一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法

摘要

本发明涉及一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法。其技术方案是：首先在待测水环境区域内均匀地部署n个传感器节点，传感器节点均分别以无线多跳的方式与汇聚节点连接，汇集节点与网关无线连接，网关通过数据线与数据管理中心连接；在数据管理中心装有管理软件，管理软件包括水环境污染源的探测模块和定位模块；最后，数据管理中心的管理软件把收集到的传感器节点的数据代入水环境污染源的探测模块和定位模块即可探测到污染源并计算出污染源位置坐标。因此，本发明具有简便易行、准确度高、操作性强、成本低廉和短时高效等优点，为实际的水环境污染源的探测与定位应用提供了一种更加先进的方法。

主权项

一种基于无线传感网络的水环境污染源的探测方法，其特征在于所述探测方法是：第一步、部署无线传感网络在待测水环境区域内均匀地设有n个传感器节点，传感器节点的坐标点为p_i(x_i,y_i)(i＝1,2,3…,n；n≥3)，传感器节点均分别以无线多跳的方式与1个汇聚节点连接，汇聚节点与1个网关无线连接，网关通过数据线与数据管理中心连接；在数据管理中心装有管理软件，管理软件包括水环境污染源的探测模块和水环境污染源的定位模块；第二步、水环境污染源的探测设定水环境中的离子背景浓度为c_c和温差导致离子浓度波动的允许值为Δc，若n个传感器节点中的一个或多个传感器节点p_i(x_i,y_i)采集的离子浓度超过水环境中离子背景浓度c_c与所述允许值Δc之和时，则传感器节点采集的离子浓度为数据异常，数据管理中心发出报警信号，表明探测到水环境污染源在该传感器节点p_i(x_i,y_i)附近；第三步、水环境污染源的定位(1)在t＝0时，若数据异常的传感器节点的个数≥3，探测到的水环境污染物在待测的水环境区域内的位置为(x_s,y_s)，即为污染源，水环境污染源在扩散时为各向同性，则污染物在x、y轴方向上的扩散系数D_x＝D_y＝D，传感器节点p_i在t_k时刻采集的浓度值方程为：$C(x_i,y_i,t_k)=\frac{M}{4\pi t_{k}D}\exp \{-\frac{1}{4t_{k}D}[{(x_i-x_s)}^2+{(y_i-y_s)}^2\left]\right\}---\left(1\right)$式(1)中：M为污染物质量，选取同一传感器节点的两个不同时刻，列出二个方程，解出M值；(2)在实际采集中，取T时间内测l(l＝1,2,3,…,m)次，传感器节点p_i在T时间内采集的浓度平均值$\bar{C}i=\underset{j=1}{\overset{l}{\Sigma }}C(x_i,y_i{t}_k)/l---\left(2\right)$(3)由式(1)和式(2)，得：${(x_i-x_s)}^2+{(y_i-y_s)}^2=-4t_{k}D\ln \frac{M}{4\pi t_{k}D\bar{C}i}---\left(3\right)$(4)令$d_i=\sqrt{-4t_{k}D\ln \frac{M}{4\pi t_{k}D\bar{C}i}}$则：(x_i‑x_s)²+(y_i‑y_s)²＝d_i²    (4)式(4)中：i为污染源周围的节点数，i≥3，则：$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x_s)}^2+{(y_1-y_s)}^2={d_1}^2\\ .\\ .\\ .\\ {(x_n-x_s)}^2+{(y_n-y_s)}^2={d_n}^2\end{array}\right.---\left(5\right)$上式(5)中的第1，2，…，n‑1个方程分别减去第n个方程得：$\left\{\begin{array}{c}{x_1}^2-{x_n}^2-2(x_1-x_n)x_s+{y_1}^2-{y_n}^2-2(y_1-y_n)y_s={d_1}^2-{d_n}^2\\ .\\ .\\ .\\ {x_{n-1}}^2-{x_n}^2-2(x_{n-1}-x_n)x_s+{y_{n-1}}^2-{y_n}^2-2(y_{n-1}-y_n)y_s={d_{n-1}}^2-{d_n}^2\end{array}\right.---\left(6\right)$即得线性方程：AX＝b，其中：$A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_n)& 2(y_1-y_n)\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)\end{array}\right],$$b=\left[\begin{array}{c}{x_1}^2-{x_n}^2+{y_1}^2-{y_n}^2-{d_1}^2+{d_n}^2\\ .\\ .\\ .\\ {x_{n-1}}^2-{x_n}^2+{y_{n-1}}^2-{y_n}^2-{d_{n-1}}^2+{d_n}^2\end{array}\right],$$X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]$(5)解线性方程：AX＝b，得：X＝(A^TA)^‑1A^Tb    (7)向量X就是水环境污染源的坐标。