CN109195229A - 一种区域空气质量信息可视化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种区域空气质量信息可视化装置，该系统包括数据采集子系统、监测终端、显示终端；数据采集子系统用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息，数据采集子系统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，并发送至所述监测终端；所述监测终端与多个显示终端连接，以将接收到的空气质量信息发送至所述多个显示终端。

Description

一种区域空气质量信息可视化装置
技术领域
本发明涉及环境监控技术领域，具体涉及一种区域空气质量信息可视化装置。
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，本发明提供一种区域空气质量信息可视化装置。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种区域空气质量信息可视化装置，该系统包括数据采集子系统、监测终端、多个显示终端；数据采集子系统用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息，数据采集子系统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，并发送至所述监测终端；所述监测终端与多个显示终端连接，以将接收到的空气质量信息发送至所述多个显示终端。
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，所述监测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、用于接收各传感器节点采集的空气质量信息的接收模块，以及用于将空气质量信息发送至所述多个显示终端的发送模块。
进一步地，所述监测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感知和采集，且能完成空气质量信息的实时显示。
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一种区域空气质量信息可视化装置的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的监测终端的结构示意框图。
附图标记：
数据采集子系统1、监测终端2、显示终端3、存储模块10、接收模块20、发送模块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一种区域空气质量信息可视化装置，该系统包括数据采集子系统1、监测终端2、多个显示终端3；数据采集子系统1用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息，数据采集子系统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，并发送至所述监测终端2；所述监测终端2与多个显示终端3连接，以将接收到的空气质量信息发送至所述多个显示终端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，所述监测终端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，以及用于接收各传感器节点采集的空气质量信息的接收模块20。监测终端2还包括用于将空气质量信息发送至所述多个显示终端3的发送模块30。
进一步地，所述监测终端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，包括向多个显示终端3输出报警信息，和/或向接收模块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实时感知和采集，且能完成空气质量信息的实时显示。
在一种能够实现的方式中，预先设定各传感器节点的通信距离，网络初始化时，传感器节点通过分簇路由协议分成多个簇，每个簇包括一个簇首以及多个传感器节点；簇首收集簇内各传感器节点采集的空气质量信息并发送至汇聚节点，具体包括：
(1)簇首通过与其他簇首的信息交互，获取邻居簇首信息，以及根据邻居簇首信息确定相对汇聚节点更近的邻居簇首，将确定的相对汇聚节点更近的邻居簇首作为备选中继节点，构建备选中继节点列表；
(2)簇首在备选中继节点列表中选取一个备选中继节点作为中继节点；
(3)簇首根据自身能量计算发送距离并进行定期更新，当簇首到汇聚节点的距离未超过当前的发送距离时，簇首直接将收集的空气质量信息发送至汇聚节点，当簇首到汇聚节点的距离超过当前的发送距离时，簇首直接将收集的空气质量信息发送至所选取的中继节点，其中，所述发送距离的计算公式为：
式中，qI为簇首I的发送距离，GI为簇首I的当前剩余能量，GI0为簇首I的初始能量，Gmin为预设的能量下限，DI为簇首I的通信距离，H为预设的基于能量的衰减因子，H的取值范围为[0.4，0.6]。
本实施例基于簇首的能量设定了发送距离的计算公式，创新性地为簇首发送空气质量信息的路由方式选择给出了较好的衡量标准，即当簇首到汇聚节点的距离未超过当前的发送距离时，簇首直接将收集的空气质量信息发送至汇聚节点，当簇首到汇聚节点的距离超过当前的发送距离时，簇首直接将收集的空气质量信息发送至所选取的中继节点。
本实施例中簇首基于发送距离选择合适的路由方式，有利于减少簇首发送空气质量信息的能量消耗，避免簇首因能量快速消耗而失效，保障无线传感器网络中路由的稳定性。
优选地，所述的分簇路由协议为基于LEACH的路由协议。所述的分簇路由协议还可以为其他合适的分簇路由协议。
在一种能够实现的方式中，簇首在备选中继节点列表中选取一个备选中继节点作为中继节点，包括：(1)簇首向各备选中继节点发送竞选消息，收到竞选消息的备选中继节点计算自身的转发权值，并将转发权值发送至簇首，其中，所述竞选消息包括簇首的位置信息、簇首对各备选中继节点的信任度；(2)簇首按照转发权值由大到小的顺序对各备选中继节点进行排序，并选择排序最前的备选中继节点作为中继节点；
所述转发权值的计算公式为：
式中，WIJ表示簇首I的第J个备选中继节点的转发权值，GIJ为所述第J个备选中继节点的当前剩余能量，YIJ为所述第J个备选中继节点的缓存列表中的空气质量信息包数量，GU为预设的转发一个空气质量信息包所消耗的能量，q(I，o)为簇首I到汇聚节点的距离，q(J，o)为所述第J个备选中继节点到汇聚节点的距离，UIJ为簇首I对所述第J个备选中继节点的信任度，初始时，簇首对各备选中继节点的信任度为1；c1、c2、c3为设定的权重系数。
本实施例设定了转发权值的指标，根据该转发权值的计算公式可知，当前剩余能量越大的、位置优势更好的、越被簇首信任的备选中继节点具有更大的转发权值。本实施例中，簇首在备选中继节点列表中选取转发权值最大的备选中继节点作为中继节点，有利于保障空气质量信息的转发，节省空气质量信息转发的能量消耗，平衡各中继节点的能耗，进一步有利于延长无线传感器网络的寿命。
在一种能够实现的方式中，簇首每隔一个时间段Δv更新对中继节点的信任度，并向中继节点发送竞选消息，以重新获取中继节点的转发权值，当中继节点的转发权值低于剩余备选中继节点的最大转发权值时，簇首在剩余备选中继节点中选择最大转发权值对应的备选中继节点作为新的中继节点；
所述信任度的更新公式为：
式中，UIA(r+1)表示簇首I在第r+1次更新的对其中继节点A的信任度，UIA(r)为簇首I在第r次更新的对其中继节点A的信任度，mIA(Δv)为所述中继节点A在上一个时间段Δv内帮簇首I转发空气质量信息包的数量，KIA(Δv)为簇首I在上一个时间段Δv内向所述中继节点A发送空气质量信息包的数量，MIA(Δv)为所述中继节点A在上一个时间段Δv内转发空气质量信息包的总数量，e-s为信任度衰减因子，e∈(0，0.2]，e为欧拉常数，α、β皆为权重系数，且满足0＜α，β＜1，α+β＝1。
本实施例创新性地设定了信任度的更新公式，该更新公式根据中继节点转发空气质量信息包的历史情况来评判中继节点相对于簇首的信任度，具有一定的鲁棒性。
本实施例通过每隔一个时间段Δv更新对中继节点的信任度，并重新获取中继节点的转发权值，当中继节点的转发权值低于剩余备选中继节点的最大转发权值时，簇首在剩余备选中继节点中选择最大转发权值对应的备选中继节点作为新的中继节点，有利于进一步保障空气质量信息转发的可靠性，此外，通过中继节点的更新，有利于均衡各簇首的能耗。
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实时感知。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路、数字信号处理器、数字信号处理设备、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于随机存取存储器、只读内存镜像、带电可擦可编程只读存储器或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
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)

1.一种区域空气质量信息可视化装置，其特征是，包括数据采集子系统、监测终端、显示终端；数据采集子系统用于采集空气质量监测区域内的空气质量信息，数据采集子系统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，并发送至所述监测终端；所述监测终端与多个显示终端连接，以将接收到的空气质量信息发送至所述多个显示终端。
2.根据权利要求1所述的一种区域空气质量信息可视化装置，其特征是，预先设定各传感器节点的通信距离，网络初始化时，传感器节点通过分簇路由协议分成多个簇，每个簇包括一个簇首以及多个传感器节点；簇首收集簇内各传感器节点采集的空气质量信息并发送至汇聚节点，具体包括：
(1)簇首通过与其他簇首的信息交互，获取邻居簇首信息，以及根据邻居簇首信息确定相对汇聚节点更近的邻居簇首，将确定的相对汇聚节点更近的邻居簇首作为备选中继节点，构建备选中继节点列表；
(2)簇首在备选中继节点列表中选取一个备选中继节点作为中继节点；
(3)簇首根据自身能量计算发送距离并进行定期更新，当簇首到汇聚节点的距离未超过当前的发送距离时，簇首直接将收集的空气质量信息发送至汇聚节点，当簇首到汇聚节点的距离超过当前的发送距离时，簇首直接将收集的空气质量信息发送至所选取的中继节点，其中，所述发送距离的计算公式为：
式中，qI为簇首I的发送距离，GI为簇首I的当前剩余能量，GI0为簇首I的初始能量，Gmin为预设的能量下限，DI为簇首I的通信距离，H为预设的基于能量的衰减因子，H的取值范围为[0.4，0.6]。
3.根据权利要求2所述的一种区域空气质量信息可视化装置，其特征是，簇首在备选中继节点列表中选取一个备选中继节点作为中继节点，包括：(1)簇首向各备选中继节点发送竞选消息，收到竞选消息的备选中继节点计算自身的转发权值，并将转发权值发送至簇首，其中，所述竞选消息包括簇首的位置信息、簇首对各备选中继节点的信任度；(2)簇首按照转发权值由大到小的顺序对各备选中继节点进行排序，并选择排序最前的备选中继节点作为中继节点；
所述转发权值的计算公式为：
式中，WIJ表示簇首I的第J个备选中继节点的转发权值，GIJ为所述第J个备选中继节点的当前剩余能量，YIJ为所述第J个备选中继节点的缓存列表中的空气质量信息包数量，GU为预设的转发一个空气质量信息包所消耗的能量，q(I，o)为簇首I到汇聚节点的距离，q(J，o)为所述第J个备选中继节点到汇聚节点的距离，UIJ为簇首I对所述第J个备选中继节点的信任度，初始时，簇首对各备选中继节点的信任度为1；c1、c2、c3为设定的权重系数。
4.根据权利要求2所述的一种区域空气质量信息可视化装置，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。
5.根据权利要求2-4任一项所述的一种区域空气质量信息可视化装置，其特征是，所述监测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、用于接收各传感器节点采集的空气质量信息的接收模块，以及用于将空气质量信息发送至所述多个显示终端的发送模块。
6.根据权利要求5所述的一种区域空气质量信息可视化装置，其特征是，所述监测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。
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