一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统

摘要

本发明涉及一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统，包括无线传感器网络节点，无线传感器网络汇聚节点，本地监控子中心，远程控制终端，手机终端。本发明提供了一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统,并且在网络自组织阶段自定义了一种无线传感器网络多级异构分簇路由协议,其设计合理,易于部署，智能化程度高,大规模应用时能够均衡无线传感器网络节点的能耗，能够准确、及时地反映大气污染状况并报警，监测区域内的无线传感器网络节点能够方便地进行自组网、可扩展性好，适合构建大规模的监测系统,适合推广应用。

主权项

一种基于无线传感器网络的大气污染监测方法，使用基于无线传感器网络的大气污染监测装置，所述装置包括如下：无线传感器网络节点，用于对大气污染参数指标进行采集；所述无线传感器网络节点通过多级异构分簇路由算法动态地产生普通成员节点、一级簇头节点及二级簇头节点，最终形成自组织网络；无线传感器网络汇聚节点，用于接收本地监测子区域内采集到的大气污染参数指标数据并能进行处理转发；所述无线传感器网络汇聚节点包括数据处理模块、无线通信模块以及电源模块三部分；本地监控子中心，用于与无线传感器网络汇聚节点双向通信并且运行大气污染监测系统管理软件，能够接收并分析监测数据；远程控制终端，用于远程访问、远程监控本地监控子中心并接收本地监控子中心发来的报警信号；手机终端，用于通过手机网络接收各本地监控子中心发来的报警消息；其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)、首先进行自组网其自组网过程为：由无线传感器网络汇聚节点根据各监测区域传感器节点的状态分配二级簇头,然后选举一级簇头；由二级簇头向本区域内节点发出广播message，message中初始跳数设为0，各节点接收到message后更新自身距二级簇头的跳数，由此可得到各个节点距离本地二级簇头的跳数h，同时也得到了最远节点距二级簇头的最远跳数h.max.；设节点i，其距二级簇头的跳数为hi；然后根据公式(1)确定单元内最优分簇个数：$n=\frac{\sqrt{N}}{\sqrt{2\pi }}\sqrt{\frac{{ϵ}_f}{{ϵ}_m}}\frac{M}{d^2}---\left(1\right)$其中，n为单元内最优分簇个数，N为单元内节点总数，M为分布区域的边长，d为单元内节点到第二级簇头的距离；ε_f代表自由空间传送方式下的信号放大倍数，为常数；ε_m代表多通路衰减方式下的信号放大倍数，为常数；(2)、选择候选簇头由于簇头分布的过密或过疏都不利于均衡节点的能量消耗，因此设置簇头平均间距，理想状态下，候选簇头的跳数应为平均间距的整数倍或接近整数倍；h.ave＝h.max/n    (2)然后选举簇头，根据公式(3)计算候选节点的门限值，并上报二级簇头；由二级簇头根据其门限值大小及跳数与平均间距的倍数关系确定本地一级簇头；$T=\frac{[W_1+W_2]P}{1-P\left[r\mathrm{mod}(1/p)\right]}---\left(3\right)$上式中，W₁为簇头间距调节因子，W₂为节点能量调节因子，r是当前轮数,p为簇头节点占所有传感器节点的百分比；然后一级簇头向网络中发送广播，宣布自己是新当选的簇头，并等待普通成员节点的加入；簇内普通节点根据所接收到的簇头信号的强弱选择所属的一级簇，发送请求消息，并等待相应的一级簇头为自己分配通信时隙；一级簇头节点给簇内成员节点分配时隙表，成员节点在各自的时隙内向簇头发送监测数据。至此，一级簇头选举完成并形成一级簇；(3)、以蚁群算法为基础，对启发因子η进行了改进，寻找一级簇头到二级簇头的最佳路径，形成簇头链至此，自组网过程完毕，进入稳定的数据传输阶段；(4)、普通成员节点采集数据，进行数据预处理，然后将数据发送给本簇一级簇头节点；一级簇头节点接收数据并解析，然后转发给二级簇头节点；二级簇头对一级簇头发送的数据进行汇聚和分析，并初步判断是否需要报警，并发送给无线传感器网络汇聚节点；无线传感器网络汇聚节点通过无线通信模块将数据上传给本地监测子中心；由本地监测子中心进行数据处理、分析后上传给远程监控中心，并决定是否需要报警；如果需要报警，则分别向远程监控中心及设定的手机终端报警。