一种城市水体监测节点物联网络及其自组织方法与流程
本申请涉及应用于环保监测的物联网技术领域，尤其涉及一种城市水体监测节点物联网络及其自组织方法。
背景技术：
水质监测，是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、ph值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等；另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。为客观的评价江河和海洋水质的状况，除上述监测项目外，有时需进行流速和流量的测定。
传统的水质监测，是在监测水体区域内预先人为设定好一定数量的监测点，然后将节点设备部署在各个监测点。但是，这些监测点的位置未必达到最优化，比如有可能出现有两个监测点的监测数据趋于一致，那说明这两个监测点的设置有所雷同，存在冗余；监测点分布不合理还容易发生监测盲区；另外，污染物等在水体中的分布也是随时动态变化的，可能在当前时间内水体监测点的设置是最优的，过了一段时间随着水体水质分布的变化就不能达到最优化的了，再次出现了监测点的冗余以及监测的盲区。因此，现有技术中的水质监测，监测点不能根据污染物等在水体中的动态分布进行自主调节。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请的目的在于提出一种城市水体监测节点物联网络及其自组织方法，来解决现有技术中的水质监测的监测点的分布不容易最优化，容易存在监测点冗余或者监测盲区，同时不能根据污染物等在水体中的分布对监测点的分布自主动态调整，使得采集到的水质监测数据不准确、无法全面和实时反映水体水质状况的技术问题。
基于上述目的，在本申请的第一个方面，提出了一种城市水体监测节点物联网络，包括：水务云平台，与所述水务云平台通信连接的多个物联网基站，以及，基于物联网通信协议与每个所述的物联网基站通信连接的多个可移动物联网节点设备；
所述可移动物联网节点设备可移动地分布在城市水体内，所述可移动物联网节点设备上集成有多种传感器，用于采集其当前所在区域内水体的水体指标，并将所述水体指标上传至对应的物联网基站；
所述物联网基站用于接收与其对应的多个所述可移动物联网节点设备上传的水体指标，生成水体指标集，并将所述水体指标集上传至所述水务云平台；
所述水务云平台根据所述物联网基站上传的水体指标集确定对应物联网基站所在区域的水环境和汛情；以及用于通过分析所述水体指标集向所述可移动物联网节点设备下达移动指示。
在一些实施例中，所述可移动物联网节点设备，还用于：
与其他可移动物联网节点设备进行数据传输，将自身采集到的水体指标发送至所述其他可移动物联网节点设备。
在一些实施例中，所述可移动物联网节点设备，包括：
水体监测单元、物联网通信单元和运动控制单元；
所述水体监测单元上集成有多种传感器，用于采集不同类型的水体指标；
所述物联网通信单元用于向对应的物联网基站上传水体指标，或者向其他可移动物联网节点设备发送水体指标；
所述运动控制单元用于控制所述可移动物联网节点设备在水体内移动。
在一些实施例中，所述可移动物联网节点设备上集成的传感器包括水质传感器、温度传感器和流速传感器；
所述水质传感器用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水质数据，所述温度传感器用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水温数据，所述流速传感器用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水流速度。
在一些实施例中，所述运动控制单元，包括：
控制器，以及与所述控制器连接的动力螺旋桨和方向调节机构。
在一些实施例中，所述控制器用于：
根据所述流速传感器采集到的所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水流速度控制所述动力螺旋桨和方向调节机构，使所述可移动物联网节点设备在水体区域内移动。
在一些实施例中，所述可移动物联网节点设备，还包括：
gps定位单元，用于对所述可移动物联网节点设备的当前位置进行定位。
在一些实施例中，所述可移动物联网节点设备，还包括：
浮力板，用于连接和固定所述水体监测单元、所述物联网通信单元、所述运动控制单元和所述gps定位单元。
基于上述目的，在本申请的第二个方面，还提出了一种城市水体监测节点的自组织方法，包括：
在第一预设时间段内，按照预设频率获取分布在水体内的各可移动物联网节点设备采集到的水体指标；
对于多个可移动物联网节点设备中的每一个，计算该可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备之间的同质性，确定同质性指标；
确定每个可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备之间的同质性指标的均值；进而计算水体内全部可移动物联网节点设备同质性指标的总平均值；
若存在同质性指标的总平均值大于预设阈值，则从多个可移动物联网节点设备节点对中按照预设条件选取作为调节对象的可移动物联网节点设备节点对，选取作为调节对象的可移动物联网节点设备节点对中的一个可移动物联网节点设备，按照随机方向或者预定方向移动预设距离；
重复上述过程，直到同质性指标的总平均值不大于预设阈值。
在一些实施例中，所述对于多个可移动物联网节点设备中的每一个，计算该可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备之间的同质性，确定同质性指标，包括：
对于多个可移动物联网节点设备中的每一个计算该可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备采集到的水质数据、水温数据或水流速度数据的均方差值，并根据计算得到的均方差值确定与该均方差值成反比关系的同质性指标。
本申请实施例提供一种城市水体监测节点物联网络及其自组织方法，其中物联网络包括：水务云平台，与所述水务云平台通信连接的多个物联网基站，以及，基于物联网通信协议与每个所述的物联网基站通信连接的多个可移动物联网节点设备；所述可移动物联网节点设备可移动地分布在城市水体内，所述可移动物联网节点设备上集成有多种传感器，用于采集其当前所在区域内水体的水体指标，并将所述水体指标上传至对应的物联网基站；所述物联网基站用于接收与其对应的多个所述可移动物联网节点设备上传的水体指标，生成水体指标集，并将所述水体指标集上传至所述水务云平台；所述水务云平台根据所述物联网基站上传的水体指标集确定对应物联网基站所在区域的水环境和汛情；以及用于通过分析所述水体指标集向所述可移动物联网节点设备下达移动指示。本申请实施例的城市水体监测节点物联网络及其自组织方法，能够合理分布可移动物联网节点设备，同时能够根据水体指标的变化对可移动物联网节点设备的监测位置进行动态的自主调整，使得采集到的水质监测数据更加全面和准确，避免监测位置冗余或出现盲区。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请实施例一的城市水体监测节点物联网络的结构示意图；
图2是本申请实施例一的城市水体监测节点物联网络的可移动物联网节点设备的功能结构示意图；
图3是本申请实施例一的城市水体监测节点物联网络的可移动物联网节点设备的组成结构示意图；
图4是本申请实施例二的城市水体监测节点的自组织方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
具体地，如图1所示，是本申请实施例一的城市水体监测节点物联网络的结构示意图。本实施例的城市水体监测节点物联网络，可以包括：
水务云平台101，与所述水务云平台基于物联网通信协议通信连接的多个物联网基站102(如图中所示的物联网基站1、物联网基站2……物联网基站n等)，以及，基于物联网通信协议与每个所述的物联网基站102通信连接的多个可移动物联网节点设备103(如图中所示的可移动物联网节点设备11、可移动物联网节点设备12……可移动物联网节点设备1n等)。其中，用符号nn表示可移动物联网节点设备在整个城市水体监测节点物联网络中的编号，其中第一个n表示其对应的物联网基站的编号，第二个n表示与同一个物联网基站通信连接的可移动物联网节点设备的编号。例如可移动物联网节点设备31，则对应为编号为3的物联网基站，并在与该物联网基站102通信连接的可移动物联网节点设备中的编号为1。本实施例中的编号只是为了便于对可移动物联网节点设备103进行区分，不应当被理解为对可移动物联网节点设备103的限定。在实际应用过程中，物联网基站102的数量可以根据实际需要确定。
在本实施例中，所述可移动物联网节点设备103可移动地分布在城市水体内，例如分布在河流、湖泊内，也可以根据需要分布在岸边。所述可移动物联网节点设备103上集成有多种传感器，用于采集其当前所在区域内水体的水体指标，并将所述水体指标上传至对应的物联网基站102。所述可移动物联网节点设备103具有自主驱动的移动部件，其是可移动的，从而可以动态地随时自主调整到不同的位置；当所述可移动物联网节点设备103位于不同位置时，可以采集其当前所在区域内水体的水体指标，所述水体指标例如可以是水质、水温和水流速度等。具体地，所述可移动物联网节点设备103上可以集成有多种传感器，不同类型的传感器用于采集不同类型的水体指标，上述的多种传感器例如可以包括水质传感器、温度传感器和流速传感器，所述水质传感器用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水质数据，所述温度传感器用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水温数据，所述流速传感器用于采集所述可移动物联网节点设备103所在的水体区域内的水流速度。当所述可移动物联网节点设备103采集到其当前所在区域内水体的水体指标时后，将采集到的水体指标上传至其对应的物联网基站102。
所述物联网基站102用于接收与其对应的多个所述可移动物联网节点设备103上传的水体指标，生成水体指标集，并将所述水体指标集上传至所述水务云平台。
在本实施例中，所述物联网基站102可以是按照物联网基站允许的信号覆盖区域设置的，即每个所述的物联网基站102都有一定的覆盖区域，多个物联网基站102共同覆盖当前城市的水体区域。与所述物联网基站102对应的可移动物联网节点设备103分布在物联网基站102的信号覆盖范围内。当可移动物联网节点设备103从一个物联网基站102的覆盖范围移动至另一个物联网基站102的覆盖范围，则需要进行基站间切换，即可移动物联网节点设备103搜索获得新的物联网基站，与新的覆盖范围的物联网基站102关联，成为新的物联网基站102对应的节点设备，并且与原物联网基站102解除关联。所述物联网基站102用于接收与其对应的多个所述可移动物联网节点设备103上传的水体指标，并对与其对应的多个可移动物联网节点设备103上传的水体指标进行汇总和统计，生成水体指标集，并将所述水体指标集上传至所述水务云平台101。
所述水务云平台101根据所述物联网基站102上传的水体指标集确定对应物联网基站102所在区域的水环境和汛情。即所述水务云平台101根据所述物联网基站102上传的水体指标集确定每个物联网基站102的信号覆盖区域内的水环境和汛情，进而可以通过合并全部物联网基站102上传的水体指标集而获得整个水体区域的水环境和汛情分布。例如可以根据水质和水温确定水环境，根据水流速度确定汛情。水务云平台101具有可以将水体区域的水环境和汛情分布以表格或地理信息地图的方式可视化，并且发送给水体监测部门工作人员的计算机或者移动终端进行显示；以及当水体指标集当中的指标超出正常范围的情况下向水体监测部门工作人员的计算机或者移动终端发送报警消息，进行自动报警。
本申请实施例的城市水体监测节点物联网络能够合理分布可移动物联网节点设备，同时能够根据水体指标的变化对可移动物联网节点设备的监测位置进行动态的自主调整，使得采集到的水质监测数据更加准确。
此外，作为本申请的一个可选实施例，所述可移动物联网节点设备103，还用于：与其他可移动物联网节点设备103进行数据传输，将自身采集到的水体指标发送至所述其他可移动物联网节点设备。由于通常情况下，物联网基站102的信号能够共同覆盖当前城市的水体，但是也存在一些特殊情况，例如城市的水体为湖泊时，由于湖泊面积较大，湖中心又不便于设置物联网基站102，其他物联网基站102的信号可能不能够覆盖湖中心部分区域，则位于湖中心位置处的可移动物联网节点设备103不能与物联网基站102进行通信，进而不能将自身采集到水体指标上传至物联网基站102。此时，位于湖中心位置处的可移动物联网节点设备103可以将其采集到的水体指标发送至与其临近的其他可移动物联网节点设备103，并由与其临近的其他可移动物联网节点设备103，将其采集到的水体指标上传至物联网基站102，从而使得采集到的水体指标更加全面。具体来说，当任一个可移动物联网节点设备103在水体监测过程中或者是自主移动过程中与原物联网基站102断开通信，同时也无法搜索到其它可以建立通信连接的物联网基站的情况下，则该可移动物联网节点设备103转而搜索其它可移动物联网节点设备103；当搜索到一个或者多个其它可移动物联网节点设备103，则该与基站断开连接的可移动物联网节点设备103与搜索到的可移动物联网节点设备103当中的一个(通常为信号强度最佳的一个)建立点对点通信连接，进而该与基站断开连接的可移动物联网节点设备103将自身的水体指标上传给建立点对点通信连接的可移动物联网节点设备103，由其中转给对应的物联网基站102。
如图2所示，是本申请实施例一的城市水体监测节点物联网络的可移动物联网节点设备的功能结构示意图。图3是本申请实施例一的城市水体监测节点物联网络的可移动物联网节点设备的组成结构示意图。在本实施例中，所述可移动物联网节点设备103，包括：
水体监测单元1031、物联网通信单元1032、运动控制单元1033和gps定位单元1034。
其中，所述水体监测单元1031上集成有多种传感器，用于采集不同类型的水体指标。具体地，所述可移动物联网节点设备103上集成的传感器包括水质传感器10311、温度传感器10312和流速传感器10313；所述水质传感器10311用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水质数据，所述温度传感器10312用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水温数据，所述流速传感器10313用于采集所述可移动物联网节点设备所在的水体区域内的水流速度。
所述物联网通信单元1032用于向对应的物联网基站102上传水体指标，或者向其他可移动物联网节点设备发送水体指标。在本实施例中，所述物联网通信单元1032包括通信天线10321，所述通信天线10321用于接收物联网信号。
所述运动控制单元1033用于控制所述可移动物联网节点设备在水体内移动。具体地，所述运动控制单元1033，包括控制器10332，以及与所述控制器10332连接的动力螺旋桨10331和方向调节机构10333。所述动力螺旋桨10331用于为所述可移动物联网节点设备103在水体中的移动提供动力，所述方向调节机构10333用于控制所述可移动物联网节点设备103在水体中的移动方向，所述控制器10332用于对所述动力螺旋桨10331和所述方向调节机构10333进行控制。更具体地，所述控制器10332用于根据所述流速传感器10313采集到的所述可移动物联网节点设备103所在的水体区域内的水流速度控制所述动力螺旋桨10331和所述方向调节机构10333，使所述可移动物联网节点设备103在水体区域内移动。并且，所述控制器10332通过物联网通信单元1032接收水务云平台101下达移动指令，根据移动指令指示的方向和距离进行移动。
所述gps定位单元1034，用于对所述可移动物联网节点设备的当前位置进行定位。在确定了所述可移动物联网节点设备的当前位置后，可以将所述可移动物联网节点设备采集到的水体指标与其位置对应起开，进而确定水体指标对应的水体中的区域。所述当前位置的坐标会与所述水体指标绑定并共同上传。
此外，在本实施例中，所述可移动物联网节点设备130还可以包括：浮力板，用于连接和固定所述水体监测单元1031、所述物联网通信单元1032、所述运动控制单元1033和所述gps定位单元1034。该浮力板可以设置为船形，有利于可移动物联网节点设备130的自主移动。
本申请实施例的城市水体监测节点物联网络能够合理分布可移动物联网节点设备，同时能够根据水体指标的变化对可移动物联网节点设备的监测位置进行动态的自主调整，使得采集到的水质监测数据更加准确。
如图4所示，是本申请实施例二的城市水体监测节点的自组织方法的流程图。本实施例的城市水体监测节点的自组织方法，可以包括以下步骤：
s401：在第一预设时间段内，按照预设频率获取分布在水体内的各可移动物联网节点设备采集到的水体指标。
例如，在10分钟内按照每分钟一次的频率获取分布在水体内的各可移动物联网节点设备采集到的水体指标，则10分钟内共可以获取10次所有可移动物联网节点设备采集到的水体指标，所述可移动物联网节点设备采集到的水体指标可以是直接上传至与其对应的物联网基站，也可以是通过其他可移动物联网节点设备上传至与其对应的物联网基站，再通过各物联网基站上传至水务云平台。
s402：对于多个可移动物联网节点设备中的每一个，计算该可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备的水体指标之间的同质性，确定同质性指标。
在本实施例中，对于每个可移动物联网节点设备，计算该可移动物联网节点设备采集到的水体指标与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备当中的每一个所采集到的水体指标之间的同质性指标，从而确定节点两两之间的同质性。具体地，对于任一个可移动物联网节点设备，计算该可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备当中的每一个二者每次采集到的水质数据、水温数据或水流速度数据的均方差值，并根据计算得到的均方差值确定与该均方差值成反比关系的同质性指标。
例如，假设对于水体中的第i个可移动物联网节点设备，确定距离其最近的m个可移动物联网节点设备，则该第i个可移动物联网节点设备与m个可移动物联网节点设备当中第j个可移动物联网节点设备(j的取值为1至m)的水体指标的同质性指标q(i，j)为：
其中lt(i)和lt(j)分别表示在第一预设时间段的第t次采样获得的水体指标，lt(i)和lt(j)的类型是水质数据、水温数据和水流速度数据中的任意一种；t表示该第一预设时间段内全部的采样次数，仍以第一预设时间段10分钟每分钟采样一次为例，则t＝10；αt是与第t次采样对应的调整系数，αt的取值范围可以是0.8-1.2，显然取值小于1时会减小第t次采样在同质性指标计算当中的影响，大于1时会增大第t次采样的影响；其中，每当可移动物联网节点设备进行了自组织位置调整后，在第一预设时间段内重新开始采样时，则随着t的增大，αt的取值也随之从0.8逐步增大至1.2；因为可移动物联网节点设备的位置调整难免造成其周边水体波动，造成指标测量误差偏大，故而在前若干次采样时降低调节系数αt的取值；待周边水体稳定后则趋于增大αt的取值，具体该调整系数在每次采样时的取值可以由经验确定。
s403：确定每个可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备之间的同质性指标的均值；进而计算水体内全部可移动物联网节点设备同质性指标的总平均值。
在确定了该可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备之间的同质性指标后，可以计算每个可移动物联网节点设备与距其距离最近的预设数值个的可移动物联网节点设备之间的同质性指标的均值。如上文所述，对第i个可移动物联网节点设备来说，该节点i距其距离最近的可移动物联网节点设备两两之间的同质性指标共有m个，则该节点i的同质性指标的均值表示为：
进而，假设水体内的节点共n个，则该水体内全部可移动物联网节点设备同质性指标的总平均值：
s404：若水体内全部可移动物联网节点设备同质性指标的总平均值大于预设阈值，则从多个可移动物联网节点设备节点对中按照预设条件选取作为调节对象的可移动物联网节点设备节点对，选取作为调节对象的可移动物联网节点设备节点对中的一个可移动物联网节点设备，按照随机方向或者预定方向移动预设距离。具体来说，在水体内全部可移动物联网节点设备同质性指标的总平均值
然后重复上述过程s401-s404，再次计算水体内全部可移动物联网节点设备同质性指标的总平均值
其中，上述步骤s401-s404可以由所述水务云平台101执行，并且根据执行的结果，水务云平台101向每次需要调整位置的可移动物联网节点设备103下达所述移动指令，以控制该可移动物联网节点设备103根据指示的方向和距离进行位置调节。
例如，假设水体中共有100个可移动物联网节点设备，对于其中一个可移动物联网节点设备(以下简称节点设备)a，确定与其距离最近的m个节点设备，m的值可以人为设定，例如选取距离a最近的3个节点设备b、c、d。然后根据在10分钟内每次相同采样时刻所采集的数据，分别计算ab、ac、ad之间的同质性指标，如果同质性指标越大则说明二者同质性越高，即两者不仅彼此距离较近，而且采集到的水质数据、水温数据或者水流速度数据也比较接近，这样的数据重复度高，反映节点设置位置存在冗余，不利于对水质和汛情的了解。这样，遍历所有的100个节点设备，确定每个节点设备与其距离最近的3个节点设备的3个同质性指标，然后计算每个节点的3个同质性指标的平均值，作为该节点相关的同质性指标的平均值；再统计全部100节点设备的同质性指标的均值。如果全部节点设备平均同质性指标值大于阈值，则说明当前节点设备的分布整体上不合理，监测结果趋同，如果出现这种情况，那么选取同质性指标值最大的j对节点设备，例如设定每次调整4个节点，则利用前面的计算结果，选取4对同质性指标值最大的节点，例如ac，ed、fg、hi。然后驱动每对节点设备当中一个节点设备—例如c、d、g、i—沿着随机方向或者预设方向移动预定距离；之后在下一个预设时间段内重新计算所有节点设备与其距离最近的3个节点设备的同质性指标，直至计算全体节点同质性指标的平均值。如果全体节点平均同质性指标值仍然大于阈值，则再次选取同质性指标最大的j对节点设备，再次驱动每对节点设备当中一个节点设备沿着随机方向或者预定方向移动预定距离，并在此计算节点设备移动后的每个节点设备与其距离最近的3个节点设备的同质性指标，然后计算同质性指标的平均值……如此反复迭代，直至同质性指标的平均值低于预定阈值，此时，节点设备的分布较为合理，监测结果存在差异最大化。
本申请实施例的城市水体监测节点的自组织方法，能够合理分布可移动物联网节点设备，同时能够根据水体指标的变化对可移动物联网节点设备的监测位置进行动态的自主调整，使得采集到的水质监测数据更加准确。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
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