CN115002712A - 一种基于无线传感器网络的水环境监测系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的水环境监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，包括无线传感器网络；无线传感器网络包括无线传感器节点和边缘处理装置；边缘处理装置用于根据前一个分类间隔的工作量计算用于分类的下一个分类间隔，并基于所述分类间隔将无线传感器节点分类为成员节点和簇头节点；成员节点用于获取监测水域的环境参数，并将环境参数发送至其所在簇的簇头节点；簇头节点用于将成员节点发送过来的环境参数转发至边缘处理装置。本发明通过工作量和平均电量损耗以及前一个分类间隔来综合计算得到后一个分类间隔，能避免监测任务较轻的时间段内分类过于频繁导致浪费电量，也能避免监测任务较重的时间段内分类频率过低。

Description

一种基于无线传感器网络的水环境监测系统
技术领域
本发明涉及监测领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的水环境监测系统。
背景技术
水环境监测是监测和测量水体中污染物的种类、各种污染物的浓度和变化趋势，评价水质的过程。传统的水环境监测为人工定时采样进行监测，这种监测方式费时费力，而且不能做到及时监测，因此，现有的环境监测过程引入了无线传感器网络，通过将无线传感器散布设置在监测水域来实时获取监测参数。与传统的监测方式相比，通过无线传感器网络来进行监测实时性更高，效率更高，人力成本更低。现有的无线传感器网络一般是采用固定的分类间隔来进行分类，将无线传感器节点分成簇头节点和成员节点，这就使得在监测任务较轻时，分类过于频繁，造成无线传感器节点的能量的浪费，缩短了无线传感器节点的电池更换周期，增加了运维的工作量。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，解决现有技术中，采用无线传感器网络对水域环境进行监测时，采用固定的分类间隔来进行分类，导致的分类过于频繁，缩短了无线传感器节点的电池更换周期，增加了运维的工作量的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，包括无线传感器网络；
无线传感器网络包括无线传感器节点和边缘处理装置；
边缘处理装置用于根据前一个分类间隔的工作量计算用于分类的下一个分类间隔，并基于所述分类间隔将无线传感器节点分类为成员节点和簇头节点；
分类间隔采用如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 767662DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 260960DEST_PATH_IMAGE004
分别表示第k个和第k+1个分类间隔，
Figure 499175DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 695450DEST_PATH_IMAGE006
表示设定的权重系数，
Figure 977396DEST_PATH_IMAGE007
表示第k个分类间隔的工作量，
Figure 256193DEST_PATH_IMAGE008
表示预设的工作量标准值，
Figure 94836DEST_PATH_IMAGE009
表示第k个分类间隔中，无线传感器节点的平均电量损耗，
Figure 578907DEST_PATH_IMAGE010
表示预设的平均电量损耗标准值，
Figure 592606DEST_PATH_IMAGE011
表示设定的时间长度；
成员节点用于获取监测水域的环境参数，并将环境参数发送至其所在簇的簇头节点；
簇头节点用于将成员节点发送过来的环境参数转发至边缘处理装置。
优选地，基于无线传感器网络的水环境监测系统还包括通信模块；
所述边缘处理装置用于将簇头节点发送过来的环境参数发送至通信模块。
优选地，基于无线传感器网络的水环境监测系统还包括存储模块；
所述通信模块用于将边缘处理装置发送过来的环境参数发送至存储模块。
优选地，基于无线传感器网络的水环境监测系统还包括监测模块，
监测模块用于判断存储模块中存储的环境参数是否符合预警条件，若是，则向工作人员发出预警提示。
优选地，所述工作量采用如下公式计算：
Figure 139125DEST_PATH_IMAGE012
式中，
Figure 906093DEST_PATH_IMAGE013
表示第k个分类间隔的簇头节点的集合，
Figure 339610DEST_PATH_IMAGE014
表示第i个簇头节点在整个第k个分类间隔内的数据吞吐量，
Figure 776408DEST_PATH_IMAGE015
表示
Figure 731594DEST_PATH_IMAGE013
中的元素的总数。
优选地，所述通信模块包括4G通信网络或5G通信网络。
优选地，所述环境参数包括温度、色度、浊度、PH值和电导率。
优选地，所述判断存储模块中存储的环境参数是否符合预警条件，包括：
判断存储模块中存储的环境参数是否超出设定的数值范围，若是，则表示存储模块中存储的环境参数符合预警条件，若否，则表示存储模块中存储的环境参数不符合预警条件。
本发明在采用无线传感器网络来对水环境进行监测时，采用的不是固定的分类间隔，而是通过工作量和平均电量损耗以及前一个分类间隔来综合计算得到后一个分类间隔。使得分类间隔与无线传感器节点的监测任务相关，前一个分类间隔内，监测任务越重，后一个分类间隔则会越小，监测任务越轻，后一个分类间隔则会越大，分类间隔随着监测任务变化，既能避免监测任务较轻的时间段内分类过于频繁导致浪费电量，也能避免监测任务较重的时间段内分类频率过低，导致无线传感器节点之间的电量消耗不均衡，缩短了无线传感器节点的电池更换周期，增加了运维的工作量的问题。
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，为本发明一种基于无线传感器网络的水环境监测系统的一种实施例图。
图2，为本发明将无线传感器节点分类为成员节点和簇头节点的一种实施例图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示的一种实施例，本发明提供了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，包括无线传感器网络；
无线传感器网络包括无线传感器节点和边缘处理装置；
边缘处理装置用于根据前一个分类间隔的工作量计算用于分类的下一个分类间隔，并基于所述分类间隔将无线传感器节点分类为成员节点和簇头节点；
分类间隔采用如下公式计算：
Figure 857246DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 456854DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 923608DEST_PATH_IMAGE004
分别表示第k个和第k+1个分类间隔，
Figure 195451DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 914009DEST_PATH_IMAGE006
表示设定的权重系数，
Figure 758337DEST_PATH_IMAGE007
表示第k个分类间隔的工作量，
Figure 488002DEST_PATH_IMAGE008
表示预设的工作量标准值，
Figure 27568DEST_PATH_IMAGE009
表示第k个分类间隔中，无线传感器节点的平均电量损耗，
Figure 674450DEST_PATH_IMAGE010
表示预设的平均电量损耗标准值，
Figure 733804DEST_PATH_IMAGE011
表示设定的时间长度；
成员节点用于获取监测水域的环境参数，并将环境参数发送至其所在簇的簇头节点；
簇头节点用于将成员节点发送过来的环境参数转发至边缘处理装置。
本发明在采用无线传感器网络来对水环境进行监测时，采用的不是固定的分类间隔，而是通过工作量和平均电量损耗以及前一个分类间隔来综合计算得到后一个分类间隔。使得分类间隔与无线传感器节点的监测任务相关，前一个分类间隔内，监测任务越重，后一个分类间隔则会越小，监测任务越轻，后一个分类间隔则会越大，分类间隔随着监测任务变化，既能避免监测任务较轻的时间段内分类过于频繁导致浪费电量，也能避免监测任务较重的时间段内分类频率过低，导致无线传感器节点之间的电量消耗不均衡，缩短了无线传感器节点的电池更换周期，增加了运维的工作量的问题。
具体的，下一个分类间隔的大小是在前一个分类间隔结束后再进行计算的。
优选地，基于无线传感器网络的水环境监测系统还包括通信模块；
所述边缘处理装置用于将簇头节点发送过来的环境参数发送至通信模块。
优选地，基于无线传感器网络的水环境监测系统还包括存储模块；
所述通信模块用于将边缘处理装置发送过来的环境参数发送至存储模块。
具体的，存储模块可以是本地存储服务器，也可以是云储存服务器。
优选地，基于无线传感器网络的水环境监测系统还包括监测模块，
监测模块用于判断存储模块中存储的环境参数是否符合预警条件，若是，则向工作人员发出预警提示。
具体的，预警提示方式包括发送预警弹框，播放预警声音等。
优选地，所述工作量采用如下公式计算：
Figure 73518DEST_PATH_IMAGE017
式中，
Figure 38063DEST_PATH_IMAGE013
表示第k个分类间隔的簇头节点的集合，
Figure 383244DEST_PATH_IMAGE014
表示第i个簇头节点在整个第k个分类间隔内的数据吞吐量，
Figure 749634DEST_PATH_IMAGE015
表示
Figure 994671DEST_PATH_IMAGE013
中的元素的总数。
优选地，所述通信模块包括4G通信网络或5G通信网络。
优选地，所述环境参数包括温度、色度、浊度、PH值和电导率。
进一步的，无线传感器节点可以包含温度传感器、色度传感器、浊度传感器、PH传感器、电导率传感器等，这些传感器用来获取相应的类型的环境参数。
优选地，所述判断存储模块中存储的环境参数是否符合预警条件，包括：
判断存储模块中存储的环境参数是否超出设定的数值范围，若是，则表示存储模块中存储的环境参数符合预警条件，若否，则表示存储模块中存储的环境参数不符合预警条件。
优选地，如图2所示，所述将无线传感器节点分类为成员节点和簇头节点，包括：
边缘处理装置在分类间隔结束后，获取无线传感器节点的运行参数；
基于运行参数对无线传感器节点进行分类，将无线传感器节点分类成簇头节点和成员节点，获得分类结果；
将分类结果发送至每个无线传感器节点。
具体的，对无线传感器节点的分类工作是在相邻的两个分类间隔之间进行的，当前一个分类间隔结束后，所有的无线传感器节点暂时停止工作，等接收到分类结果，确认自身属于成员节点还是簇头节点之后，再继续进行工作。边缘处理装置采用了计算能力较强的边缘计算机，能够快速完成分类。
优选地，所述运行参数包括坐标、当前电量、通信半径等。
优选地，所述基于运行参数对无线传感器节点进行分类，将无线传感器节点分类成簇头节点和成员节点，获得分类结果，包括：
计算下一个分类间隔的簇头节点的数量
Figure 728402DEST_PATH_IMAGE018
；
计算每个无线传感器节点的综合转发系数；
对监测水域进行分区，将监测水域分为
Figure 592453DEST_PATH_IMAGE018
个大小相同的区域；
分别将每个区域中综合转发系数最大的无线传感器节点作为该区域的簇头节点；该区域中除了簇头节点之外的无线传感器节点作为成员节点。
现有的分类方式一般是通过产生随机数来获取簇头节点。这样的分类方式存在如下缺点：簇头节点的数量随机性强、簇头节点的分布不够合理。这就导致本来在任务量较大的时间段应该增加簇头节点的数量，但是随机数选取的方式反而可能减少数量，随机产生的簇头节点的分布区域也是随机的，容易造成部分区域簇头节点数量过多，部分区域则是数量过少。严重了影响无线传感器节点之间的电量消耗的均衡。容易造成部分无线传感器节点提前退出工作。因此，本发明通过先计算簇头节点的数量以及根据数量来进行分区域，再选取簇头节点，有效地避免了以上问题的发生。
优选地，所述下一个分类间隔的簇头节点的数量
Figure 734722DEST_PATH_IMAGE018
采用如下方式计算：
若
Figure 39408DEST_PATH_IMAGE019
，则采用如下公式计算
Figure 899916DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 567658DEST_PATH_IMAGE020
若
Figure 65898DEST_PATH_IMAGE021
，则采用如下公式计算
Figure 715054DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 906868DEST_PATH_IMAGE022
式中，
Figure 378300DEST_PATH_IMAGE023
表示前一个分类间隔结束后，无线传感器节点的当前电量的方差，
Figure 495161DEST_PATH_IMAGE024
表示预设的方差阈值，
Figure 347842DEST_PATH_IMAGE025
表示前一个分类间隔的簇头节点的数量，
Figure 58309DEST_PATH_IMAGE026
表示预设的常数参数。
在本发明中，簇头节点的数量是随着当前电量的方差的变化而变化的，当前电量的方差越大，则表示无线传感器节点之间的电量分布越不均匀以及监测任务量比较大，因此，本发明适当增加簇头节点的数量，反之，则减少簇头节点的数量。
优选地，所述综合转发系数采用如下公式计算：
Figure 192487DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 255864DEST_PATH_IMAGE028
表示综合转发系数，
Figure 59872DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 179007DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 680658DEST_PATH_IMAGE031
表示预设的比例系数，
Figure 772110DEST_PATH_IMAGE032
表示无线传感器节点的当前电量，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示无线传感器节点的满电电量，
Figure 703944DEST_PATH_IMAGE034
表示与无线传感器节点的距离小于通信半径的其它无线传感器节点的数量，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
表示预设的数量参考值，
Figure 185741DEST_PATH_IMAGE036
表示无线传感器节点和边缘处理装置之间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
表示预设的驱离参考值。
以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，包括无线传感器网络；
无线传感器网络包括无线传感器节点和边缘处理装置；
边缘处理装置用于根据前一个分类间隔的工作量计算用于分类的下一个分类间隔，并基于所述分类间隔将无线传感器节点分类为成员节点和簇头节点；
分类间隔采用如下公式计算：
Figure 89352DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 535987DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 424047DEST_PATH_IMAGE006
分别表示第k个和第k+1个分类间隔，
Figure 337033DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 603935DEST_PATH_IMAGE010
表示设定的权重系数，
Figure 567343DEST_PATH_IMAGE012
表示第k个分类间隔的工作量，
Figure 24256DEST_PATH_IMAGE014
表示预设的工作量标准值，
Figure 924954DEST_PATH_IMAGE016
表示第k个分类间隔中，无线传感器节点的平均电量损耗，
Figure 111609DEST_PATH_IMAGE018
表示预设的平均电量损耗标准值，
Figure 291924DEST_PATH_IMAGE020
表示设定的时间长度；
成员节点用于获取监测水域的环境参数，并将环境参数发送至其所在簇的簇头节点；
簇头节点用于将成员节点发送过来的环境参数转发至边缘处理装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，还包括通信模块；
所述边缘处理装置用于将簇头节点发送过来的环境参数发送至通信模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，还包括存储模块；
所述通信模块用于将边缘处理装置发送过来的环境参数发送至存储模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，还包括监测模块，
监测模块用于判断存储模块中存储的环境参数是否符合预警条件，若是，则向工作人员发出预警提示。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，所述工作量采用如下公式计算：
Figure 656040DEST_PATH_IMAGE022
式中，
Figure 820481DEST_PATH_IMAGE024
表示第k个分类间隔的簇头节点的集合，
Figure 530817DEST_PATH_IMAGE026
表示第i个簇头节点在整个第k个分类间隔内的数据吞吐量，
Figure 632765DEST_PATH_IMAGE028
表示
Figure 329850DEST_PATH_IMAGE024
中的元素的总数。
6.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，所述通信模块包括4G通信网络或5G通信网络。
7.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，所述环境参数包括温度、色度、浊度、PH值和电导率。
8.根据权利要求7所述的一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，其特征在于，所述判断存储模块中存储的环境参数是否符合预警条件，包括：
判断存储模块中存储的环境参数是否超出设定的数值范围，若是，则表示存储模块中存储的环境参数符合预警条件，若否，则表示存储模块中存储的环境参数不符合预警条件。
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