[发明专利]一种基于改进型压缩感知湖泊水质监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络、信号处理、无线通信技术领域，具体涉及一种基于改进型压缩感知湖泊水质监测系统。

背景技术

近年来，无线传感器网络在智慧水利、智慧环保、智慧医疗、智慧交通、智慧农业等行业的实时监测监控中发挥了巨大作用。在这些应用中，每个传感器节点都会采集大量数据，比如温度、湿度等，但单个传感器节点能耗、存储空间、带宽等资源严重受限，而且传感器节点需要频繁传输采集的数据，这些因素对无线传感器网络的实际应用都带来了严峻挑战。另外，传统的湖泊、人工养殖水环境、饮用水环境中监测水平参差不齐，监测设备多为有线设备，安装部署不灵活，成本高，难以在远程监测监控领域广泛应用。

发明内容

本发明提供一种基于压缩感知湖泊水质监测系统，目的在于解决现有水质监测系统安装、有线部署困难，维护成本高、网络能耗高等缺点，采用改进型压缩感知技术、无线传感器网络、自组织网络、无线通信技术，有效提升了环保相关部门的工作效率和管理水平。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于改进型压缩感知湖泊水质监测系统，其特征在于：所述系统包括多个使用压缩感知技术的传感器节点所组成的多个监测点，监测点采集相应的参数值，通过ZigBee技术自组织网络中的协调器完成数据重构，将重构的数据由网关通过Internet网络发送至上位机监控中心，所述传感器节点包括温度节点、PH值节点、电导率节点以及溶解氧节点，传感器节点用于采集湖泊水质环境信息，通过ZigBee网络传输至网关。

本发明进一步技术改进方案是：

所述传感器节点加入网络后，ZigBee网络中的传感器节点开始采集水质信息，获得传感器节点数据，使用DFT算法对信号进行稀疏表示，然后对变换后的信号使用感知矩阵进行采样，采样后的信号与原始信号相比，大大降低了节点的存储空间和传输能耗，最终将采样后的信号通过树状路由传输给协调器，在协调器端通过ICS算法，重构原始信号，协调器将重构的信号发送给网关，由网关将数据通过Internet网络发送给上位机监控中心，在上位机监控中心，通过Web服务可以实时查询监测点的水质信息，若遇到水质信息超限等紧急情况，会发出报警信号及时通知相关工作人员采取应急措施。

本发明通过以下技术方案实现：

所述传感器节点均设置有处理器模块、Zigbee无线通信模块以及电源模块，电源模块为传感器节点、处理器模块、Zigbee无线通信模块提供工作电源，传感器节点将采集的数据经过处理器模块发送给Zigbee无线通信模块。

本发明通过以下技术方案实现：

所述温度节点采用半导体温度传感器AD590；PH值节点采用E-201型号的PH值传感器；电导率节点采用DJS-1C型号电导率传感器及其信号调理电路，处理器模块采用CC2530的增强型8051微控制器，电源模块采用AMS1117系列稳压器；溶解氧节点采用RY952型号传感器及其调理电路；所述网关采用 TD/SCDMA网关；所述上位机监控中心为PC终端机、或为手持移动终端。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本发明采用压缩感知技术、无线传感器网络技术、无线通信技术，通过ZigBee技术自组织网络，近距离收集水质参数：温度、PH值、电导率、溶解氧等参数，而这些数据在收集、转发的时候，充分考虑这些传感器节点采集的参数在空间上的高度相关性和同一节点在某个时间序列中采集的某一参数时间上的高度相关性，去除这些数据冗余后再使用压缩感知技术。

二、本发明采用压缩感知的核心思想是将压缩和采样同时进行，首先采集信号的测量值，然后根据相应的重构算法由测量值重构原始信号。压缩感知的优点是信号的测量值远远小于传统采样方法所获得的数据量，突破了香农采样定理的束缚，通过压缩感知和去除数据时空相关性冗余之后再ZigBee网络中采集、传输数据将大大降低单个节点的能耗并延长了整个网络的寿命，ZigBee网络中的数据最后在协调器中汇聚重构，并通过3G网关节点上传至Internet网络后传输至上位机监控中心，上位机监控中心可以是PC机或手机，完成湖泊水质低功耗数据采集和远程监控的目的

附图说明

图1为本发明系统结构原理图；

图2为本发明温度节点信号调理电路原理图；

图3为本发明PH值接口电路；

图4为本发明电导率节点结构框图；

图5为本发明溶解氧节点信号调理电路；

图6为本发明CC2530模块接口电路原理图；

图7为本发明电源模块原理图；