基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统，包括无线传感器网络、无线通信模块和远程监测控制系统，无线传感器网络包含数个传感器节点、汇聚节点；传感器节点设置有处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块，处理器模块分别与传感器模块、无线通讯模块和电源模块相连；汇聚节点通过无线通讯方式与传感器节点建立通讯连接，向传感器节点接收和发送数据，汇聚节点通过无线通信模块与远程监测控制系统建立连接，向远程监测控制系统接收和发送数据。本发明实现了对古建筑内外环境的自动监测，节省了人力、物力和财力资源的开销，古建筑内外采用无线方式传输减轻布线开销，也避免了线路老化损坏的问题。
【专利说明】 基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种环境保护系统，尤其涉及基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统。
【背景技术】
[0002]古建筑是我国历史文物中的重要组成部分，它们不但具有悠久的历史，而且以它独特的风格和传统，在世界建筑史上占有重要地位，有极高的艺术成就和科学价值。古建筑和其他一切历史文物一样，其价值就在于它是历史遗留下来的东西不可能再生、再建造，一经破坏就无法挽回。但古代建筑在历经岁月沧桑的保存过程中，由于人为和自然力的破坏，使得古建筑遭受损害、破坏甚至是毁灭。对于古建筑的防潮、防火、防震、防盗、防人为破坏等保护问题极其重要。虽然相关部门花费了很大力度对古建筑翻新重建，但是有些还是失败的。因此，对古建筑妥善保护并进行环境监测已是刻不容缓。
[0003]无线传感器网络作为物联网的关键技术之一引起了人们的广泛关注。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及通信技术，能够协作实时监测、感知和采集网络分布区域内监测对象的信息，并对数据进行处理后，传送给观察者。由于对古建筑的监测事件发生具有随机性，因此应该实时的监测古建筑自身及周边的环境，而面向实时监测的无线传感器网络可以很好的保证数据监测的实时性，以便及时的消除安全隐患，因而有广泛的应用前景。
[0004]传统的建筑物结构健康监测系统有许多缺陷，最主要的问题是传感器设备必须通过有线连接到数据采集控制中心，这就需要铺设大量的电缆而电缆的铺设不仅成本昂贵，还要耗费大量时间。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明旨在提出的一种便于工作人员实时监测古建筑结构健的无线传感器网络保护系统，能够有效的延长网络使用寿命。
[0006]技术方案:本发明所述的一种基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线通信模块和远程监测控制系统，无线传感器网络包含数个传感器节点、汇聚节点；传感器节点设置有处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块，处理器模块分别与传感器模块、无线通讯模块和电源模块相连；汇聚节点设有汇聚节点处理器模块、汇聚节点通讯模块和汇聚节点电源模块，汇聚节点处理器模块分别与汇聚节点通讯模块和汇聚节点电源模块相连；汇聚节点通过无线通讯方式与传感器节点建立通讯连接，向传感器节点接收和发送数据，汇聚节点通过无线通信模块与远程监测控制系统建立连接，向远程监测控制系统接收和发送数据。
[0007]所述无线传感器网络采用LEACH路由协议，以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，簇头节点对簇内传感器节点进行管理并且进行数据融合。
[0008]有益效果:本发明实现了对古建筑内外环境的自动监测，节省了人力、物力和财力资源的开销，古建筑内外采用无线方式传输减轻布线开销，也避免了线路老化损坏的问题。无线传感器节点的设计，实现对古建筑内外不同位置环境参数的全方位监测。传感器节点通过LEACH路由协议将监测的数据传送给汇聚节点，最后通过无线模块传送的Internet，远程监测系统可以通过Internet实时的监测古建筑内外环境，结构健康，并且对异常数据做出报警反应，以便及时采取措施减少不必要的损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明的结构框图；
[0010]图2是本发明中传感器的结构框图；
[0011]图3是本发明中LEACH路由协议过程图。
【具体实施方式】
[0012]如图1所示，一种基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统，包括无线传感器网络、无线通信模块和远程监测控制系统。分布在古建筑内外的各类传感器节点和汇聚节点组成无线传感器网络。如图2所示，传感器节点处设置有处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块，传感器节点处的处理器模块分别与传感器节点处的传感器模块、无线通讯模块和电源模块相连，控制其它各个模块工作。汇聚节点处也设置有汇聚节点处理器模块、汇聚节点通讯模块和汇聚节点电源模块，汇聚节点处理器模块分别与汇聚节点通讯模块和汇聚节点电源模块相连。本发明为了尽可能减少功耗，延长电池使用时间，无线传感器网络采用LEACH路由协议。
[0013]传感器节点包括安装在古建筑室内的温度传感器、湿度传感器、感光传感器、热敏传感器、控制人流量的感应器等，安装在古建筑外的防震、防盗传感器等，用于测量不同的环境系数。处理器模块是传感器节点处的核心模块，用于执行指令、对采样数据进行分析和处理。传感器模块分别与处理器模块、电源模块相连。用于采样古建筑内外环境数据，并将采样数据发送给处理器模块。
[0014]无线传感器网络采用LEACH路由协议，以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间。
[0015]如图3所示，所述簇头节点对簇内传感器节点进行管理并且要进行数据融合。LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以用回合的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段:簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。簇的建立过程可分成4个阶段:簇头节点的选择、簇头节点的广播、簇头节点的建立和调度机制的生成。
[0016]簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数和迄今为止每个节点已成为簇头节点的次数来决定。具体的选择办法是:每个传感器节点随机选择0-1之间的一个值。如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为簇头节点。
[0017]选定簇头节点后，通过广播告知整个网络。
[0018]网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立。
[0019]簇头节点采用TDMA方式为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点。
[0020]稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，这是一种较少通信业务量的合理工作模型。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一回合的簇重构，不断循环，每个簇采用不同的CDMA代码进行通信来减少其他簇内节点的干扰。
[0021]汇聚节点通过无线通信方式与传感器节点建立通讯连接，向传感器节点接收和发送数据，传感器节点通过无线通讯模块接收汇聚节点发送的控制命令，并将控制命令交由处理器模块分析和处理；传感器节点通过无线通讯模块将采样的环境参数，发送至汇聚节点传感器节点通过多跳中继方式将监测数据传输到汇聚节点。汇聚节点通过无线通信模块，连接到Internet网络与远程控制监测建立连接，向后方监控平台接收和发送数据。
[0022]远程监测控制系统，由PC机、古建筑环境参数库和报警系统构成，在PC机上安装有用C语言编写的监控程序。系统将远程采样的数据进行分析处理，以图形化界面显示出来，并且将数据进行备份，当刚获得的数据与库中数据进行对比出现异常时触发报警装置，提醒工作人员注意，以便采取必要的保护。
[0023]一个监测站负责多个监测区域的古建筑环境结构健康，每个监测区域安置一个汇聚节点，传感器节点将采集的数据通过LEACH路由协议将数据送达汇聚节点，汇聚节点通过简单的数据处理再将有效数据及时的通过无线通信模块远程的发送给Internet，远程监控中心便可以监测到所需要的数据，并随时观测环境变换。本发明能有效的克服传统结构健康监测系统的缺点，将无线传感器节点布置在建筑物的关键位置上，实时监测建筑物的结构健康状态，及早发现并定位建筑物损伤，减少不必要的人员经济损失。
【权利要求】
1.一种基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线通信模块和远程监测控制系统，无线传感器网络包含数个传感器节点、汇聚节点；传感器节点设置有处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块，处理器模块分别与传感器模块、无线通讯模块和电源模块相连；汇聚节点设有汇聚节点处理器模块、汇聚节点通讯模块和汇聚节点电源模块，汇聚节点处理器模块分别与汇聚节点通讯模块和汇聚节点电源模块相连；汇聚节点通过无线通讯方式与传感器节点建立通讯连接，向传感器节点接收和发送数据，汇聚节点通过无线通信模块与远程监测控制系统建立连接，向远程监测控制系统接收和发送数据。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的古建筑环境保护系统，其特征在于:所述无线传感器网络采用LEACH路由协议，以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，簇头节点对簇内传感器节点进行管理并且进行数据融合。
【文档编号】H04W84/18GK104299393SQ201410626345
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】李垣江, 卞建秀, 张迪民 申请人:江苏科技大学