[發明專利]一種基于改進型壓縮感知湖泊水質監測系統

在審

• 申請號: 201710153342.0
• 申請日: 2017-03-15
• 公開（公告）號: CN106996968A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 顧相平;李翔;常波;陳宏明;戴峻峰;姜子杰;耿夫利
• 申請（專利權）人: 淮陰工學院
• 主分類號: G01N33/18
• 分類號: G01N33/18;H04W4/00
• 代理公司: 淮安市科文知識產權事務所32223
• 代理人: 李鋒

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡、信號處理、無線通信技術領域，具體涉及一種基于改進型壓縮感知湖泊水質監測系統。

背景技術

近年來，無線傳感器網絡在智慧水利、智慧環保、智慧醫療、智慧交通、智慧農業等行業的實時監測監控中發揮了巨大作用。在這些應用中，每個傳感器節點都會采集大量數據，比如溫度、濕度等，但單個傳感器節點能耗、存儲空間、帶寬等資源嚴重受限，而且傳感器節點需要頻繁傳輸采集的數據，這些因素對無線傳感器網絡的實際應用都帶來了嚴峻挑戰。另外，傳統的湖泊、人工養殖水環境、飲用水環境中監測水平參差不齊，監測設備多為有線設備，安裝部署不靈活，成本高，難以在遠程監測監控領域廣泛應用。

發明內容

本發明提供一種基于壓縮感知湖泊水質監測系統，目的在于解決現有水質監測系統安裝、有線部署困難，維護成本高、網絡能耗高等缺點，采用改進型壓縮感知技術、無線傳感器網絡、自組織網絡、無線通信技術，有效提升了環保相關部門的工作效率和管理水平。

本發明通過以下技術方案實現：

一種基于改進型壓縮感知湖泊水質監測系統，其特征在于：所述系統包括多個使用壓縮感知技術的傳感器節點所組成的多個監測點，監測點采集相應的參數值，通過ZigBee技術自組織網絡中的協調器完成數據重構，將重構的數據由網關通過Internet網絡發送至上位機監控中心，所述傳感器節點包括溫度節點、PH值節點、電導率節點以及溶解氧節點，傳感器節點用于采集湖泊水質環境信息，通過ZigBee網絡傳輸至網關。

本發明進一步技術改進方案是：

所述傳感器節點加入網絡后，ZigBee網絡中的傳感器節點開始采集水質信息，獲得傳感器節點數據，使用DFT算法對信號進行稀疏表示，然后對變換后的信號使用感知矩陣進行采樣，采樣后的信號與原始信號相比，大大降低了節點的存儲空間和傳輸能耗，最終將采樣后的信號通過樹狀路由傳輸給協調器，在協調器端通過ICS算法，重構原始信號，協調器將重構的信號發送給網關，由網關將數據通過Internet網絡發送給上位機監控中心，在上位機監控中心，通過Web服務可以實時查詢監測點的水質信息，若遇到水質信息超限等緊急情況，會發出報警信號及時通知相關工作人員采取應急措施。

本發明通過以下技術方案實現：

所述傳感器節點均設置有處理器模塊、Zigbee無線通信模塊以及電源模塊，電源模塊為傳感器節點、處理器模塊、Zigbee無線通信模塊提供工作電源，傳感器節點將采集的數據經過處理器模塊發送給Zigbee無線通信模塊。

本發明通過以下技術方案實現：

所述溫度節點采用半導體溫度傳感器AD590；PH值節點采用E-201型號的PH值傳感器；電導率節點采用DJS-1C型號電導率傳感器及其信號調理電路，處理器模塊采用CC2530的增強型8051微控制器，電源模塊采用AMS1117系列穩壓器；溶解氧節點采用RY952型號傳感器及其調理電路；所述網關采用 TD/SCDMA網關；所述上位機監控中心為PC終端機、或為手持移動終端。

本發明與現有技術相比，具有以下明顯優點：

一、本發明采用壓縮感知技術、無線傳感器網絡技術、無線通信技術，通過ZigBee技術自組織網絡，近距離收集水質參數：溫度、PH值、電導率、溶解氧等參數，而這些數據在收集、轉發的時候，充分考慮這些傳感器節點采集的參數在空間上的高度相關性和同一節點在某個時間序列中采集的某一參數時間上的高度相關性，去除這些數據冗余后再使用壓縮感知技術。

二、本發明采用壓縮感知的核心思想是將壓縮和采樣同時進行，首先采集信號的測量值，然后根據相應的重構算法由測量值重構原始信號。壓縮感知的優點是信號的測量值遠遠小于傳統采樣方法所獲得的數據量，突破了香農采樣定理的束縛，通過壓縮感知和去除數據時空相關性冗余之后再ZigBee網絡中采集、傳輸數據將大大降低單個節點的能耗并延長了整個網絡的壽命，ZigBee網絡中的數據最后在協調器中匯聚重構，并通過3G網關節點上傳至Internet網絡后傳輸至上位機監控中心，上位機監控中心可以是PC機或手機，完成湖泊水質低功耗數據采集和遠程監控的目的

附圖說明

圖1為本發明系統結構原理圖；

圖2為本發明溫度節點信號調理電路原理圖；

圖3為本發明PH值接口電路；

圖4為本發明電導率節點結構框圖；

圖5為本發明溶解氧節點信號調理電路；

圖6為本發明CC2530模塊接口電路原理圖；

圖7為本發明電源模塊原理圖；