CN109195132A - 空气质量信息智能采集与实时播报系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了空气质量信息智能采集与实时播报系统,该系统包括信息采集装置、信息广播终端、用户终端;信息采集装置用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息,信息采集装置包括由汇聚节点和多个部署于该空气质量监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络,传感器节点采集所在监测位置的空气质量信息,汇聚节点主要用于汇聚各传感器节点采集的空气质量信息,并发送至所述信息广播终端;所述信息广播终端与多个用户终端连接,以将接收到的空气质量信息广播至所述多个用户终端。
Description
技术领域
本发明涉及环境监控技术领域,具体涉及空气质量信息智能采集与实时播报系统。
背景技术
目前的空气质量检测,一般需要专业人员带着仪器上门,一次智能检测一个时间点或一个时间段的数据,不能反映空气质量的变化,而且不能多参数同时采集,无法智能化联网等弊端。空气质量监测主要是对空气中的常规污染因子和气象参数进行24小时连续在线的监测,将分析出的数据提供给客户作为空气质量好坏的参考,并辅助环保决策,其中待监测因子包括:污染颗粒物、二氧化碳、氧气、甲醛、以及其他有害物质等。
发明内容
针对上述问题,本发明提供空气质量信息智能采集与实时播报系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现:
提供了空气质量信息智能采集与实时播报系统,该系统包括信息采集装置、信息广播终端、多个用户终端;信息采集装置用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息,信息采集装置包括由汇聚节点和多个部署于该空气质量监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络,传感器节点采集所在监测位置的空气质量信息,汇聚节点主要用于汇聚各传感器节点采集的空气质量信息,并发送至所述信息广播终端;所述信息广播终端与多个用户终端连接,以将接收到的空气质量信息广播至所述多个用户终端。
在一种实施方式中,传感器节点设有传感器模块,传感器模块包括以下传感器的一种或多种:
粉尘传感器,用于实时检测所述空气质量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质量监测区域中的PM2.5污染物的浓度;
甲醛传感器,用于实时检测所述空气质量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质量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质量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质量监测区域中的二氧化碳的浓度。
在一种实施方式中,所述信息广播终端包括用于存储各传感器节点采集的空气质量信息的存储模块、用于显示各传感器节点采集的空气质量信息的信息发布模块,以及用于将空气质量信息广播至所述多个用户终端的广播模块。
进一步地,所述信息广播终端还包括分析预警模块,用于对空气质量信息进行分析,在空气质量信息不符合设定的阈值条件时输出报警信息。
本发明的有益效果为:利用无线传感器网络技术,实现了一定区域内的空气质量信息的采集,且能完成空气质量信息的实时发布。
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信息智能采集与实时播报系统的结构示意框图;
图2是本发明一个示例性实施例的信息广播终端的结构示意框图。
附图标记:
信息采集装置1、信息广播终端2、用户终端3、存储模块10、信息发布模块20、广播模块30、分析预警模块40。
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空气质量信息智能采集与实时播报系统,该系统包括信息采集装置1、信息广播终端2、多个用户终端3;信息采集装置1用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息,信息采集装置1包括由汇聚节点和多个部署于该空气质量监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络,传感器节点采集所在监测位置的空气质量信息,汇聚节点主要用于汇聚各传感器节点采集的空气质量信息,并发送至所述信息广播终端2;所述信息广播终端2与多个用户终端3连接,以将接收到的空气质量信息广播至所述多个用户终端3。
在一种实施方式中,传感器节点设有传感器模块,传感器模块包括以下传感器的一种或多种:
粉尘传感器,用于实时检测所述空气质量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质量监测区域中的PM2.5污染物的浓度;
甲醛传感器,用于实时检测所述空气质量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质量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质量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质量监测区域中的二氧化碳的浓度。
在一种实施方式中,如图2所示,所述信息广播终端2包括用于存储各传感器节点采集的空气质量信息的存储模块10,以及用于显示各传感器节点采集的空气质量信息的信息发布模块20。信息广播终端2还包括用于将空气质量信息广播至所述多个用户终端3的广播模块30。
进一步地,所述信息广播终端2还包括分析预警模块40,用于对空气质量信息进行分析,在空气质量信息不符合设定的阈值条件时输出报警信息。所述的输出报警信息,包括向多个用户终端3输出报警信息,和/或向信息发布模块20输出报警信息。
本实施例实现了对空气质量异常的及时预警。
其中阈值条件的设定,可以根据实际情况进行设置。在一种实施方式中,可针对不同空气质量信息设置不同的标准阈值,当空气质量信息超出对应的标准阈值判定该空气质量信息为异常,进而输出报警信息。其中,该报警信息可包括异常的空气质量信息,和/或异常的空气质量信息产生的位置。
本发明上述实施例利用无线传感器网络技术,实现了一定区域内的空气质量信息的采集,且能完成空气质量信息的实时发布。
在一种能够实现的方式中,网络初始化时,将传感器节点划分为多个簇组,并从每个簇组中选取一个簇头,其中在每一轮通信开始之前都要对簇头重新进行选择;传感器节点采集所监测位置的空气质量信息,并将空气质量信息单跳发送至对应的簇头;簇头负责簇内空气质量信息的接收和处理,并将处理后的空气质量信息发送至汇聚节点。
在一种能够实现的方式中,汇聚节点定期获取每个传感器节点的能量信息,并根据能量信息检测每个簇组是否满足能量警告条件,若存在簇组满足能量警告条件,汇聚节点向该簇组对应的簇头发送分簇指令,所述分簇指令包括该簇组的传感器节点平均能量Bavg;
该对应的簇头接收到分簇指令后,在其簇内的剩余能量大于Bavg的传感器节点中选择相距最远的传感器节点作为另一簇头,簇内的其余传感器节点在簇组的两个簇头中重新选择距离最近的簇头加入,从而该簇组被划分为两个簇组;
其中,所述能量警告条件设定为:
式中,Bα表示簇组β中的第α个传感器节点,Eβ为所述簇组β中的传感器节点数量,Bmax为所述最大能耗阈值。
本实施例在簇组内的传感器节点的能量满足能量警告条件时,创新性地通过增加分簇的数量的方式减少每个簇组内的传感器节点数量。
本实施例能够在能量不足时有效降低簇头传输的空气质量信息量,从而有效降低簇头的能耗,从而保证系统通信的正常运行,有效延长空气质量信息传输工作的周期。
在一种能够实现的方式中,传感器节点发送能耗采用自由空间损耗模型,而簇头与汇聚节点之间进行通信时采用多径衰减模型;所述的将传感器节点划分为多个簇组,包括:
(1)将设定的监测区域平均划分为Φ个子区域;
(2)计算每个子区域的重心位置,选择距离重心位置最近的传感器节点作为簇组中心:
(3)基于选择好的Φ个簇组中心,对所有传感器节点进行分簇,各传感器节点加入到距离最近的簇组中心对应的簇组内,从而完成簇组的初始化;
其中,按照下列公式计算每个子区域的重心位置:
式中,Vi表示第i个子区域的重心位置,i=1,…,Φ,x(j)表示所述第i个子区域中第j个传感器节点所在位置的横坐标,y(j)为所述第j个传感器节点所在位置的纵坐标,其中以汇聚节点为坐标原点,Ei为所述第i个子区域具有的传感器节点个数。
现有技术中对传感器节点进行分簇时,初始簇组中心是随机选择的,分簇的效果依赖于初始簇组中心的选择,不均衡的簇组中心分布会导致分簇结果陷入局部最优。本实施例提出了一种新的簇组划分机制,该机制通过将监测区域平均划分为多个子区域,并选择距离每个子区域重心位置最近的传感器节点作为簇组中心。
本实施例能够保证初始的簇组中心尽量均匀地分布在整个监测区域内,提升了分簇结果的全局最优性能。
其中按照下列公式确定Φ:
式中,q1为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数,q2为基于多径衰减模型的功放能耗系数,G为部署的传感器节点个数,L为所述监测区域的面积,Ho,min为传感器节点到汇聚节点的最小距离,Ho,max为传感器节点到汇聚节点的最大距离,v;int为取整函数。
簇组数与网络内传感器节点的能耗息息相关,本实施例基于监测区域的实际情况以及传感器节点的部署情况,还设计了监测区域划分成子区域的数目的计算公式,根据该计算公式确定子区域的数目,相对于随机设定的方式,优化了簇组数,有利于节省网内传感器节点的能耗。
在一个实施例中,所述从每个簇组中选取一个簇头,包括:
(1)设置簇头选取轮数为计算簇组内各传感器节点在当前轮次担任簇头的概率,并按照概率由大到小的顺序对各传感器节点进行排序;
(2)将排序最前的传感器节点作为备选簇头,预测其作为簇头的总能耗,若该总能耗不超过预设的最大能耗阈值Bmax,则直接选择该备选簇头担任本轮次的簇头,否则重新选择下一位的传感器节点作为备选簇头,直至选择的备选簇头的总能耗不超过Bmax;
设定总能耗的预测公式为:
式中,为预测的备选簇头y担任新簇头后的总能耗,y=1,2,为备选簇头y所在簇内的传感器节点数量,B0为设定的簇头接收和处理单位空气质量信息的能耗,Hy,o为所述备选簇头y到汇聚节点的距离,Bq为电路能耗参数,q1为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数,q2为基于多径衰减模型的功放能耗系数,Hs,y为备选簇头y所在簇内的第s个传感器节点到所述备选簇头y的距离。
其中,所述概率的计算公式设定为:
式中,Wra(t)为第r个簇组内任意传感器节点a在第t轮通信过程中担任簇头的概率,当簇组内所有传感器节点在之前的通信过程中都担任过一次簇头后,t将被重置为1,在接下来的通信过程中t逐渐增长到Kr为所述第r个簇组具有的传感器节点个数;当所述传感器节点a在过去t轮通信过程中担任过簇头时,Pa(t)=0.5,所述传感器节点j在过去t轮通信过程中未担任过簇头时,Pa(t)=1;Ba为所述传感器节点a的当前剩余能量,Bf为所述第r个簇组内第f个传感器节点的当前剩余能量,Er为所述第r个簇组内具有的传感器节点数量,Ua为所述传感器节点a与第r个簇组内所有传感器节点的距离和,Uf为所述第f个传感器节点与第r个簇组内所有传感器节点的距离和;c1、c2为预设的权重系数。
本实施例提出了一种新的簇头选择机制,该机制中先计算簇组内各传感器节点在当前轮次担任簇头的概率,然后选择概率最大及概率次大的传感器节点作为备选簇头,并进一步预测备选簇头担任簇头的总能耗,最后选择总能耗满足阈值条件的备选簇头作为当前轮次的簇头。其中本实施例创新性地提出了所述概率的计算公式,根据该计算公式,当前能量较多、未担任过簇头、与簇内其他传感器节点距离较近的传感器节点具有更大的概率。
本实施例基于能量的基础上,相对于现有技术还考虑了传感器节点担任簇头的经历情况,有利于保持传感器节点之间的能耗均衡性。
本实施例相对于现有技术还考虑了传感器节点在簇内的位置情况,有利于保证簇内传感器节点与簇头的总能耗最小;通过预测备选簇头担任簇头时的总能耗,并选择总能耗不超过预设的最大能耗阈值的备选簇头作为最终的簇头,能够避免传感器节点因担任簇头而大量消耗能量。
本实施例在每一轮通信开始之前都选择最合适的传感器节点担任簇头,有效保证了簇头工作的稳定性和整个网络的可靠性,有利于实现对空气质量的可靠监测。
利用上述无线传感器网络技术,本发明实现了对空气质量信息的采集和实时播报。
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.空气质量信息智能采集与实时播报系统,其特征是,包括信息采集装置、信息广播终端、用户终端;信息采集装置用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息,信息采集装置包括由汇聚节点和多个部署于该空气质量监测区域内的传感器节点构建的无线传感器网络,传感器节点采集所在监测位置的空气质量信息,汇聚节点主要用于汇聚各传感器节点采集的空气质量信息,并发送至所述信息广播终端;所述信息广播终端与多个用户终端连接,以将接收到的空气质量信息广播至所述多个用户终端。
2.根据权利要求1所述的空气质量信息智能采集与实时播报系统,其特征是,传感器节点设有传感器模块,传感器模块包括以下传感器的一种或多种:
粉尘传感器,用于实时检测所述空气质量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质量监测区域中的PM2.5污染物的浓度;
甲醛传感器,用于实时检测所述空气质量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质量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质量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质量监测区域中的二氧化碳的浓度。
3.根据权利要求1所述的空气质量信息智能采集与实时播报系统,其特征是,所述信息广播终端包括用于存储各传感器节点采集的空气质量信息的存储模块、用于显示各传感器节点采集的空气质量信息的信息发布模块,以及用于将空气质量信息广播至所述多个用户终端的广播模块。
4.根据权利要求3所述的空气质量信息智能采集与实时播报系统,其特征是,所述信息广播终端还包括分析预警模块,用于对空气质量信息进行分析,在空气质量信息不符合设定的阈值条件时输出报警信息。
5.根据权利要求1所述的空气质量信息智能采集与实时播报系统,其特征是,网络初始化时,将传感器节点划分为多个簇组,并从每个簇组中选取一个簇头,其中在每一轮通信开始之前都要对簇头重新进行选择;传感器节点采集所监测位置的空气质量信息,并将空气质量信息单跳发送至对应的簇头;簇头负责簇内空气质量信息的接收和处理,并将处理后的空气质量信息发送至汇聚节点。
6.根据权利要求5所述的空气质量信息智能采集与实时播报系统,其特征是,汇聚节点定期获取每个传感器节点的能量信息,并根据能量信息检测每个簇组是否满足能量警告条件,若存在簇组满足能量警告条件,汇聚节点向该簇组对应的簇头发送分簇指令,所述分簇指令包括该簇组的传感器节点平均能量Bavg;
该对应的簇头接收到分簇指令后,在其簇内的剩余能量大于Bavg的传感器节点中选择相距最远的传感器节点作为另一簇头,簇内的其余传感器节点在簇组的两个簇头中重新选择距离最近的簇头加入,从而该簇组被划分为两个簇组;
其中,所述能量警告条件设定为:
式中,Bα表示簇组β中的第α个传感器节点,Eβ为所述簇组β中的传感器节点数量,Bmax为所述最大能耗阈值。
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