一种基于无线传感器网络的风沙监测系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】CN 103533673 A
书
明
说
i/ll 页
—种基于无线传感器网络的风沙监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及风沙监测系统【技术领域】，具体地，涉及一种基于无线传感器网络的风 沙监测系统。
【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 CUACEX
[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，使地面水平山、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侦牝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、选择ー个平坦地块，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ー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，在地面顺风向挖ー个槽，将装好封闭盖的集沙仪放入槽内，使其与地面垂直，集沙通道ロ朝向来流方向，最下面的集沙通道ロ与地表平齐，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ー个方向的输沙通量，采集的数据不准确。
[0017](5) —种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统(兰州大学、CN102681030A,2012-09-19)
[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。
[0021]综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在监测区域小、 数据采集精度低、灵活性差和成本高等缺陷。
【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IOW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η个输入学习样本a1; a2,夂&11,已知与其相对应的输出样本yu I2,…yq，学习的目的是用网络的实际输出C1, C2,…cq，与目标矢量yuy)…之间的误差来修改其权值，使ck(k=l, 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 ；
[0043]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:
[0044]
【权利要求】
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。
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，所述多个数据采集节点划分成分层网络拓扑结构。
3.根据权利要求2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IOW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。
4.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。
5.根据权利要求1-4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。
6.根据权利要求1-4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。
7.根据权利要求1-4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。
8.根据权利要求1-4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，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。
9.根据权利要求1-4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，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:
10.根据权利要求9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歩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參数，以获得描述精度较高的节点移动模型。
【文档编号】H04W84/18GK103533673SQ201310483292
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】杨裔, 慕富强, 张晓 , 王军涛, 徐茂文, 邓毓博, 李彩虹, 李廉 申请人:兰州大学, 上海易可智联信息科技有限责任公司