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中国 发明 在审

【中文】一种污水监测用无线传感器网络
【EN】A kind of sewage monitoring wireless sensor network

申请(专利)号:CN201310616323.2国省代码:上海 31
申请(专利权)人:【中文】上海电气集团股份有限公司【EN】Shanghai Electrical Group Co., Ltd.
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摘要:
【中文】本发明公开了一种污水监测用无线传感器网络,包括多个污水参数监测系统、多个污水处理过程监测系统和远程服务器,污水参数监测系统是由若干个采集传感器节点和一个采集汇集节点所组成的一个无线传感器网络,每个污水处理过程监测系统包括一个现场服务器,以及若干个与现场服务器进行通信的上行传感器网络,和若干个与现场服务器进行通信的下行传感器网络;上行传感器网络是由若干个监测传感器节点和一个监测汇聚节点组成的一个无线传感器网络,下行传感器网络是由若干个执行传感器节点和一个执行汇聚节点组成的一个无线传感器网络;每个污水处理过程监测系统的现场服务器都与远程服务器,以及至少一个污水参数监测系统的采集汇聚节点进行通信。
【EN】Paragraph:The invention discloses a kind of sewage monitoring wireless sensor network, including multiple wastewater parameters monitoring systems, multiple sewage disposal process monitoring systems and remote server, wastewater parameters monitoring system collects the wireless sensor network constituted by node by several collection sensor nodes and a collection, each sewage disposal process monitoring system includes a presence server, and several upstream sensor networks for being communicated with presence server, and several downstream sensor networks for being communicated with presence server;The wireless sensor network that upstream sensor network is made up of several monitoring sensor nodes and a monitoring aggregation node, downstream sensor network perform the wireless sensor network that aggregation node is constituted by several execution sensor nodes and one;The presence server of each sewage disposal process monitoring system and remote server, and the collection aggregation node of at least one wastewater parameters monitoring system communicated.

主权项:
【中文】一种污水监测用无线传感器网络,包括多个污水参数监测系统、多个污水处理过程监测系统和远程服务器,其特征在于:所述污水参数监测系统是由若干个采集传感器节点和一个采集汇集节点所组成的一个无线传感器网络,用于对污水的理化参数进行监测;所述污水处理过程监测系统包括一个现场服务器,以及若干个与所述现场服务器进行通信的上行传感器网络,和若干个与所述现场服务器进行通信的下行传感器网络;所述上行传感器网络是由若干个监测传感器节点和一个监测汇聚节点组成的一个无线传感器网络,用于对污水处理设备的运行参数进行监测;所述下行传感器网络是由若干个执行传感器节点和一个执行汇聚节点组成的一个无线传感器网络,用于对污水处理设备的运行参数进行调节和设置;每个所述污水处理过程监测系统的现场服务器都与至少一个污水参数监测系统的采集汇聚节点,以及所述远程服务器进行通信。【EN】1. it is a kind of sewage monitoring wireless sensor network, including multiple wastewater parameters monitoring systems, many Individual sewage disposal process monitoring system and remote server, it is characterised in that: The wastewater parameters monitoring system is collected by several collection sensor nodes and a collection The wireless sensor network constituted by node, for being monitored to the physical and chemical parameter of sewage; The sewage disposal process monitoring system includes a presence server, and several with it is described The upstream sensor network communicated by presence server, and several are carried out with the presence server The downstream sensor network of communication; The upstream sensor network is to converge section by several monitoring sensor nodes and a monitoring One wireless sensor network of point composition, for supervising to the operational factor of sewage disposal device Survey; The downstream sensor network is to be performed to converge section by several execution sensor nodes and one One wireless sensor network of point composition, for being adjusted to the operational factor of sewage disposal device And setting; The presence server of each sewage disposal process monitoring system is joined with least one sewage The collection aggregation node of monitoring system is counted, and the remote server is communicated.


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说明书

一种污水监测用无线传感器网络

技术领域

本发明涉及环保领域的一种污水监测用无线传感器网络。

背景技术

水域环境监测是环境保护的基础,其目的是为环境保护提供科学决策

的依据。当河流、湖泊等突发水环境污染事故时,现有常规手段无法实现

迅速、准确、动态地监测与预报,以致难以快速、恰当地做出决策,采用

无线传感器技术和无线传感器网络及时发现环境事故,进而制定紧急对策

是水域环境监测的发展方向。

无线传感器网络是继因特网之后,将对21世纪人类生活方式产生重

大影响的IT热点技术。无线传感器网络是由大量低成本、低功耗的具有

传感、计算与通信能力的无线传感器节点构成的自治网络系统,能根据环

境自主完成各种监测任务。目前,无线传感器网络在环境监测领域已得到

越来越多的应用,如跟踪候鸟和昆虫的迁移、监测生物的栖息地环境、研

究环境变化对农作物的影响、森林火灾预警、监测大气和土壤的成分等。

目前,国内外在无线传感器网络研究方面有了一定的学术积累和研究

成果,但仍然存在较多的问题,距离实用化仍有一定差距。而在污水监测

用无线传感器网络中,更是有诸多问题需要解决:1)污水监测用无线传

感器网络的网络架构;2)污水监测用无线传感器网络的自组网技术;3)

具有自组网功能的无线传感器网络节点;4)污水监测用无线传感器网络

的时间同步与定位。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种污水监测用无线

传感器网络,其可以减少收发数据时的时钟偏差,节省能量、提高定位精

度、缩短节点的网络延时。

实现上述目的的一种技术方案是:一种污水监测用无线传感器网络,

包括多个污水参数监测系统、多个污水处理过程监测系统和远程服务器,

所述污水参数监测系统是由若干个采集传感器节点和一个采集汇集

节点所组成的一个无线传感器网络,用于对污水的理化参数进行监测;

所述污水处理过程监测系统包括一个现场服务器,以及若干个与所述

现场服务器进行通信的上行传感器网络,和若干个与所述现场服务器进行

通信的下行传感器网络;

所述上行传感器网络是由若干个监测传感器节点和一个监测汇聚节

点组成的一个无线传感器网络,用于对污水处理设备的运行参数进行监

测;

所述下行传感器网络是由若干个执行传感器节点和一个执行汇聚节

点组成的一个无线传感器网络,用于对污水处理设备的运行参数进行调节

和设置;

每个所述污水处理过程监测系统的现场服务器都与至少一个污水参

数监测系统的采集汇聚节点,以及所述远程服务器进行通信。

进一步的,所述采集传感器节点、监测传感器节点和所述执行传感器

节点均包括依次连接的传感器,信号调理电路、A/D转换器、微处理器和

射频模块以及连接所述微处理器的电源管理模块。

再进一步的,所述微处理器和所述射频模块通过CC2430芯片集成。

再进一步的,所述采集传感器节点、监测传感器节点和所述执行传感

器节点上均设有太阳能后备电源模块。

再进一步的,所述采集传感器节点上的传感器选自温度传感器、PH值

传感器、折射率传感器、电导率传感器、溶解氧含量传感器。

进一步的,该污水监测用无线传感器网络的MAC协议采用的是

802.15.4标准。

进一步的,该污水监测用无线传感器网络的路由协议采用面向QoS的

Cluster-Tree自适应路由协议。

进一步的,该污水监测用无线传感器网络的节点定位采用了带置信度

的两步定位算法。

进一步的,该污水监测用无线传感器网络的采用基于簇状网络结构的

TPSN时间同步算法。

采用了本发明的一种污水监测用无线传感器网络的技术方案,包括

多个污水参数监测系统、多个污水处理过程监测系统和远程服务器,所述

污水参数监测系统是由若干个采集传感器节点和一个采集汇集节点所组

成的一个无线传感器网络,用于对污水的理化参数进行监测;所述污水处

理过程监测系统包括一个现场服务器,以及若干个与所述现场服务器进行

通信的上行传感器网络,和若干个与所述现场服务器进行通信的下行传感

器网络;所述上行传感器网络是由若干个监测传感器节点和一个监测汇聚

节点组成的一个无线传感器网络,用于对污水处理设备的运行参数进行监

测;所述下行传感器网络是由若干个执行传感器节点和一个执行汇聚节点

组成的一个无线传感器网络,用于对污水处理设备的运行参数进行调节和

设置;每个所述污水处理过程监测系统的现场服务器都与至少一个污水参

数监测系统的采集汇聚节点,以及所述远程服务器进行通信。其技术效果

是:其可以减少收发数据时的时钟偏差,节省能量、提高定位精度、缩短

节点的网络延时。

附图说明

图1为本发明的一种污水监测用无线传感器网络的结构示意图。

图2为本发明的一种污水监测用无线传感器网络的采集传感器节点的

结构示意图。

图3为本发明的一种污水监测用无线传感器网络的监测传感器节点的

结构示意图。

图4为本发明的一种污水监测用无线传感器网络的执行传感器节点的

结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1,本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行

理解,下面通过具体地实施例,并结合附图进行详细地说明:

本发明的一种污水监测用无线传感器网络包括多个污水参数监测系

统1和多个污水处理过程监测系统2。本发明的一种污水监测用无线传感

器网络采用zigBee网络的原因在于ZigBee技术是最新推出的低速率、低

功耗无线传感器通信技术,特别适合长期无人值守场合,因此污水参数监

测系统1和污水处理过程监测系统2均建立以ZigBee为核心的分层结构。

每个污水参数监测系统1是由若干个采集传感器节点11和一个采集

汇集节点12所组成的一个无线传感器网络,用于对污水的各项理化参数

进行监测。

每个污水处理过程监测系统2包括一个现场服务器23,以及与现场服

务器23进行通信的若干个上行传感器网络21,和与现场服务器23进行通

信的若干个下行传感器网络22。其中上行传感器网络21是由若干个监测

传感器节点211和一个监测汇聚节点212组成的无线传感器网络,用于对

污水处理设备的运行参数进行监测。下行传感器网络22是由若干个执行

传感器节点221和一个执行汇聚节点222组成的无线传感器网络,用于对

污水处理设备的运行参数进行调节和设置,比如控制现场格栅除污机、刮

砂机、压榨机、潜水搅拌器执行机构等。每个污水处理过程监测系统2的

现场服务器23都与至少一个污水参数监测系统1的采集汇聚节点12进行

通信。每个污水处理过程监测系统2的现场服务器23也都与远程服务器3

进行通信。

其中采集传感器节点11、执行传感器节点221和监测传感器节点211、

均位于现场参数监测层、采集汇聚节点12、监测汇聚节点212、执行汇聚

节点222和现场服务器23均位于汇聚节点层,远程服务器3位于远程监

控服务器层。

污水参数监测系统1位于每个进水口和出水口附近的一个子区域,采

集传感器节点11为基础的无线传感器网络,通过采集汇聚节点12进行数

据传输给现场服务器23,形成基于采集汇聚节点12,即簇的分层结构。

基于簇的分层结构具有天然的分布式处理能力,簇头,即采集汇聚节

点12是分布式处理中心,每个簇成员,即采集传感器节点11都把监测的

原始数据,或经简单处理的原始数据传给采集汇聚节点12,采集汇聚节点

12将数据融合后传输至现场服务器23或者远程服务器3。

通过ZigBee无线技术或者WLAN技术,在每个进水口或者出水口的污

水监测参数,均通过采集传感器节点11上的ZigBee模块直接传送到对应

的采集汇聚节点12,对应的采集汇聚节点12将处理后的数据通过WLAN模

块或者CDMA模块传送到现场服务器23和远程服务器3。

采集传感器节点11主要用于监测污水的下列理化参数,PH值、化学

需氧量、氨-氮含量、总磷含量、溶解氧含量等。

采集传感器节点11包括:依次连接的参数采集传感器11a,第一信号

调理电路11b、第一A/D转换器11c、第一微处理器11d和第一射频模块

11e,以及连接第一微处理器11d的第一电源管理模块11f。采集传感器

11a可为温度传感器、PH值传感器、折射率传感器、电导率传感器、溶解

氧含量传感器等。

采集传感器节点11发射功率为0~3.6dbm,通信距离为30~70米,

经过功率放大,通信距离可达1000米左右。采集传感器节点11具有能量

监测和链路质量指示功能,根据这些监测结果,可自动调整节点的发射功

率,在保证通信链路质量的条件下,最大限度地减少能耗。其中第一微处

理器11d与第一射频模块11e均集成CC2430芯片上,该芯片是针对WSN

应用中Zigbee协议的芯片,CC2430芯片上整合了ZigBee射频、内存功

能。

为了进一步突破采集传感器节点11室外供电的限制,第一电源管理

模块11f采用干电池供电的同时,还集成了太阳能后备电源模块(图中未

显示),可采用太阳能后备电源给采集传感器节点11供给能源。

同样,污水处理过程监测系统2中的监测传感器节点211监测污水处

理设备的运行参数进行监测,并将数据通过监测汇聚节点212传递给现场

服务器23,并将处理结果通过执行汇聚节点222传递给对应的执行传感器

节点221,使远程服务器3获取相关子区域污水参数和现场控制过程,对

污水参数数据和处理过程数据进行处理和分析,监测水质状况的变化,实

现对现场的有效控制和管理,并对污染等突发事件和环境急剧变化所影响

的水环境状况实时报警;远程服务器3通过Internet实现对污水全天候

的实时监测。

监测传感器节点211包括:依次连接的监测传感器211a,第二信号调

理电路211b、第二A/D转换器211c、第二微处理器211d、第二射频模块

211e,以及连接第二微处理器211d的第二电源管理模块211f。

执行传感器节点221包括:依次连接的执行传感器221a,第三信号调

理电路221b、第三A/D转换器221c、第三微处理器221d、第三射频模块

221e,以及连接第三微处理器221d和第三一电源管理模块221f。

监测传感器节点211和执行传感器节点221也采用了和采集传感器节

点11同样的设计。

采集传感器节点11、监测传感器节点211和执行传感器节点221设计

成一个微型嵌入式系统,构成无线传感器网络的基础层支持平台,并兼顾

传感终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要

进行数据的转发、存储、管理和融合等处理并与其它无线传感器协同完成

任务。

采集汇聚节点11、监测汇聚节点212和执行汇聚节点222:提供无线

传感器的数据接入功能,具有协调功能以降低采集传感器节点11、监测传

感器节点211和执行传感器节点231的能量消耗;具有将采集传感器节点

11、监测传感器节点211和执行传感器节点221数据转发到远程服务器3,

转发来自专远程服务器3的控制数据到对应采集传感器节点11、监测传感

器节点211和执行传感器节点221,实现与远程服务器3的交互信息。

本发明的一种污水监测用无线传感器网络中,MAC协议采用了

802.15.4标准,其目的在于:通过在超帧结构中引入动态调度机制,让出

采集传感器节点11、监测传感器节点211、执行传感器节点221、采集汇

聚节点12、监测汇聚节点212、执行汇聚节点222在发送出的数据帧中根

据累积情况搭载信道预留请求,并据此请求实施动态调度,可以使得MAC

协议具有良好的负载自适应性,即当负载较低时,使用时隙CSMA/CA算

法控制信道访问,当负载升高时,协议自动切换到基于调度的信道访问方

式,从而有效地避免了较高负载下使用竞争机制时高冲突概率造成的协议

性能下降,提升了高负载下的协议性能。

本发明的一种污水监测用无线传感器网络中,路由协议采用面向QoS

的Cluster-Tree自适应路由协议,选择基于代价树的路由拓扑,在两种

情况下选择不同的代价函数建立路由树,不同的代价函数给能耗、时延和

链路质量等评价指标以不同的权重,根据应用场景的需求进行自适应地切

换,Cluster-Tree路由在代价树失效的情况下可自动切换到树型路由,省

略路由发现、路由建立、路由维护等过程,为无线网络的路由提供了双重

保证机制。

本发明的一种污水监测用无线传感器网络中,节点,包括现场服务器

3、采集传感器节点11,采集汇聚节点12、监测传感器节点211,监测汇

聚节点212、执行汇聚节点221和执行传感器节点222的定位采用了带置

信度的两步定位算法,即DV-Hop定位的位置粗估计及置信度上升的迭代

计算精确定位。先采用DV-Hop进行未知节点的位置粗估计:未知节点计

算到信标的最小跳数,再依据已知信标间的最小跳数,粗略估计每跳对应

的距离,从而计算目标到信标的距离,再采用三边算法计算粗略位置的坐

标,并赋予该值一初始置信度。在所有节点粗估计出自身位置后,根据TOA

技术测量节点与信标及其它节点的间距,再以数个邻居未知点、信标点坐

标及数个邻居未知点与本节点的距离作为输入,从信标周边节点发起迭代

计算过程进行精确定位,再次采用三边算法计算、更新自身坐标,并调高

节点位置置信度。随后再采用该节点新的高置信度坐标值更新网内其它节

点的坐标,多次迭代最后完成所有节点的精确定位。

本发明的一种污水监测用无线传感器网络中时间同步采用基于簇状

网络结构的TPSN时间同步算法,该算法可分为两个阶段,即分级与同步

阶段。分级在网络拓扑形成时进行。初始时,除根节点,即现场服务器3

外,所有其它节点的级别值均为无穷大,由根节点广播一个包含发送者级

别信息的数据包,其中根节点级别为0,发起分级过程。根节点的邻居节

点收到该数据包后进行计算和比较,如果自己的级别值大于数据包中包含

的级别值,则将自己的级别设置为发送者,即根节点的级别值+1,更新数

据包中的级别信息值后,继续广播该数据包;否则丢弃该数据包。每个节

点,包括根节点都按照上述方法进行处理,最终整个网络中的所有节点都

获得一个适当的级别值,从而得到了所有节点之间的逻辑层次关系。分级

阶段完成后,即进入同步阶段。同步阶段中,节点间周期性地进行双向通

信,每级节点分别与其上级节点交换信息,从而实现与其上级节点的时间

同步,最后全网所有节点时间均同步到网络根节点。在污水监测用无线传

感器网络中,节点数目较大,为了减小同步的开销,通过使...

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图1
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