农田土壤重金属污染智能预警系统的制作方法

本发明涉及农田重金属污染防治技术领域，具体涉及农田土壤重金属污染智能预警系统。

背景技术：

目前，农田土壤重金属污染的管理手段仍十分落后，管理工作主要是依靠人工为主，管理模式往往都是采用临时抽查或巡查的方式进行，管理成本高、效率低、管理到位难，管理手段迫切需要从“人工巡查式”方式向“基于信息技术支撑”的管理方式转变。由于缺乏基于现代信息技术的农田土壤重金属污染决策系统做支撑，难以综合考虑多方面因素以及时对某一区域的农田土壤重金属污染状况进行预警。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供农田土壤重金属污染智能预警系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了农田土壤重金属污染智能预警系统，包括：

数据获取装置，被配置为获取农田土壤重金属浓度数据；

数据预处理模块，被配置为对获取的农田土壤重金属浓度数据进行预处理，并发送至数据管理模块处进行存储；

数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；

分析模块，被配置为将农田土壤重金属浓度数据与设定的浓度阈值进行比较并输出比较结果；

预警模块，被配置为接收所述比较结果，并在农田土壤重金属浓度数据大于设定的浓度阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

优选地，所述数据获取装置包括：

汇聚节点和多个采集农田土壤重金属浓度数据的传感器节点，汇聚节点与数据预处理模块通信，多个传感器节点通过节点竞选确定簇首并分簇，簇内的传感器节点将采集的农田土壤重金属浓度数据传送至对应的簇首，簇首将接收的农田土壤重金属浓度数据通过多跳路由的方式传输至汇聚节点。

优选地，所述数据管理模块包括：

元数据管理子模块，被配置为元数据的添加、删除和更新；

数据融合子模块，被配置为对相关数据进行融合处理；

数据查询子模块，被配置为根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；

所述相关数据包括所述农田土壤重金属浓度数据、所述元数据。

本发明的有益效果为：可实现农田土壤重金属污染的风险评估和预警，解决了现有技术中存在的智能化水平低、成本高、效率低等问题；可以对海量的农田土壤重金属浓度数据进行融合和统一管理，解决了农田土壤重金属浓度数据零散分布、共享程度低、难以实时查询和高效汇总等问题，能够显著提高农田土壤重金属污染的管理精度。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的农田土壤重金属污染智能预警系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的数据预处理模块的结构示意框图。

附图标记：

数据获取装置1、数据预处理模块2、数据管理模块3、分析模块4、预警模块5、异常数据处理单元10、缺失数据处理单元20。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了农田土壤重金属污染智能预警系统，包括：

数据获取装置1，被配置为获取农田土壤重金属浓度数据；

数据预处理模块2，被配置为对获取的农田土壤重金属浓度数据进行预处理，并发送至数据管理模块3处进行存储；

数据管理模块3，被配置为对存储的数据进行管理；

分析模块4，被配置为将农田土壤重金属浓度数据与设定的浓度阈值进行比较并输出比较结果；

预警模块5，被配置为接收所述比较结果，并在农田土壤重金属浓度数据大于设定的浓度阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

其中，所述数据获取装置1包括：

汇聚节点和多个采集农田土壤重金属浓度数据的传感器节点，汇聚节点与数据预处理模块2通信，多个传感器节点通过节点竞选确定簇首并分簇，簇内的传感器节点将采集的农田土壤重金属浓度数据传送至对应的簇首，簇首将接收的农田土壤重金属浓度数据通过多跳路由的方式传输至汇聚节点。

在一种可能实现的方式中，所述数据管理模块3包括：

元数据管理子模块，被配置为元数据的添加、删除和更新；

数据融合子模块，被配置为对相关数据进行融合处理；

数据查询子模块，被配置为根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；

所述相关数据包括所述农田土壤重金属浓度数据、所述元数据。

在一个实施例中，如图2所示，数据预处理模块2包括异常数据处理单元10和缺失数据处理单元20，异常数据处理单元10被配置为对获取的农田土壤重金属浓度数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理；缺失数据处理单元20被配置为对农田土壤重金属浓度数据进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。

本发明上述实施例可实现农田土壤重金属污染的风险评估和预警，解决了现有技术中存在的智能化水平低、成本高、效率低等问题；可以对海量的农田土壤重金属浓度数据进行融合和统一管理，解决了农田土壤重金属浓度数据零散分布、共享程度低、难以实时查询和高效汇总等问题，能够显著提高农田土壤重金属污染的管理精度。

在一种能够实现的方式中，在数据传输阶段，簇首选择簇内的一个传感器节点作为中转站节点；簇内的其余传感器节点与中转站节点之间的距离更近时，将采集的农田土壤重金属浓度数据发送至中转站节点，当与簇首的距离更近时，将采集的农田土壤重金属浓度数据发送至该簇首；当中转站节点接收到的农田土壤重金属浓度数据量达到其最大缓存时，中转站节点将接收的农田土壤重金属浓度数据转发至簇首。

在一种可选的方式中，传感器节点通过节点竞选选出簇首，包括：

(1)网络初始时，汇聚节点收集网络中各传感器节点的节点度和能量信息，根据收集的信息确定用于节点竞选的相关信息并广播至各传感器节点；

(2)汇聚节点广播选簇首消息，任意传感器节点i以概率vi随机地成为候选簇首；

(3)传感器节点i成为候选簇首时，向自己的一跳邻居节点发送入簇消息，该入簇消息包括传感器节点i的节点度；收到入簇消息的一跳邻居节点的节点度若不大于传感器节点i的节点度，则向传感器节点i回复确认加入消息，若大于传感器节点i的节点度，则向传感器节点i回复转让簇首消息；

(4)传感器节点i若收到所有一跳邻居节点的确认加入消息，则正式成为簇首；传感器节点i若在设定时间内收到转让簇首消息，则在发送了转让簇首消息的所有一跳邻居节点中选择节点度最大的作为正式簇首，并向自己的邻居节点广播簇首已转让消息，传感器节点i以及收到该簇首已转让消息的各邻居节点皆加入到该正式簇首。

其中，所述相关信息包括网络中传感器节点的最大节点度hmax、最小节点度hmin、节点度总和δh、网络中传感器节点的初始能量之和wδ(0)，按照下列公式计算vi：

式中，wi0为传感器节点i的初始能量，wi为传感器节点i的当前剩余能量，hi为传感器节点i的节点度，h为网络中的传感器节点个数；s1、s2为设定的权重系数。

传感器节点通过节点竞选选出簇首，本实施例给出了相应的簇首选择机制，该簇首选择机制首先通过概率选择的形式选出候选簇首，然后将候选簇首与其一跳邻居节点的节点度进行比较，始终选择节点度最大的传感器节点作为正式簇首。

本实施例设定了候选簇首的概率公式，在该概率公式中同时考虑了传感器节点的初始能量、剩余能量和节点度情况，有利于均衡传感器节点能耗，并使得本实施例的簇首选择机制具有更强的场景适应能力。

本实施例在建簇时尽可能选择节点度大的传感器节点充当簇首，有利于减少簇首数目，从而在整体上能够减少农田土壤重金属浓度数据收集的时间，降低农田土壤重金属浓度数据收集时延。

在一种能够实现的方式中，簇首选择簇内的一个传感器节点作为中转站节点，包括：

(1)按照下列公式计算簇内各传感器节点的选择概率，并确定其中的最大选择概率vmax和最小选择概率vmin：

式中，vab表示簇首a对应簇内传感器节点b的选择概率，uab为簇首a与所述传感器节点b的距离，ga为所述簇首a的簇半径，db为所述传感器节点b的通信距离，zb为所述传感器节点b的邻居节点数目，ha为簇首a对应簇的传感器节点数目，y1、y2为设定的权重系数；

(2)将簇内各传感器节点按照选择概率由大到小的顺序进行排序，从中将选择概率大于的传感器节点作为备选中转站节点，并归入备选中转站节点集合；

(3)簇首在备选中转站节点集合中选择一个当前剩余能量最大的备选中转站节点作为中转站节点。

如果没有中转站节点，簇内的传感器节点将不得不直接将农田土壤重金属浓度数据发送至簇首，这将因此较大的通信开销和拥塞。本实施例设定了中转站节点的选择机制，通过中转站节点的设置，一方面能够降低通信开销和拥塞，另一方面能够有效提高簇首汇总农田土壤重金属浓度数据的效率，并且能够分担簇首的负载，从而降低簇首的能耗。

本实施例根据选择概率进行备选中转站节点的确定，能够有效保障选择的中转站节点能够较大范围地覆盖簇内的传感器节点，从而保障一定的数据收集效率。

在一种能够实现的方式中，当中转站节点的运行时间达到设定的时间阈值t时，簇首判断中转站节点是否满足下列更新条件，如果是，簇首在备选中转站节点集合中重新选择一个当前剩余能量最大的备选中转站节点作为中转站节点，以代替之前的中转站节点：

式中，w2为中转站节点j的当前剩余能量，wc为备选中转站节点中第c个中转站节点的当前剩余能量，n为备选中转站节点中中转站节点的数目。

本实施例设定了中转站节点的更新策略，其中具体提出了基于能量的更新条件。通过对中转站节点进行定时监测，并在监测时判断中转站节点是否满足该更新条件，当是时进行中转站节点的更新，有助于使簇内传感器节点的能量消耗保持均衡。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。