CN111800751B - 一种地下水水质监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地下水水质监控系统，所述地下水水质监控系统包括数据获取模块、数据传输模块以及数据处理模块；所述数据获取模块用于获取地下水的水质参数，并传输至数据传输模块；所述数据传输模块用于将所述水质参数传输至数据处理模块；所述数据处理模块用于判断所述水质参数是否异常，若发现水质参数异常，所述数据处理模块进行报警提示。本发明通过数据获取模块对地下水的水质进行监控，可以对地下水水质进行实时监控，及时地发现水质的异常。

Description

一种地下水水质监控系统
技术领域
本发明涉及监控领域，具体涉及一种地下水水质监控系统。
背景技术
地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定，水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。但在一定条件下，地下水的水质变化也会引起沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象。
现有技术中，对地下水的水质监控往往通过人工定时取样检测来完成，并不能实时地监控地下水的水质，无法及时发现的水质异常，而且采用人工的方式进行监控，人力成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明的一种地下水水质监控系统，所述地下水水质监控系统包括数据获取模块、数据传输模块以及数据处理模块；
所述数据获取模块用于获取地下水的水质参数，并传输至数据传输模块；所述数据传输模块用于将所述水质参数传输至数据处理模块；所述数据处理模块用于判断所述水质参数是否异常，若发现水质参数异常，所述数据处理模块进行报警提示。
优选地，所述数据获取模块包括无线传感器节点，所述无线传感器节点组成无线传感器网络，所述无线传感器网络将所述水质参数传输到数据传输模块。
优选地，所述水质参数包括水位高度、余氯浓度、电导率、pH值、ORP值、浑浊度。
优选地，所述数据传输模块包括基站和通信网络；所述基站用于接收从所述无线传感器网络发送过来的水质参数，并通过所述通信网络将所述水质参数发送到数据处理模块；
所述通信网络包括无线通信网络和有线通信网络。
本发明的有益效果为：
本发明通过数据获取模块对地下水的水质进行监控，可以对地下水水质进行实时监控，及时地发现水质的异常。
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，为本发明一种地下水水质监控系统的一种示例性实施例图。
图2，为本发明数据处理模块的一种示例性实施例图。
附图标记：
数据获取模块1、数据传输模块2、数据处理模块3；判断单元31、报警单元32、存储单元33、分析单元34、显示单元35。
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，本发明的一种地下水水质监控系统，所述地下水水质监控系统包括数据获取模块1、数据传输模块2以及数据处理模块3；
所述数据获取模块1用于获取地下水的水质参数，并传输至数据传输模块2；所述数据传输模块2用于将所述水质参数传输至数据处理模块3；所述数据处理模块3用于判断所述水质参数是否异常，若发现水质参数异常，所述数据处理模块3进行报警提示。
在一种实施方式中，所述数据获取模块1包括无线传感器节点，所述无线传感器节点组成无线传感器网络，所述无线传感器网络将所述水质参数传输到数据传输模块2。
在一种实施方式中，所述水质参数包括水位高度、余氯浓度、电导率、pH值、ORP值、浑浊度。
在一种实施方式中，所述数据传输模块2包括基站和通信网络；所述基站用于接收从所述无线传感器网络发送过来的水质参数，并通过所述通信网络将所述水质参数发送到数据处理模块3；
所述通信网络包括无线通信网络和有线通信网络。
在一种实施方式中，如图2所示，所述数据处理模块3包括判断单元31、报警单元32、存储单元33、分析单元34和显示单元35；所述判断单元31用于判断所述水质参数是否处于预设的参数范围，若所述水质参数超出所述参数范围，则通过所述报警单元32进行报警提醒；所述存储单元33用于存储所述水质参数；所述分析单元34用于从所述存储单元33中读取指定时间段内的水质参数，生成分析图表，并通过显示单元35进行展示。
在一种实施方式中，所述报警单元32包括声光报警器。
在一种实施方式中，所述存储单元33包括企业级硬盘。
在一种实施方式中，所述显示单元35为OLED显示器。
在一种实施方式中，所述分析图表包括折线图、柱状图和饼图。
在一种实施方式中，所述无线传感器节点组成无线传感器网络，包括：
基站每隔固定工作时间周期Tthre便进行一次分簇，将所述无线传感器节点划分到不同的簇中，每个簇分别选出簇头节点和成员节点，所述簇头节点用于接收成员节点的数据，并转发到基站，所述成员节点以轮流休息的方式进行工作。
本发明上述实施方式，通过隔固定时间分簇的方式，可以避免单个节点由于担任簇头节点过长，从而导致提前将能量损耗完毕，可以有效地延长节点的使用寿命以及保持无线传感器网络的通信覆盖范围。
在一种实施方式中，所述基站将所述无线传感器节点划分到不同的簇中，包括：
所述基站通过leach分簇算法将所述无线传感器节点划分到不同的簇中。
在另一种实施方式中，所述基站将所述无线传感器节点划分到不同的簇中，包括：
基站计算每个无线传感器节点的分簇指数CIm：
Figure BDA0002490349840000031
/>
式中，m表示第m个无线传感器节点，
Figure BDA0002490349840000032
numN表示除了所述第m个无线传感器节点之外的所有无线传感器节点所组成的集合N中的元素的总数,n表示所述集合N中的第n个元素；lm,n表示第m个无线传感器节点与集合N中的第n个元素所应的无线传感器节点之间的欧式距离；Rb表示预设的无线传感器节点的最佳通信半径；
若集合N中存在子集ZN，使得
Figure BDA0002490349840000033
对ZN中的每个元素都成立，则
Figure BDA0002490349840000034
min表示取括号中的最小值，r∈ZN,r表示ZN中的第r个元素，l2m,r表示第m个无线传感器节点与集合ZN中的第r个元素所应的无线传感器节点之间的欧式距离；否则
Figure BDA0002490349840000035
max表示取括号中的最大值；
现有技术中，对无线传感器节点进行分簇时，往往是随机选择分簇中心，分簇中心的数量也是随机的，分簇的效果也不能保证，分簇的效果非常依赖分簇中心的选择，分簇中心如果分布不均匀的话，会导致分簇结果陷入局部最优。本发明上述实施方式，在分簇时先根据每个无线传感器节点与监控系统中其余无线传感器节点之间的欧式距离以及最佳通信半径计算参数
Figure BDA0002490349840000036
Figure BDA0002490349840000037
表示监控系统中第m个无线传感器节点附近的无线传感器节点的密集程度；然后计算了参数/>
Figure BDA0002490349840000038
Figure BDA0002490349840000039
表示监控系统中密集程度比第m个无线传感器节点大的无线传感器节点的离散程度；通过/>
Figure BDA00024903498400000310
和/>
Figure BDA00024903498400000311
计算每个无线传感器节点的分簇指数CIm，可以保证分簇指数越大，分簇指数对应的无线传感器节点周围的无线传感器节点数量越多，且监控系统中比当前正在计算分簇指数的无线传感器节点密集程度大的无线传感器节点与当前正在计算分簇指数的无线传感器节点离散程度越大。进而避免分簇中心分布不均匀的问题。
基站通过如下公式计算预计分簇的总数：
Figure BDA0002490349840000041
式中，numfc表示分簇的总数量，α表示常数控制系数，N表示无线传感器节点的总数，
Figure BDA0002490349840000042
表示无线传感器节点发射功率，S表示所有无线传感器节点的最大通信范围的面积，ltbs表示所有无线传感器节点距离基站的平均距离，WL表示自由空间传播模型的损耗系数；
分簇的预计总数通过无线传感器节点发射功率，所有无线传感器节点的最大通信范围的面积，所有无线传感器节点距离基站的平均距离等参数来计算，可以保证不会由于分簇数量过少而导致无线传感器节点需要通过增大发射功率来保证通信，进而有效地提高了无线传感器节点的工作寿命。同时也可以进一步保证分簇中心在监控系统中分布均匀。
将无线传感器节点的分簇指数CIm的值从大到小排序，取前numfc个分簇指数CIm的值对应的无线传感器节点组成集合ZN2，对于集合ZN2中的第zn2a个和第zn2b个元素，zn2a≠zn2b，计算两者的欧式距离l3zn2a,zn2b，若l3zn2a,zn2b＜l3thre，则将
Figure BDA0002490349840000043
和/>
Figure BDA0002490349840000044
中值较小的元素从集合ZN2中删除，l3thre表示预设的分簇阈值参数，zn2a∈[1,numZN2]，zn2b∈[1,numZN2]，numZN2表示ZN2中的元素的总数；将ZN2中剩余的元素存入集合ZN3；ZN3表示分簇中心无线传感器节点集合；将ZN3中的每个元素分别与一个簇对应，ZN3的元素总数表示最终分簇的总数；
将所述地下水水质监控系统中所有的无线传感器节点组成的集合记为T，通过下述方式选出待分簇无线传感器节点集合ZN4:
ZN4＝CTZN3
上式表示以T为全集，取T的子集ZN3在T中的补集；
ZN4中的元素按照距离最小原则，加入ZN3中的元素所在的簇。
通过距离最小原则对待分簇无线传感器节点进行分簇，使得每个簇中的成员节点与分簇中心分簇中心无线传感器节点之间的通信距离更短，进而节约能量消耗。
在一种实施方式中，所述每个簇分别选出簇头节点和成员节点，包括：
所述簇头节点包括主簇头节点和辅助簇头节点，所述主簇头节点通过如下方式进行选取：
计算簇中的无线传感器节点的主簇头指数CHIn：
Figure BDA0002490349840000051
n表示该簇中的第n个无线传感器节点，INTEn表示第n个无线传感器节点初始的能量，RESEn表示第n个无线传感器节点当前剩余的能量，aveRESE表示该簇中的每个无线传感器节点当前剩余能量的平均值，DTBn表示第n个无线传感器节点与基站之间的距离，aveDTB表示该簇中的每个无线传感器节点与基站之间的平均距离，α和β表示预设的权重系数；δ表示温度影响系数，curT表示当前的环境湿度，idealT表示传感器节点的最佳工作湿度；
选取该簇中主簇头指数最大的无线传感器节点作为主簇头节点；
所述辅助簇头节点通过如下方式进行选取：
计算该簇中无线传感器节点的辅助簇头指数SCHIn：
Figure BDA0002490349840000052
OHNEIn表示第n个无线传感器节点的邻居节点的总数，NOCL表示该簇中包含的无线传感器节点的总数，α1和β1表示预设的权重系数，
选取该簇中辅助簇头指数最大的无线传感器节点作为辅助簇头节点，若该簇中辅助簇头指数最大的无线传感器节点和主簇头指数最大的无线传感器节点相同，则选取该簇中辅助簇头指数排行第二的无线传感器节点作为辅助簇头节点；
将该簇中除了主簇头节点和辅助簇头节点之外的无线传感器节点作为成员节点；
所述辅助簇头节点收集该簇中成员节点发送过来的水质参数，并将其转发到主簇头节点，主簇头节点用于将所述水质参数发送至基站。
本发明上述实施方式，通过设置主簇头和辅助簇头的方式，提高了监控系统的通信能力，避免了监控系统的通信能力受到单一簇头的通信能力的制约。而且分工合作的方式也可以提高对成员节点发来的数据的处理能力。在选主簇头时，考虑了无线传感器节点的初始的能量、剩余的能量、簇中的每个无线传感器节点当前剩余能量的平均值、与基站之间的距离、当前的环境湿度、最佳工作湿度等参数，使得剩余的能量越多、与基站之间的距离越小，距离最佳工作湿度误差越小的无线传感器节点成为主簇头的可能性越大，使得主簇头指数最大的节点具有最好的工作状态，从而保证了簇头的可靠性，使得监控系统中的无线传感器节点的能量使用更为均衡，延长无线传感器网络的工作周期。而副簇头的选取则是考虑到了剩余能量、无线传感器节点的邻居节点的总数，当前簇中包含的无线传感器节点的总数等参数，使得邻居节点总数越大、剩余能量越多的无线传感器节点成为副簇头节点的可能性越大，使得可以用更少的能量覆盖更多的成员节点，降低了成员节点与副簇头节点之间的通信距离，进一步地节约无线传感器节点的能量消耗，延长无线传感器网络的工作时间。
在一种实施方式中，所述成员节点以轮流休息的方式进行工作，包括：
对于成员节点md，计算以md为中心，半径为crt的范围内的无线传感器节点的数量numon，若numon≤dort,则md不符合休息要求，在下一轮休息时不进行休息，dort表示第一休息阈值；若numon＞dort，则计算其休息指数dori，若dori≤ncov，则md不符合休息要求，在下一轮休息时不进行休息，否则，md在下一轮休息时进行休息，ncov表示第二休息阈值，
Figure BDA0002490349840000061
式中，Q表示md的通信范围内的无线传感器节点的数量，j表示md的通信范围内的第j个无线传感器节点，dj表示第j个无线传感器节点到md的距离，numc表示md的通信范围的面积，α2+β2＝1，α2和β2均为预设的休息权重参数；REOMmd表示md当前剩余的能量。
本发明上述实施方式，在判断成员节点是否休息时，考虑了成员节点在指定通信范围内的邻居节点的数量、以及成员节点到所述邻居节点之间的距离、成员节点的通信范围面积、当前剩余的能量等，可以使更少的节点尽可能地覆盖更大面积的监控区域，以及使得剩余能量越少的节点进入休息的可能性越高，从而避免某一区域由于所有的无线传感器节能量均消耗完毕从而无法进行监控。
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(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、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RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM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 (4)

1.一种地下水水质监控系统，其特征在于，所述地下水水质监控系统包括数据获取模块、数据传输模块以及数据处理模块；所述数据获取模块用于获取地下水的水质参数，并传输至数据传输模块；所述数据传输模块用于将所述水质参数传输至数据处理模块；所述数据处理模块用于判断所述水质参数是否异常，若发现水质参数异常，所述数据处理模块进行报警提示；
所述数据获取模块包括无线传感器节点，所述无线传感器节点组成无线传感器网络，所述无线传感器网络将所述水质参数传输到数据传输模块；
所述无线传感器节点组成无线传感器网络，包括：
基站每隔固定工作时间周期Tthre便进行一次分簇，将所述无线传感器节点划分到不同的簇中，每个簇分别选出簇头节点和成员节点，所述簇头节点用于接收成员节点的数据，并转发到基站，所述成员节点以轮流休息的方式进行工作；
所述基站将所述无线传感器节点划分到不同的簇中，包括：
基站计算每个无线传感器节点的分簇指数CIm：
Figure QLYQS_1
式中，m表示第m个无线传感器节点，
Figure QLYQS_2
numN表示除了所述第m个无线传感器节点之外的所有无线传感器节点所组成的集合N中的元素的总数,n表示所述集合N中的第n个元素；lm,n表示第m个无线传感器节点与集合N中的第n个元素所对应的无线传感器节点之间的欧式距离；Rb表示预设的无线传感器节点的最佳通信半径；
若集合N中存在子集ZN，使得
Figure QLYQS_3
对ZN中的每个元素都成立，则/>
Figure QLYQS_4
表示取括号中的最小值，r∈ZN,r表示ZN中的第r个元素，l2m,r表示第m个无线传感器节点与集合ZN中的第r个元素所对应的无线传感器节点之间的欧式距离；否则/>
Figure QLYQS_5
max表示取括号中的最大值；
基站通过如下公式计算预计分簇的总数：
Figure QLYQS_6
式中，numfc表示分簇的总数量，α表示常数控制系数，N表示无线传感器节点的总数，
Figure QLYQS_7
表示无线传感器节点发射功率，S表示所有无线传感器节点的最大通信范围的面积，ltbs表示所有无线传感器节点距离基站的平均距离，WL表示自由空间传播模型的损耗系数；
将无线传感器节点的分簇指数CIm的值从大到小排序，取前numfc个分簇指数CIm的值对应的无线传感器节点组成集合ZN2，对于集合ZN2中的第zn2a个和第zn2b个元素，zn2a≠zn2b，计算两者的欧式距离l3zn2a,zn2b，若l3zn2a,zn2b<l3thre，则将
Figure QLYQS_8
和/>
Figure QLYQS_9
中值较小的元素从集合ZN2中删除，l3thre表示预设的分簇阈值参数，zn2a∈[1,numZN2]，zn2b∈[1,numZN2]，numZN2表示ZN2中的元素的总数；将ZN2中剩余的元素存入集合ZN3；ZN3表示分簇中心无线传感器节点集合；将ZN3中的每个元素分别与一个簇对应，ZN3的元素总数表示最终分簇的总数；/>
将所述地下水水质监控系统中所有的无线传感器节点组成的集合记为T，通过下述方式选出待分簇无线传感器节点集合ZN4:
ZN4＝CTZN3
上式表示以T为全集，取T的子集ZN3在T中的补集；
ZN4中的元素按照距离最小原则，加入ZN3中的元素所在的簇。
2.根据权利要求1所述的一种地下水水质监控系统，其特征在于，所述水质参数包括水位高度、余氯浓度、电导率、pH值、ORP值、浑浊度。
3.根据权利要求1所述的一种地下水水质监控系统，其特征在于，所述数据处理模块包括判断单元、报警单元、存储单元、分析单元和显示单元；所述判断单元用于判断所述水质参数是否处于预设的参数范围，若所述水质参数超出所述参数范围，则通过所述报警单元进行报警提醒；所述存储单元用于存储所述水质参数；所述分析单元用于从所述存储单元中读取指定时间段内的水质参数，生成分析图表，并通过显示单元进行展示。
4.根据权利要求1所述的一种地下水水质监控系统，其特征在于，所述数据传输模块包括基站和通信网络；所述基站用于接收从所述无线传感器网络发送过来的水质参数，并通过所述通信网络将所述水质参数发送到数据处理模块；所述通信网络包括无线通信网络和有线通信网络。
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