一种基于无线传感器网络的风沙监测系统
阅读：376发布：2024-02-26
专利汇可以提供一种基于无线传感器网络的风沙监测系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于无线 传感器 网络的 风 沙监测系统，包括固定部署在监测区域内、用于采集所在 位置 风沙运动监测数据的多个 数据采集 节点 ，部署在监测区域内、能够对上传数据进行处理并上报的多个基站，放置在监测区域内、能在 风 力 作用下随机移动以机会网络的形式与数据采集节点或基站相遇、并在相遇时从数据采集节点下载数据或将下载所得数据上传至基站的多个通信节点，以及用于实时回收基站处理所得数据并进行处理的远端控制中心。本发明所述基于 无线传感器网络 的风沙监测系统，可以克服 现有技术 中监测区域小、数据采集 精度 低、灵活性差和成本高等 缺陷 ，以实现监测区域大、数据采集精度高、灵活性好和成本低的优点。，下面是一种基于无线传感器网络的风沙监测系统专利的具体信息内容。
1.一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，包括固定部署在监测区域内、用于采集所在位置风沙运动监测数据的多个数据采集节点，部署在监测区域内、能够对上传数据进行处理并上报的多个基站，放置在监测区域内、能在风力作用下随机移动以机会网络的形式与数据采集节点或基站相遇、并在相遇时从数据采集节点下载数据或将下载所得数据上传至基站的多个通信节点，以及用于实时回收基站处理所得数据并进行处理的远端控制中心，所述多个数据采集节点划分成分层网络拓扑结构，所述分层设置的网络拓扑结构中，包括多簇数据采集节点；
一簇数据采集节点内的多个数据采集节点，组成能够尽可能有效覆盖监测区域的环状结构，簇头节点近似位于环形所在圆环的圆心位置处；
多簇数据采集节点内的簇头节点，高出地面部署在顺风侧，位于整个网络拓扑结构的中间层，采用多晶10W太阳能电池板供电；中间层的簇头节点，不采集数据，只充当数据接收和转发的作用；簇头节点之间通信传输数据，经过多跳转发直至传送数据到就近基站，再由基站上报至远端控制中心；
多簇数据采集节点内除簇头节点外的其他节点，靠近地面部署，位于整个网络拓扑结构的最底层，采用2000mAh可充电锂电池供电；最底层的数据采集节点，用于采集数据，并将采集到的数据向簇头传送。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，所述多个通信节点之间，能够采用复制分发的模式进行数据转发：两个通信节点相遇时，相互交换自身携带数据，若数据重复则删除，若不相同则存储。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，在每个数据采集节点处，设置有用于阻止数据采集节点被风沙吹动和防止数据采集节点丢失的加固装置；
所述多个数据采集节点，分散式固定部署在监测区域内。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，在所述远端控制中心，设有能够结合基站上传的实时风沙运动监测数据对沙尘暴做预警和动态跟踪的沙尘暴预测模型；
所述远端控制中心，包括具有沙尘暴预测模型的计算机。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，每个数据采集节点，具体为近地面部署的传感器节点；和/或，每个基站，具体为具备计算能力和充足能力供应的大型节点。
6.根据权利要求1-2任一项所述的基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，所述基站对数据进行处理的操作，具体包括预处理、聚合和压缩。
7.根据权利要求1-2任一项中所述的基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，移动通信节点包括以下特点：
⑴节点移动模型的建立与修正
通信节点的运动，采用的启动条件为：
；
其中， 为节点与沙粒间的摩擦系数，m为节点质量，g为重力加速度值， 为节点受到的拖拽力：
；
其中， 为节点与沙粒间的摩擦系数，D为节点近似球形直径数值， 为形状校正值，为节点平均密度；此外，气体运动规律拟采用气固相耦合的Navier-Stokes方程描述；节点在拽力和重力作用下开始移动后，其运动方程可表述为：
；
在上述节点移动模型建立的基础上，通过实验与通信节点实际运动轨迹进行比对进一步修正节点移动模型，使之与实际情况更加吻合；
⑵节点最优分布策略，即确定基站与数据监测节点的数量和位置分布：
结合节点移动模型，参考通信节点的移动轨迹，寻找多个节点相遇高密度区域；该节点相遇高密度区域则是部署基站与监测节点的待选区域；
通过分析移动通信基站选址规划相关技术方法，建立适合节点分布选址模型；
结合上述两种方式，获得节点最优分布策略；
⑶节点通信策略
在基站与数据采集节点的广播周期及范围内，无论通信节点以何种方式运动，只要在与节点相遇时能相互感知信号便建立链接；
引入断点续传机制，避免数据传送过程中所造成的通信中断。
8.根据权利要求7所述的基于无线传感器网络的风沙监测系统，其特征在于，在步骤⑴中，所述通过实验与通信节点实际运动轨迹进行比对进一步修正节点移动模型的操作，具体包括：
设计带有GPS芯片的节点，将其放置于选定的风沙环境中，记录节点在一段时期内的移动轨迹，之后将计算机根据移动模型模拟出的节点运动轨迹与之对比，根据实验结果修正模型参数，以获得描述精度较高的节点移动模型。
一种基于无线传感器网络的风沙监测系统
技术领域
背景技术
[0002] 沙尘暴是由特殊的地理环境和气象条件所致的一种较为常见的自然现象，主要发生在沙漠及其临近的干旱与半干旱地区，世界范围内沙尘暴多发区位于中亚、北美、中非和澳大利亚。沙尘暴过程对生态系统的破坏力极强，它能够加速土地荒漠化，对大气环境造成严重的污染，使城市空气质量显著下降，对人类健康、城市交通、通讯和供电产生负面影响。由于其爆发的频繁性和危害的严重性，沙尘暴趋势预测的研究已经成为了国内外专家学者关注的热点和焦点。
[0003] 因此，深入认识风沙运动发生和发展的过程和规律，不仅有助于对荒漠化和风沙灾害进行更加客观、准确的预测和预报，而且也是风沙灾害工程防治措施科学、有效的基础。目前，许多国家和地区已经部署了各自的沙尘暴监测系统。包括亚洲风沙模型系统（Asian Dust Aerosol Model system，简称ADAM）、地中海区域大气系统（Mediterranean Dust Regional Atmospheric Model system，简称DREAM）和中国联合环境系统（Chinese Unified Atmospheric Chemistry Environment for Dust system，简称CUACE）。
[0004] 目前在国内除了通过遥感、航拍技术对荒漠化土地的现状、动态予以宏观跟踪监测外，还通过在荒漠地区设立观测设备，或人工携带设备深入荒漠地区等方式进行数据采集以实现近地观测。为风沙研究提供数据支撑，目前国内已经获得批准的风沙监测专利数量繁多，在此将部分典型的专利的基本特征和优缺点列举如下：
[0005] ⑴一种近地表不同风向风沙流输沙通量监测仪器（中国科学院新疆生态与地理研究所、CN201764999U、2011-03-16）
[0006] 该近地表不同风向风沙流输沙通量监测仪器，是由地上采沙装置为采沙器、风力驱动转向装置及地面保护环和地下储沙装置为固定外桶及集沙盒组成，其中采沙器是由叠加进沙通道、导沙通道、排气网、出沙口、挡沙槽、辅助挡沙板和采沙器口罩组成，进沙通道和导沙通道相互贯通，成45-60°夹角焊接在一起，排气网焊接在进沙通道后端两侧壁上；风力驱动转向装置是由旋转圆盘、支撑杆、尾翼、转轴、旋转轴承、固定环、固定螺丝组成，在旋转圆盘上开有槽，将采沙器中的出沙口对接固定在槽中，支撑杆焊接在旋转圆盘的圆心，旋转轴承、转轴与固定外桶内的支撑横杆采用螺母固定；集沙盒为扇柱形，通过顶部两侧的折边悬挂在支撑横杆上；地面保护环为圆锥台形，圆环的外沿焊接有向下的裙边，其侧面与水平面斜交。
[0007] 该近地表不同风向风沙流输沙通量监测仪器，具有随风转动、储沙空间大、对气流和地表扰动小等特点，可以收集不同风向的输沙的优点，但是近沙床面集沙效率较低，采集数据精度有限，况且设备位置需要通过人工方式选择固定，受到时间、场地和自然环境的限制，而且监测区域有限。
[0008] ⑵一种近地表风沙流长期监测方法（中国科学院新疆生态与地理研究所、CN101949763A、2011-01-19）
[0009] 该近地表风沙流长期监测方法，涉及装置由地上采沙装置为采沙器、风力驱动转向装置及地面保护环和地下储沙装置为固定外桶及集沙盒组成，其中采沙器是由叠加进沙通道、导沙通道、排气网、出沙口、挡沙槽、辅助挡沙板和采沙器口罩组成，风力驱动转向装置由旋转圆盘、支撑杆、尾翼、转轴、旋转轴承、固定环、固定螺丝组成，地面保护环由圆环和裙边组成，固定外桶由固定外桶和支撑横杆组成，具体操作按下列步骤进行：a、选择一个地形平坦地块，用铁锹挖一个略大于固定外桶直径的圆坑，坑深度稍大于固定外桶的高度，坑底部铺衬木板或砖，使地面水平；b、将固定外桶放于坑内，固定外桶的上沿与地表平齐，用罗盘定出“北”方向，旋转固定外桶，使任一相邻两支撑横杆之间的桶壁中线刻度对准正北方向，并在桶壁中线上用记号笔标出“N”，同样在其它的相邻两支撑横杆之间的桶壁中线上标出相应方位，再将挖出的土回填到桶外与坑壁之间的间隙，并踏实；c、将集沙盒分别放置于相邻支撑横杆之间，集沙盒的折边悬挂在两边的支撑横杆上，同时用记号笔在各集沙盒外壁上写上与桶壁上标示的方位；d、将采沙器中的进沙通道和导沙通道相互贯通，成45-60°夹角焊接在一起，排气网焊接在进沙通道后端两侧壁上，出沙口对接固定在旋转圆盘一侧的槽中，支撑杆焊接在旋转圆盘的圆心，旋转轴承、转轴与固定外桶内的支撑横杆采用螺母固定，固定环焊接在旋转轴承的外环上，调整旋转圆盘，使固定孔与固定环上的孔对准，用固定螺丝固定，尾翼的一端固定在支撑杆的上部，尾翼与采沙器分别处于支撑杆两侧，两者在同一竖直平面上，挡沙槽和辅助挡沙板固定在旋转圆盘底部的槽上，由四块挡沙片连接在一起，围成一个上大下小的楔形空间；e、防护圆环的外沿焊接有向下的裙边，其侧面与水平面斜交，将防护圆环套在固定外桶上沿外的土地上，上面铺撒一层自然地表土壤，近似恢复原始地表状态；f、采沙装置周围的沙面稳定一段时间后，将采沙器口罩从进沙通道上取下，记下当时的时刻，作为仪器开始工作时间，工作一段时间后，盖上采沙器口罩，记下当时时刻，为仪器暂停工作时间；松开固定螺丝，将旋转圆盘取出，并小心放在一边，按照次序拿出各集沙盒，将集沙盒内收集的沙物质倒入样品袋中，并在样品袋上写上集沙盒上标记的方位；样品逐个取完后，将固定外桶底部堆积的沙物质清理干净；g、按照标记的方位将各积沙盒放入相应的位置，再将旋转圆盘安装到原位，重新开始再次观测。采用该近地表风沙流长期监测方法，可以利用风力驱动采沙器转动，使进沙口始终正对风向，同一风向范围的输沙都能收集在同一个积沙盒中，还能够有效防止采沙器周围风蚀造成的观测数据失真，大的储沙空间能够保证长时间连续观测。该方法适合于野外无人看管条件下风沙流长期定点观测，可以减轻观测者的野外工作强度。
[0010] 该近地表风沙流长期监测方法，有效防止采沙器周围风蚀造成的观测数据失真，大的储沙空间能够保证长时间连续观测。但由于仪器放置在风沙环境中，其自身会对气流、风沙运动产生局部干扰，从而造成该区域的风沙流状况发生改变，进而影响数据采集精度；此外设备定点观测不灵活，受到时间、场地和自然环境的限制，所采集的数据具有一定的地域局限性。
[0011] ⑶一种近地表风沙流输沙自计监测方法（中国科学院新疆生态与地理研究所、CN101949762A、2011-01-19）
[0012] 该近地表风沙流输沙自计监测方法中所涉及装置为：采沙器、储沙称重装置、沙面保护装置以及供电装置和数据采集装置，具体操作按下列步骤进行：a、选择一个平坦地块，浇透水，将储沙称重装置埋于地表以下，采沙器安装在地表，并与储沙称重装置连接，沙面保护装置套接在采沙器周边地表上，太阳能供电装置和数据采集装置通过电缆线与固定在附近的采沙器和称重装置连接。b、采沙器随风转动，将捕获的沙物质收集导入到储沙称重装置中，由电子天平完成称量工作，太阳能供电装置为采沙器、储沙称重装置和数据采集装置提供工作电源，再由数据采集器将累积称重数据和时间，每隔一定时间间隔存储起来，直接用数据线导入电脑，或通过远程通讯系统实现远程数据传送，即可实现近地表风沙流输沙自计监测。在野外恶劣环境、无人看管条件下，可以实现风沙流全天候定点观测，连续观测时段长，可以极大减轻野外劳动强度。
[0013] 该近地表风沙流输沙自计监测方法，应用太阳能供电装置如果遇到持续的恶劣天气采集的结果将会受到影响；设备位置需要通过人工方式选择固定，受到时间、场地和自然环境的限制，所采集的数据具有一定的地域局限性；而且仪器放置在风沙环境中，其自身会对气流、风沙运动产生局部干扰，从而造成该区域的风沙流状况发生改变，进而影响数据采集精度。
[0014] ⑷一种风沙流输沙监测方法（中国科学院新疆生态与地理研究所、CN102768106A、2012-11-07）
[0015] 该风沙流输沙监测方法中涉及装置为梯形集沙仪，该集沙仪是由集沙通道、导沙通道、储沙盒、固定板、储沙盒封堵螺丝、封闭盖组成，具体操作按下列步骤进行：a、选择好风沙流输沙观测点，根据地表风向，在地面顺风向挖一个槽，将装好封闭盖的集沙仪放入槽内，使其与地面垂直，集沙通道口朝向来流方向，最下面的集沙通道口与地表平齐，回填土，取附近地表土撒于地表；b、去掉封闭盖，记下时间，开始风沙流观测，观测10分钟内，盖好封闭盖，记下时间；c、将集沙仪取出平放，用螺丝刀拧下最下面一个储沙盒底部的螺丝，用样品袋套在该储沙盒底部，将集沙仪竖起，使沙粒全部从储沙盒中转移到样品袋中，封好样品袋，标记上储沙盒的高度和采样时间，然后再拧上螺丝，顺次逐一取出各储沙盒内的集沙；d、再按步骤a布设集沙仪，进行再次观测。
[0016] 该风沙流输沙监测方法中的集沙仪，可以提高工作效率和降低劳动强度，适用区域广；但是该集沙仪器气流流通性差，测量的准确度低，而且此集沙器只能收集一个方向的输沙通量，采集的数据不准确。
[0018] 该风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，包括竖直平行配合设置的气象塔、热线支架、以及多个观测架，所述热线支架靠近气象塔设置，所述多个观测架对称分布在气象塔与热线支架形成区域的两侧；在所述气象塔上，配合安装有第一组测量用实验仪器；在热线支架上，配合安装有热线探头组件；在每个观测架上，配合安装有第二组测量用实验仪器。
[0019] 该风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，可以实现对高雷诺数壁湍流三维结构进行测量、对风沙流或沙尘暴流场特性进行测量、以及将湍流测量与沙尘输运测量同步，精确度较高；但是沙尘暴期间的风速脉动非常强，此时边界层中存在极强的湍流交换，需要传输的数据量巨大，对传输实验仪器要求特别高，况且支架固定不灵活，活动范围受限，而且气象塔及实验设备采集费用昂贵，不利于大规模铺设。
[0020] 当前近地风沙监测手段的不足在于：⑴设备位置需要通过人工方式选择固定，受到时间、场地和自然环境的限制，所采集的数据具有一定的地域局限性；⑵由于仪器放置在风沙环境中，其自身会对气流、风沙运动产生局部干扰，从而造成该区域的风沙流状况发生改变，进而影响数据采集精度。此外大量研究人员也在通过风洞模拟风沙宏观或微观的运动特征并进行研究，然而限于风洞气流场规律研究、相似性研究尚不完善，使得实验结果存在一定的局限性。
发明内容
[0022] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，以实现监测区域大、数据采集精度高、灵活性好和成本低的优点。
[0023] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，包括固定部署在监测区域内、用于采集所在位置风沙运动监测数据的多个数据采集节点，部署在监测区域内、能够对上传数据进行处理并上报的多个基站，放置在监测区域内、能在风力作用下随机移动以机会网络的形式与数据采集节点或基站相遇、并在相遇时从数据采集节点下载数据或将下载所得数据上传至基站的多个通信节点，以及用于实时回收基站处理所得数据并进行处理的远端控制中心。
[0024] 进一步地，所述多个数据采集节点划分成分层网络拓扑结构。
[0025] 进一步地，在所述分层设置的网络拓扑结构中，包括多簇数据采集节点；
[0026] 一簇数据采集节点内的多个数据采集节点，组成能够尽可能有效覆盖监测区域的环状结构，簇头节点近似位于环形所在圆环的圆心位置处；
[0027] 多簇数据采集节点内的簇头节点，高出地面部署在顺风侧，位于整个网络拓扑结构的中间层，采用多晶10W太阳能电池板供电；中间层的簇头节点，不采集数据，只充当数据接收和转发的作用；簇头节点之间通信传输数据，经过多跳转发直至传送数据到就近基站，再由基站上报至远端控制中心；
[0028] 多簇数据采集节点内除簇头节点外的其他节点，靠近地面部署，位于整个网络拓扑结构的最底层，采用2000mAh可充电锂电池供电；最底层的数据采集节点，用于采集数据，并将采集到的数据向簇头传送。
[0029] 进一步地，所述多个通信节点之间，能够采用复制分发的模式进行数据转发：两个通信节点相遇时，相互交换自身携带数据，若数据重复则删除，若不相同则存储。
[0030] 进一步地，在每个数据采集节点处，设置有用于阻止数据采集节点被风沙吹动和防止数据采集节点丢失的加固装置。
[0031] 进一步地，所述多个数据采集节点，分散式固定部署在监测区域内。
[0032] 进一步地，在所述远端控制中心，设有能够结合基站上传的实时风沙运动监测数据对沙尘暴做预警和动态跟踪的沙尘暴预测模型。
[0033] 这里，沙尘暴预测模型，具体可以是基于BP神经网络的沙尘暴预测模型。BP神经网络按其拓扑结构分，属于前向网络，但它采用的是反向传播的学习方法，故又称为反向传播神经网络(Back-Propagation Neural Network)，简称为BP网络。BP模型是一种多层感知器结构，由若干层神经元组成，除输入层和输出层外，包括一个或多个中间隐含层。一个具有3个输入和一个隐含层的BP网络模型结构如图3。
[0034] 在图3中，BP网络各层节点之间全部互相连接，同层节点之间不连接，每层节点的输出只影响下一层节点的输出。BP算法的主要思想是：对于n个输入学习样本a1,a2,…an，已知与其相对应的输出样本y1,y2,…yq，学习的目的是用网络的实际输出c1,c2,…cq,与目标矢量y1,y2,…yq之间的误差来修改其权值，使ck(k=1,2,…,q)与其期望的yk尽可能的接近。即：使网络输出层的误差达到最小，它是通过连续不断地在相对于误差函数斜率下降的方向上计算网络权值和阀值的变化而逐渐逼近目标的。每一次权值和偏差的变化都与网络误差的影响成正比，并以反向传播的方式传递到每一层。
[0035] 根据经验分析，年大风日数、年平均地温、年蒸发量、相对湿度与年沙尘暴日数有较好的相关性，可以把这四个因子作为年沙尘暴日数预测模型的输入因子，以年沙尘暴日数为输出因子。在实际BP模型应用中，对输入、输出的因子均经过标准化处理，以消除量纲的影响。
[0036] 进一步地，所述远端控制中心，包括具有沙尘暴预测模型的计算机。
[0037] 进一步地，每个数据采集节点，具体为近地面部署的传感器节点；和/或，每个基站，具体为具备计算能力和充足能力供应的大型节点。
[0038] 进一步地，所述基站对数据进行处理的操作，具体包括预处理、聚合和压缩。
[0039] 进一步地，移动通信节点包括以下特点：
[0040] ⑴节点移动模型的建立与修正
[0041] 通信节点的运动，采用的启动条件为：
[0042] ＦＤ＝μ·mg；
[0044]
[0045] 其中，u为节点与沙粒间的摩擦系数，D为节点近似球形直径数值，CD为形状校正值，ρg为节点平均密度；此外，气体运动规律拟采用气固相耦合的Navier-Stokes方程描述；节点在拽力和重力作用下开始移动后，其运动方程可表述为：
[0046]
[0047] 在上述节点移动模型建立的基础上，通过实验与通信节点实际运动轨迹进行比对进一步修正节点移动模型，使之与实际情况更加吻合；
[0048] ⑵节点最优分布策略，即确定基站与数据监测节点的数量和位置分布：
[0049] 结合节点移动模型，参考通信节点的移动轨迹，寻找多个节点相遇高密度区域；该节点相遇高密度区域则是部署基站与监测节点的待选区域；
[0050] 过分析移动通信基站选址规划相关技术方法，建立适合节点分布选址模型；
[0051] 结合上述两种方式，获得节点最优分布策略；
[0052] ⑶节点通信策略
[0054] 引入断点续传机制，避免数据传送过程中所造成的通信中断。
[0055] 进一步地，在步骤⑴中，所述通过实验与通信节点实际运动轨迹进行比对进一步修正节点移动模型的操作，具体包括：
[0056] 设计带有GPS芯片的节点，将其放置于选定的风沙环境中，记录节点在一段时期内的移动轨迹，之后将计算机根据移动模型模拟出的节点运动轨迹与之对比，根据实验结果修正模型参数，以获得描述精度较高的节点移动模型。
[0057] 本发明各实施例的基于无线传感器网络的风沙监测系统，由于包括固定部署在监测区域内、用于采集所在位置风沙运动监测数据的多个数据采集节点，部署在监测区域内、能够对上传数据进行处理并上报的多个基站，放置在监测区域内、能在风力作用下随机移动以机会网络的形式与数据采集节点或基站相遇、并在相遇时从数据采集节点下载数据或将下载所得数据上传至基站的多个通信节点，以及用于实时回收基站处理所得数据并进行处理的远端控制中心；可以采用无线传感器网络做到对沙尘暴的实时监测，对数据及时处理和分析，数据的传输快捷方便，并且适合大面积布网；网络布置也比较简单，对于一些难以接近的区域，可以采用飞机散播布网；从而可以克服现有技术中监测区域小、数据采集精度低、灵活性差和成本高的缺陷，以实现监测区域大、数据采集精度高、灵活性好和成本低的优点。
附图说明
[0060] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0061] 图1为本发明基于无线传感器网络的风沙监测系统中基于机会通信的无线传感器网络结构图；
[0062] 图2为本发明基于无线传感器网络的风沙监测系统中基于机会通信的无线传感器网络结构详图；
[0063] 图3为本发明基于无线传感器网络的风沙监测系统中沙尘暴预测模型的BP网络模型结构示意图。
具体实施方式
[0064] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0065] 为了弥补传统监测系统的缺陷，本发明采用新型的无线传感器网络对沙尘暴进行监测和跟踪。采用无线传感器网络可以做到对沙尘暴的实时监测，对数据可以及时处理和分析，数据的传输快捷方便，并且适合大面积布网。网络布置也比较简单，对于一些难以接近的区域可以采用飞机散播布网。为了阻止传感器节点被风沙吹动，本发明也可以采取一定的固定措施，防止节点丢失。节点可以实时采集一些大气和沙尘信息，比如：大气压强、温度、湿度、风速和沙土湿度等信息。各种信息数据经过预处理、聚合、压缩后传送到远端控制中心，在远端控制中心利用现存的沙尘暴预测模型结合实时数据对沙尘暴做预警和动态跟踪。
[0066] 根据本发明实施例，如图1和图2所示，提供了一种基于无线传感器网络的风沙监测系统，包括固定部署在监测区域内、用于采集所在位置风沙运动监测数据的多个数据采集节点，部署在监测区域内、能够对上传数据进行处理并上报的多个基站，放置在监测区域内、能在风力作用下随机移动以机会网络的形式与数据采集节点或基站相遇、并在相遇时从数据采集节点下载数据或将下载所得数据上传至基站的多个通信节点，以及用于实时回收基站处理所得数据并进行处理的远端控制中心。这里，基站对数据进行处理的操作，具体包括预处理、聚合和压缩。
[0067] 上述多个数据采集节点划分成分层网络拓扑结构。在分层设置的网络拓扑结构中，包括多簇数据采集节点；一簇数据采集节点内的多个数据采集节点，组成能够尽可能有效覆盖监测区域的环状结构，簇头节点近似位于环形所在圆环的圆心位置处；多簇数据采集节点内的簇头节点，高出地面部署在顺风侧，位于整个网络拓扑结构的中间层，采用多晶10W太阳能电池板供电；中间层的簇头节点，不采集数据，只充当数据接收和转发的作用；簇头节点之间通信传输数据，经过多跳转发直至传送数据到就近基站，再由基站上报至远端控制中心；多簇数据采集节点内除簇头节点外的其他节点，靠近地面部署，位于整个网络拓扑结构的最底层，采用2000mAh可充电锂电池供电；最底层的数据采集节点，用于采集数据，并将采集到的数据向簇头传送。
[0068] 上述多个通信节点之间，能够采用复制分发的模式进行数据转发：两个通信节点相遇时，相互交换自身携带数据，若数据重复则删除，若不相同则存储。在每个数据采集节点处，设置有用于阻止数据采集节点被风沙吹动和防止数据采集节点丢失的加固装置。多个数据采集节点，分散式固定部署在监测区域内。在远端控制中心，设有能够结合基站上传的实时风沙运动监测数据对沙尘暴做预警和动态跟踪的沙尘暴预测模型。远端控制中心，包括具有沙尘暴预测模型的计算机。每个数据采集节点，具体为近地面部署的传感器节点；和/或，每个基站，具体为具备计算能力和充足能力供应的大型节点。
[0069] 在上述实施例中，移动通信节点包括以下特点：
[0070] ⑴节点移动模型的建立与修正
[0071] 通信节点的运动，采用的启动条件为：
[0072] FD＝μ·ｍｇ；
[0073] 其中，μ为节点与沙粒间的摩擦系数，m为节点质量，g为重力加速度值，FD为节点受到的拖拽力：
[0074]
[0075] 其中，u为节点与沙粒间的摩擦系数，D为节点近似球形直径数值，CD为形状校正值，ρg为节点平均密度；此外，气体运动规律拟采用气固相耦合的Navier-Stokes方程描述；节点在拽力和重力作用下开始移动后，其运动方程可表述为：
[0076]
[0077] 在上述节点移动模型建立的基础上，通过实验与通信节点实际运动轨迹进行比对进一步修正节点移动模型，使之与实际情况更加吻合；
[0078] 在步骤⑴中，通过实验与通信节点实际运动轨迹进行比对进一步修正节点移动模型的操作，具体包括：
[0079] 设计带有GPS芯片的节点，将其放置于选定的风沙环境中，记录节点在一段时期内的移动轨迹，之后将计算机根据移动模型模拟出的节点运动轨迹与之对比，根据实验结果修正模型参数，以获得描述精度较高的节点移动模型。
[0080] ⑵节点最优分布策略，即确定基站与数据监测节点的数量和位置分布：
[0081] 结合节点移动模型，参考通信节点的移动轨迹，寻找多个节点相遇高密度区域；该节点相遇高密度区域则是部署基站与监测节点的待选区域；
[0082] 过分析移动通信基站选址规划相关技术方法，建立适合节点分布选址模型；
[0083] 结合上述两种方式，获得节点最优分布策略；
[0084] ⑶节点通信策略
[0085] 在基站与数据采集节点的广播周期及范围内，无论通信节点以何种方式运动，只要在与节点相遇时能相互感知信号便建立链接；
[0086] 引入断点续传机制，避免数据传送过程中所造成的通信中断。
[0087] 鉴于当前风沙近地监测方式存在监测区域受限、数据精度有限等问题，本实施例基于机会网络（Opportunistic Networks）的通信方式组建风沙无线传感器网络进行风沙运动的监测（参见图1）。即：在监测区域内固定部署若干个传感器节点，分别采集其所在位置的风沙运动相关数据，这些监测节点之间并不进行数据通信，而是在监测区域内放置若干可在风力作用下随机移动的通信节点，当这些通信节点以机会网络的形式与监测节点相遇时将监测数据下载，同样在以机会的形式与部署在监测区域内的基站（具备一定计算能力和充足能量供应的大型节点）相遇时将数据上传基站，最后将基站内数据回收。该基于无线传感器网络的风沙监测系统的优势在于：监测数据精确、监测区域灵活、网络健壮性强于传统WSN、成本低于传统WSN等。
[0088] 上述实施例的基于无线传感器网络的风沙监测系统，以节点高相遇概率、邻居快速发现、数据可靠传输为主要目标。采用传感器节点以基于机会通信的数据传输方式，利用通信节点实现数据由传感器节点转发至基站的风沙传感器网络组网技术，确保通信节点能以较高的概率与监测节点和基站相遇，并快速建立通信链路、有效传输数据，最后实现在风沙实验环境中进行系统验证及示范应用。但在在这过程中遇到的关键问题，主要包括通信节点移动模型建立问题、基站及监测节点的最优分布问题、节点的通信策略等，针对这些问题采取的解决方案：
[0089] ⑴节点移动模型
[0090] 在上述实施例中，通信节点的运动主要受风沙环境中风场规律影响，且节点分散独立，因而拟从风沙运动离散颗粒模型出发，推导节点在风场中的移动模型。地表层中沙粒的受力情况和作用力表达式已经清楚，只是不同的研究者采用的启动条件不同。这里，节点运动采用的启动条件为：
[0091] ＦＤ＝μ·ｍｇ；
[0092] 其中，FD为节点受到的拖拽力：
[0093]
[0094] 其中，u为节点与沙粒间的摩擦系数。此外，气体运动规律拟采用气固相耦合的Navier-Stokes方程描述。节点在拽力和重力作用下开始移动后，其运动方程可表述为：
[0095]
[0096] 在上述移动模型建立的基础上，拟与节点实际运动轨迹进行比对，以进一步修正模型，使之与实际情况更加吻合。实验方法拟定为：设计带有GPS芯片的节点，将其放置于选定的风沙环境中，记录节点在一段时期内的移动轨迹，之后将计算机根据移动模型模拟出的节点运动轨迹与之对比，根据实验结果修正模型参数，以获得描述精度较高的节点移动模型。
[0097] ⑵节点最优分布策略
[0098] 在上述实施例中，基站与监测节点（数据采集节点）的数量、位置分布的确定十分重要，是保证通信节点能有效相遇且网络成本可控的关键。从两个角度出发，首先结合节点移动模型，参考通信节点的移动轨迹，寻找多个节点相遇高密度区，这些区域则是部署基站与监测节点的待选区域；接着，通过分析移动通信基站选址规划相关技术方法，建立适合节点分布选址模型。最后将两种方式相结合，获得节点最优分布策略。
[0099] ⑶节点通信策略
[0100] 考虑到风沙环境中通信节点运动随机，在基站与监测节点的广播周期及范围后，其与通信节点能否有足够时间通信则取决于通信节点的运动速度。一种简单的方式是：无论通信节点以何种方式运动，只要在与节点相遇时能相互感知信号便建立链接。为了避免数据传送过程中因为节点移动等各种原因所造成的通信中断，引入断点续传机制。
[0101] 如图2所示，网络拓扑构建遵从分层网络结构规则，最底层布置数据采集节点（传感器节点），一个簇内的数据采集节点组成环形状，簇头节点近似位于环形所在圆环的圆心位置处，底层节点只发送数据给自己所在簇的簇头节点，簇头节点之间转发数据到基站，之后继续传送到终端数据处理中心（即远端控制中心）。最底层节点主要用于采集数据，并将采集到的数据向簇头传送，采集节点一般近地面布置，便于采集数据，电源采用容量较小的电池。位于同一个簇内的采集节点，可以人为布置成环状，做到尽可能有效覆盖监测区域。考虑到沙尘暴一般发生的单向性，簇头布置于采集节点的顺风侧，这样便于数据的采集和跟踪沙尘暴。簇头节点位于整个网络的中间层，不采集数据，只充当数据接收和转发的作用。由于簇头节点在网络中起着至关重要的作用，一般簇头节点的布置位置高出地表一定距离，以免被沙尘暴掩埋，同时采用多晶10W太阳能电池板供电，保证簇头节点能持久工作。
簇头节点之间通信传输数据，经过多跳转发直至传送数据到就近基站。
簇头节点之间通信传输数据，经过多跳转发直至传送数据到就近基站。
[0102] 此外，采用复制分发的模式在通信节点之间进行数据转发。两个通信节点相遇时相互交换自身携带数据，若数据重复则删除，若不相同则存储。通过这种方式确保监测节点所采集的数据有较高概率被转发至基站。最后，通过以上方式发送至基站的数据较为零散杂乱，由基站完成相应的数据处理。
[0103] 上述实施例的基于无线传感器网络的风沙监测系统，将具有广阔应用前景的WSN应用于风沙运动近地监测，并以基于机会通信的方式组建WSN，以实现在复杂多变的环境中进行数据传输的目标。该基于无线传感器网络的风沙监测系统，具有以下特点：
[0104] ⑴提出一种风沙运动近地监测技术：采用传感器节点作为数据采集设备，利用通信节点在基站与传感器节点之间随机相遇的机会建立通信并转发数据，最终实现数据由传感器节点传输至基站；
[0105] ⑵提出一种WSN组网模式：该模式与传统的WSN不同，网络中节点不存在端到端路径，节点间通过运动的方式形成相遇机会，完成数据的转发传输。
[0107] 表1：软硬件组成
[0108]
[0109] 硬件实现主要由监测节点（传感器节点）、基站、通信节点组成，其中监测节点和基站位置固定，通信节点移动方向主要受监测区域风场特征影响。硬件包括一个具有三十个传感器节点组成的网络环境和Linux、Windows软件开发平台以及高性能计算平台，以及基于X86平台的IBM16CPU集群系统、路由器及若干台PC。其中传感器节点中传输模块型号主要为crossbow公司的micaz和iris，OEM模块为iris M2110，传感器为MTS300，开发板（即开发平台）为MIB510和MIB520。
[0110] 软件方面，主要是机会网络下的远程环境监测系统（Opportunistic Networks Environment Monitoring System，ONEMS），应用高斯模型及后向定位方式进一步改进节点定位算法和策略。ONEMS是基于机会网络的环境监测系统，该系统用于采集风沙环境中的环境数据，并将数据发送到远端的服务器，并通过Internet向用户提供监测数据、监测位置以及路由路径的查询。其中数据的查询包括历史数据以及实时数据的查询，用户可以通过浏览器以一种所见即所得的方式方便地查看监测区域各个节点的实时数据和历史数据；由于本系统是基于Google Map地图开发的，因此用户可以通过该系统直观地观察到监测区域的节点分布情况，包括节点的经纬度及在监测区域中的相对位置。
[0111] 综上所述，本发明上述各实施例的基于无线传感器网络的风沙监测系统，提出基于机会网络（Opportunistic Networks）的通信方式组建风沙无线传感器网络进行风沙运动监测的基本思想。即：在监测区域内固定部署若干个传感器节点分别采集其所在位置的风沙运动相关数据，这些监测节点之间并不进行数据通信，而是在监测区域内放置若干可在风力作用下随机移动的通信节点，当这些通信节点以机会的形式与监测节点相遇时将监测数据下载，同样在以机会的形式与部署在监测区域内的基站（具备一定计算能力和充足能量供应的大型节点）相遇时将数据上传基站，最后将基站内数据回收。
[0112] 在上述实施例的基于无线传感器网络的风沙监测系统中，这种在风沙环境中采用基于机会通信的无线传感器网络进行监测的方法优势在于：
[0113] ⑴传感器节点可精确采集其所在区域的实地数据；
[0114] ⑵不受人工测量时的诸多限制，监测区域可动态调整；
[0115] ⑶与传统WSN相比成本大幅减小；
[0116] ⑷利用通信节点与监测节点和基站机会相遇的形式进行数据传输，不依赖传统WSN中需要诸多节点建立多跳的传输路径，网络抗毁性得到增强；
[0117] ⑸数据发送者与接受者完全解耦，节点也不需要维护任何路由信息即可实现机会组网并进行数据传输。
[0118] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 传输系统信息的方法及基站、终端和系统 | 2020-05-08 | 989 |
| 一种无线设备的生产检测方法及装置 | 2020-05-08 | 366 |
| 一种光伏供电的微波侦测森林防火警示宣传装置 | 2020-05-08 | 133 |
| 整体感测方法及系统 | 2020-05-11 | 424 |
| 一种停车交换厅 | 2020-05-11 | 981 |
| 一种用于鞋柜显示推广信息的方法及智能鞋柜 | 2020-05-08 | 115 |
| 主控电路板及显示装置 | 2020-05-08 | 472 |
| 基于蓝牙技术的购物车锁解锁方法 | 2020-05-08 | 266 |
| 一种应答式水下多目标定位跟踪方法 | 2020-05-11 | 844 |
| 一种用于广播电视信号检测装置用机箱 | 2020-05-08 | 235 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈