感器节点周期性地根据当前剩余能量调节自己的感知半径，根据感知半径采集湖泊水质参数，以及，在簇头和辅助收集节点中选择距离最近的作为目的节点，以将采集的湖泊水质参数发送至目的节点；所述辅助收集节点在接收的湖泊水质参数量达到设定的数据量阈值时，将接收的湖泊水质参数发送至所属的簇头；簇头接收的所有湖泊水质参数被传递至汇聚节点。
在一种能够实现的方式中，簇内其余传感器节点周期性地根据当前剩余能量调节自己的感知半径，包括：
式中，Ea′为传感器节点a调节之后的感知半径，Ea为传感器节点a调节之前的感知半径，Ea为传感器节点a当前调节后的感知半径，P(a)表示传感器节点a的目标节点，Ba，P(a)为传感器节点a与其目标节点的距离，W(a)为传感器节点a所属簇的簇半径，G为预设的距离影响因子，Ha为传感器节点a的当前剩余能量，HP(a)为所述目标节点的当前剩余能量。
网络中存活的传感器节点随着时间的推移，由于信号干扰等多方面的因素将造成通信能耗不均衡的问题，使得传感器节点剩余能量发生差异。若较低剩余能量的传感器节点仍然与其他传感器节点一样担任同样程度的感知任务，则很可能会快速失效，进而影响整个无线传感器网络的传输性能以及可靠性。
基于该问题，本实施例中，设置传感器节点定期根据自身的剩余能量调节自己的感知半径，并创新性地设定了传感器节点的感知半径调节公式。由该公式可知，随着传感器节点的能量减少，其感知半径也将随着调整而变小。
本实施例通过调节公式来为每个传感器节点设置合理的感知范围，有利于减少网络冗余覆盖和不必要的能量消耗，促进簇内各传感器节点的能耗平衡，进而益于减缓传感器节点的失效速率，延长网络生存期。
在一种能够实现的方式中，簇头在其簇内的传感器节点选择一个传感器节点作为辅助收集节点，具体为：
(1)簇头计算簇内各传感器节点成为辅助收集节点的概率：
式中，Rα为传感器节点α成为辅助收集节点的概率，qα为传感器节点α的最大传输距离范围内的传感器节点个数，Qα为传感器节点α所在簇具有的传感器节点个数，Hα为传感器节点α的当前剩余能量，Hα0为传感器节点α的初始能量，Hβ为传感器节点α的最大传输距离范围内第β个传感器节点的当前剩余能量，Hα0为所述第β个传感器节点的初始能量，y1、y2为预设的权重系数；
(2)簇头选取成为辅助收集节点的概率最大的传感器节点作为辅助收集节点。
本实施例设置辅助收集节点进行湖泊水质参数的辅助收集，有利于降低簇头的负载，避免所有工作节点将湖泊水质参数都直接发送至簇头而产生过多能耗。本实施例创新性地设计了成为辅助收集节点的概率的计算公式，并依据各传感器节点成为辅助收集节点的概率来确定辅助收集节点，有益于提高辅助收集节点进行湖泊水质参数收集和传输的任务的可靠性。
在一种能够实现的方式中，多个传感器节点基于LEACH路由协议进行分簇。在另一种实施方式中，多个传感器节点被分为多个簇，包括：
(1)汇聚节点向各传感器节点广播分簇消息，各传感器节点接收到所述分簇消息后，根据下列公式确定自己成为临时簇头的概率，并随机生成一个0到1的随机数，若确定的概率大于该随机数，则成为临时簇头：
式中，Va为传感器节点a成为临时簇头的概率，Va0为预设的传感器节点a成为临时簇头的初始概率，Ha为传感器节点a的当前剩余能量，Ha0为传感器节点a的初始能量；
(2)各临时簇头按照下列公式计算自己的优势值，并广播至通信范围内的其他传感器节点：
式中，Zd表示临时簇头d的优势值，Wd为临时簇头d的最大传输距离，qd为临时簇头d的最大传输距离范围内的传感器节点个数，Bid为临时簇头d与其最大传输距离范围内的第i个传感器节点的距离；
(3)各个传感器节点比较在其通信范围内的全部临时簇头的优势值，并选择优势值最大的临时簇头作为其最终所属的簇头。
本实施例提出了一种新的分簇路由协议，该协议先确定临时簇头，再根据临时簇头的优势值确定最终簇头。其中，本实施例提出了临时簇头的优势值计算公式，基于该优势值确定最终簇头，能够避免在彼此的最大传输距离范围内的两个传感器节点均称为簇头。本实施例能够提高簇头分布的均匀性，从而有益于均衡簇头之间的能耗，延长无线传感器网络的寿命。
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.湖泊水指标实时监测系统，其特征是，包括现场环境监测设备、通信网络、环境监测中心，所述现场环境监测设备实时监测湖泊水质参数，通过通信网络传输给环境监测中心。
2.根据权利要求1所述的湖泊水指标实时监测系统，其特征是，所述现场环境监测设备包括汇聚节点和多个传感器节点，多个传感器节点采集湖泊水质参数，汇聚节点汇聚多个传感器节点的湖泊水质参数并发送至所述环境监测中心；网络初始化时各传感器节点将自身的感知半径调节为Emax，Emax为传感器节点可调到的最大感知半径；无线传感器网络拓扑构建时，多个传感器节点被分为多个簇，每个簇设置一个簇头。
3.根据权利要求2所述的湖泊水指标实时监测系统，其特征是，所述传感器节点包括微处理器单元、通信单元及电源管理单元。
4.根据权利要求1所述的湖泊水指标实时监测系统，其特征是，所述湖泊水质参数包括水体温度、水体盐度、水体酸碱值、水体有害金属元素浓度、化学物质含量、水体浮游生物数量、湖泊水位、水面风速与风向、水面温度与湿度。
5.根据权利要求2所述的湖泊水指标实时监测系统，其特征是，簇头在其簇内的传感器节点选择一个传感器节点作为辅助收集节点，簇头与所述辅助收集节点保持自身的感知半径始终为Emax；在数据传输阶段，簇内其余传感器节点周期性地根据当前剩余能量调节自己的感知半径，根据感知半径采集湖泊水质参数，以及，在簇头和辅助收集节点中选择距离最近的作为目的节点，以将采集的湖泊水质参数发送至目的节点；所述辅助收集节点在接收的湖泊水质参数量达到设定的数据量阈值时，将接收的湖泊水质参数发送至所属的簇头；簇头接收的所有湖泊水质参数被传递至汇聚节点。
6.根据权利要求5所述的湖泊水指标实时监测系统，其特征是，簇头在其簇内的传感器节点选择一个传感器节点作为辅助收集节点，具体为：
(1)簇头计算簇内各传感器节点成为辅助收集节点的概率：
式中，Rα为传感器节点α成为辅助收集节点的概率，qα为传感器节点α的最大传输距离范围内的传感器节点个数，Qα为传感器节点α所在簇具有的传感器节点个数，Hα为传感器节点α的当前剩余能量，Hα0为传感器节点α的初始能量，Hβ为传感器节点α的最大传输距离范围内第β个传感器节点的当前剩余能量，Hα0为所述第β个传感器节点的初始能量，y1、y2为预设的权重系数；
(2)簇头选取成为辅助收集节点的概率最大的传感器节点作为辅助收集节点。
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