本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信號處理、無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于改進型壓縮感知湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧水利、智慧環(huán)保、智慧醫(yī)療、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)等行業(yè)的實時監(jiān)測監(jiān)控中發(fā)揮了巨大作用。在這些應(yīng)用中，每個傳感器節(jié)點都會采集大量數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度等，但單個傳感器節(jié)點能耗、存儲空間、帶寬等資源嚴重受限，而且傳感器節(jié)點需要頻繁傳輸采集的數(shù)據(jù)，這些因素對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用都帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。另外，傳統(tǒng)的湖泊、人工養(yǎng)殖水環(huán)境、飲用水環(huán)境中監(jiān)測水平參差不齊，監(jiān)測設(shè)備多為有線設(shè)備，安裝部署不靈活，成本高，難以在遠程監(jiān)測監(jiān)控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于壓縮感知湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，目的在于解決現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)安裝、有線部署困難，維護成本高、網(wǎng)絡(luò)能耗高等缺點，采用改進型壓縮感知技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)，有效提升了環(huán)保相關(guān)部門的工作效率和管理水平。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于改進型壓縮感知湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括多個使用壓縮感知技術(shù)的傳感器節(jié)點所組成的多個監(jiān)測點，監(jiān)測點采集相應(yīng)的參數(shù)值，通過zigbee技術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器完成數(shù)據(jù)重構(gòu)，將重構(gòu)的數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)通過internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機監(jiān)控中心，所述傳感器節(jié)點包括溫度節(jié)點、ph值節(jié)點、電導(dǎo)率節(jié)點以及溶解氧節(jié)點，傳感器節(jié)點用于采集湖泊水質(zhì)環(huán)境信息，通過zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)。

本發(fā)明進一步技術(shù)改進方案是：

所述傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，zigbee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點開始采集水質(zhì)信息，獲得傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，使用dft算法對信號進行稀疏表示，然后對變換后的信號使用感知矩陣進行采樣，采樣后的信號與原始信號相比，大大降低了節(jié)點的存儲空間和傳輸能耗，最終將采樣后的信號通過樹狀路由傳輸給協(xié)調(diào)器，在協(xié)調(diào)器端通過ics算法，重構(gòu)原始信號，協(xié)調(diào)器將重構(gòu)的信號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機監(jiān)控中心，在上位機監(jiān)控中心，通過web服務(wù)可以實時查詢監(jiān)測點的水質(zhì)信息，若遇到水質(zhì)信息超限等緊急情況，會發(fā)出報警信號及時通知相關(guān)工作人員采取應(yīng)急措施。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

所述傳感器節(jié)點均設(shè)置有處理器模塊、zigbee無線通信模塊以及電源模塊，電源模塊為傳感器節(jié)點、處理器模塊、zigbee無線通信模塊提供工作電源，傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器模塊發(fā)送給zigbee無線通信模塊。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

所述溫度節(jié)點采用半導(dǎo)體溫度傳感器ad590；ph值節(jié)點采用e-201型號的ph值傳感器；電導(dǎo)率節(jié)點采用djs-1c型號電導(dǎo)率傳感器及其信號調(diào)理電路，處理器模塊采用cc2530的增強型8051微控制器，電源模塊采用ams1117系列穩(wěn)壓器；溶解氧節(jié)點采用ry952型號傳感器及其調(diào)理電路；所述網(wǎng)關(guān)采用td/scdma網(wǎng)關(guān)；所述上位機監(jiān)控中心為pc終端機、或為手持移動終端。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點：

一、本發(fā)明采用壓縮感知技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)，通過zigbee技術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)，近距離收集水質(zhì)參數(shù)：溫度、ph值、電導(dǎo)率、溶解氧等參數(shù)，而這些數(shù)據(jù)在收集、轉(zhuǎn)發(fā)的時候，充分考慮這些傳感器節(jié)點采集的參數(shù)在空間上的高度相關(guān)性和同一節(jié)點在某個時間序列中采集的某一參數(shù)時間上的高度相關(guān)性，去除這些數(shù)據(jù)冗余后再使用壓縮感知技術(shù)。

二、本發(fā)明采用壓縮感知的核心思想是將壓縮和采樣同時進行，首先采集信號的測量值，然后根據(jù)相應(yīng)的重構(gòu)算法由測量值重構(gòu)原始信號。壓縮感知的優(yōu)點是信號的測量值遠遠小于傳統(tǒng)采樣方法所獲得的數(shù)據(jù)量，突破了香農(nóng)采樣定理的束縛，通過壓縮感知和去除數(shù)據(jù)時空相關(guān)性冗余之后再zigbee網(wǎng)絡(luò)中采集、傳輸數(shù)據(jù)將大大降低單個節(jié)點的能耗并延長了整個網(wǎng)絡(luò)的壽命，zigbee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)最后在協(xié)調(diào)器中匯聚重構(gòu)，并通過3g網(wǎng)關(guān)節(jié)點上傳至internet網(wǎng)絡(luò)后傳輸至上位機監(jiān)控中心，上位機監(jiān)控中心可以是pc機或手機，完成湖泊水質(zhì)低功耗數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控的目的

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為本發(fā)明溫度節(jié)點信號調(diào)理電路原理圖；

圖3為本發(fā)明ph值接口電路；

圖4為本發(fā)明電導(dǎo)率節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本發(fā)明溶解氧節(jié)點信號調(diào)理電路；

圖6為本發(fā)明cc2530模塊接口電路原理圖；

圖7為本發(fā)明電源模塊原理圖；

圖8為本發(fā)明系統(tǒng)流程圖；

圖9為本發(fā)明原始溫度信號和重構(gòu)信號對比圖；

圖10為本發(fā)明原始溫度信號稀疏表示和ics重構(gòu)后的信號對比圖；

圖11為本發(fā)明ics和l1-ls算法運行時間對比圖；

圖12為本發(fā)明ics迭代次數(shù)；

具體實施方式

由圖1到7所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括多個使用壓縮感知技術(shù)的傳感器節(jié)點所組成的多個監(jiān)測點，監(jiān)測點采集相應(yīng)的參數(shù)值，通過zigbee技術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器完成數(shù)據(jù)重構(gòu)，將重構(gòu)的數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)通過internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機監(jiān)控中心，所述傳感器節(jié)點包括溫度節(jié)點、ph值節(jié)點、電導(dǎo)率節(jié)點以及溶解氧節(jié)點，傳感器節(jié)點用于采集湖泊水質(zhì)環(huán)境信息，通過zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)。

所述的溫度節(jié)點中溫度采集模塊主要采用美國公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體溫度傳感器ad590實現(xiàn)水質(zhì)溫度數(shù)據(jù)采集，溫度節(jié)點信號調(diào)理電路原理圖如圖2所示，信號調(diào)理電路中主要采用差動放大器使其最終的輸出電壓vo＝(100k/10k)×(v2-v1)＝t/10(t為攝氏溫度)，若t＝26℃，則輸出電壓vo為2.6v，輸出電壓接ad轉(zhuǎn)換器，最終輸出的數(shù)字量與攝氏溫度成線性關(guān)系。

所述的ph值節(jié)點中ph值數(shù)據(jù)采集模塊主要由ph復(fù)合電極采集信號，ph值復(fù)合電極由ph玻璃電極和銀—氯化銀參比電極復(fù)合而成，外殼是聚碳酸酯壓制而成，它是ph計的測量關(guān)鍵元件，用以測量溶液中氫離子濃度的ph值，該ph值節(jié)點中采用e-201型號的ph值傳感器，原始信號為-414.12～414.12mv的直流電壓信號，被測液體的ph值與產(chǎn)生的電勢成反比：-59.16mv＝1ph。采用ph值傳感器來采集數(shù)據(jù)，adc電壓運用差分模式，經(jīng)過轉(zhuǎn)化，利用ph值與電壓的關(guān)系得到流量數(shù)據(jù)。差分模式是一種輸入信號的方式，主要是提高信號精度，去掉共有的誤差干擾。差分輸入的是將兩個輸入端的差值作為信號，這樣可以免去一些誤差，比如你輸入一個1v的信號電源有偏差，比實際輸入要大0.1，就可以用差分輸入1v和2v相減就把兩端共有的那0.1誤差去除。單端輸入無法刪除這類誤差。ph值節(jié)點中ph值傳感器與處理器模塊的接口電路如圖3所示。

所述的電導(dǎo)率節(jié)點主要由djs-1c型號電導(dǎo)率傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，電導(dǎo)率節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

所述的溶解氧節(jié)點中溶解氧采集模塊主要由ry952型號傳感器和相應(yīng)的調(diào)理電路實現(xiàn)，因為ry952溶解氧傳感器所輸出的電壓信號極其微弱，要保證處理器能夠?qū)Σ杉男盘栠M行正確的a/d采樣，需要對溶解氧傳感器輸出信號進行信號調(diào)理，使其輸出信號更加穩(wěn)定且電壓值不超過基準電壓。在所設(shè)計的信號調(diào)理電路中采用lm358集成運放，放大模擬電信號。lm358是標準線性放大器，一共有8個引腳，2通道。模擬信號先從溶解氧傳感器引腳1中輸出到運算放大器lm358的引腳3中，同時溶解氧傳感器另一端接地。電阻r5是限流電阻，而電阻r3和電阻r4是用來放大模擬信號的。放大后的信號由p06端輸入到處理器模塊，信號調(diào)理電路中采用同相放大電路。因為在軟件設(shè)計部分，溶解氧節(jié)點設(shè)計中cc2530采用的1.15v的a/d內(nèi)部參考電壓，所以ry952溶解氧傳感器的輸出信號明顯太弱，需要進行放大處理，而放大的倍數(shù)在設(shè)計中選定為放大45倍。處理電路的電壓放大倍數(shù)的計算公式為

由經(jīng)典同相放大電路計算增益可以看出電路放大45倍，滿足了cc2530采集信號的要求。在lm358的引腳8是芯片電源入口，同時所加的兩個電容是為了達到濾波的作用使信號更加穩(wěn)定。溶解氧節(jié)點信號調(diào)理電路原理圖如圖5所示。

所述的處理器模塊，主要采用cc2530的增強型8051微控制器，具有在線系統(tǒng)可編程內(nèi)存和8kb的ram；系統(tǒng)時鐘由32mhz晶振提供，系統(tǒng)休眠時鐘由32khz無源晶振提供；復(fù)位按鍵與reset連接，可實現(xiàn)硬件復(fù)位，初始化系統(tǒng)；無線通信模塊采用cc2530領(lǐng)先的rf射頻收發(fā)器，符合2.4ghzieee802.15.4標準，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，可編程的輸出功率高達4.5dbm，圖6為處理器模塊底座原理圖。

所述的電源模塊主要實現(xiàn)12v電源電壓、5v電壓和3.3v電壓之間的轉(zhuǎn)換，如圖7所示。ams1117核心芯片主要實現(xiàn)5v到3.3v電壓轉(zhuǎn)換。通過開關(guān)可以選擇電源供電方式。ams1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計用于提供1a輸出電流且工作壓差可低至1v。在最大輸出電流時，ams1117器件的壓差保證最大不超過1.3v，并隨負載電流的減小而逐漸降低。ams1117的片上微調(diào)把基準電壓調(diào)整到1.5％的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。ams1117器件引腳上兼容其他三端scsi穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的sot-223，8引腳soic，和to-252(dpak)塑料封裝。ams1117有固定和可調(diào)兩個版本可用，輸出電壓可以是：1.2v，1.5v，1.8v，2.5v，3.3v，和5.0v。片內(nèi)過熱切斷電路提供了過載和過熱保護，以防環(huán)境溫度造成過高的結(jié)溫。為了確保的穩(wěn)定性，對可調(diào)電壓版本，輸出需要連接一個至少22μf的鉭電容。對于固定電壓版本，可采用更小的電容，具體可以根據(jù)實際應(yīng)用確定。通常，線性調(diào)整器的穩(wěn)定性隨著輸出電流增加而降低。本發(fā)明采用的是ams1117固定輸出3.3v的固定電路。

所述的3g網(wǎng)關(guān)采用td/scdma網(wǎng)關(guān)，支持wifi功能和3g/3.5gtd-scdma無線網(wǎng)絡(luò)功能，可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)高速、安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

所述的上位機監(jiān)控中心，可以使用pc機或手機，通過web服務(wù)，實時查看湖泊不同監(jiān)測點的水質(zhì)信息，若遇到緊急情況或者相關(guān)水質(zhì)信息超限，就會報警發(fā)送信息通知相關(guān)工作人員，立即采取應(yīng)急方案解決問題，并通過相關(guān)命令對下位機的傳感器節(jié)點進行控制。

如圖8所示，首先整個系統(tǒng)初始化后，傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，zigbee網(wǎng)絡(luò)中不同類型的傳感器節(jié)點開始采集水質(zhì)信息，溫度、ph值、電導(dǎo)率和溶解氧的值，獲取到傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，使用dft算法對信號進行稀疏表示，然后對變換后的信號使用感知矩陣進行采樣，采樣后的信號與原始信號信號相比，大大降低了節(jié)點的存儲空間和傳輸能耗，最終將采樣后的信號通過樹狀路由傳輸給協(xié)調(diào)器，在協(xié)調(diào)器端通過ics算法，重構(gòu)原始信號，協(xié)調(diào)器將重構(gòu)的信號發(fā)送給td/scdma網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機監(jiān)控中心，在上位機監(jiān)控中心中，通過web服務(wù)可以實時查詢監(jiān)測點的水質(zhì)信息，若遇到水質(zhì)信息超限等緊急情況，會發(fā)出報警信號及時通知相關(guān)工作人員采取應(yīng)急措施。

改進型壓縮感知數(shù)據(jù)采集方法主要包括以下幾個步驟：

步驟1、zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器收集不同節(jié)點的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點周期性的采集數(shù)據(jù)，假設(shè)周期為t，所述數(shù)據(jù)為不同傳感器節(jié)點在一個周期t中采集的數(shù)據(jù)所組成的n維向量，表示為：x＝[x1,x2,x3,...,xn]^t(式1)；

步驟2、對于信號x，若存在一個稀疏基ψ，且在該稀疏基下信號能進行稀疏表示為：ψ＝[ψ1,ψ2,ψ3,...ψk]^t(式2)，此時，zigbee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采樣可以進一步表示為：或者用矩陣形式表示為：x＝sψ(式4)，其中，s為x的稀疏表示。因此，zigbee網(wǎng)絡(luò)中的n個無線傳感器節(jié)點在一個周期t內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)x可以表示為k個非零系數(shù)的矢量s(k<<n)，通過壓縮采樣的方式，在zigbee網(wǎng)絡(luò)中，只需要獲取長度為m(k<m<<n)的矢量數(shù)據(jù)就可以完全表達出整個傳感器網(wǎng)絡(luò)一個周期內(nèi)采樣的信息，并重構(gòu)出原始的信號。因此，zigbee網(wǎng)絡(luò)處理的數(shù)據(jù)規(guī)模將大大降低，從而降低了節(jié)點的功耗，并延長了整個網(wǎng)絡(luò)的壽命；

步驟3、利用采用矩陣φ，對傳感器節(jié)點上的數(shù)據(jù)進行采樣，此時壓縮采樣得到的信號y可以表示為y＝φx＝φψs＝as(式5)，其中φ＝{φj,i}為采樣矩陣，也叫感知矩陣，且矩陣中元素滿足獨立同分布，方差為1/m(高斯隨機矩陣)，最終得到的信號y的大小遠遠小于原始信號，更易處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。故式(5)就可以變換為：

而(式5)中a需滿足有限等距性質(zhì)，即對于任意k值得稀疏信號x和常數(shù)δk∈(0,1)有

步驟4、在zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器端進行數(shù)據(jù)的重構(gòu)，為了能從y中恢復(fù)信號x，可以通過求解l0范數(shù)來解決該問題，如式(8)所示。

但l0范數(shù)一個np-complete問題，這里將其轉(zhuǎn)換為l1范數(shù)進行求解，如(式9所示)

此時，使用改進的信號重構(gòu)算法ics恢復(fù)信號x，重構(gòu)算法如下：

4.1)、將信號x分解成正和負兩部分，

x＝u-v，u≥0，v≥0(式10)

于是，就可以將(式9)問題轉(zhuǎn)換為：

s.t.u≥0

v≥0

將(式11)寫成界約束二次規(guī)劃的標準形式為：

s.t.z≥0

其中，

b＝a^ty，

此時，使用梯度投影方法求解(式12).

4.2)、首先，假設(shè)一個很小的縮放因子α^k＞0，

再設(shè)置一個縮放因子λ^(k)∈[0，1]，

z^(k+1)＝z^(k)+λ^(k)(w^(k)-z^(k))(式15)

在每一次迭代中，z^(k)都沿著負的梯度方向進行搜索：并且定義了如下一個向量，

設(shè)置a^(k)的初值α0＝argminf(z^(k)-αg^(k)),從而α0就可以通過(式17)計算得到，

為了保證α0不能太大，也不能太小，給其界定了一個區(qū)間[αmin，αmax]，其中0＜αmin＜αmax。

算法主要步驟如下：

步驟一(初始化):

步驟二：利用(式17)計算α0，用mid(αmin，α0，αmax)替換α0；

步驟三：令α0依次為α0，βα0，β²a0,…得到：

并令

步驟四：若滿足收斂條件，就得到近似解z^(k+1),否則令k←k+1，并返回步驟二。

某湖泊水質(zhì)溫度原始信號，選取1號傳感器采集的781frame數(shù)據(jù)以及利用改進的重構(gòu)算法ics恢復(fù)的信號如圖9所示；溫度信號經(jīng)過dft稀疏變換，如圖10中的上圖所示，經(jīng)過ics重構(gòu)的稀疏信號如圖10中下圖所示，這里采用表示重構(gòu)算法ics的誤差，其中是x的估計值。利用ics算法重構(gòu)后的信號mse＝0.0014，重構(gòu)誤差非常小，能精確提取和恢復(fù)原始信號的特征。

改進的重構(gòu)算法ics的cpu運行時間與l1-ls重構(gòu)算法的cpu運行時間分別為0.0456s和0.0978s，算法時間縮短53.4％，如圖11所示。改進的重構(gòu)算法ics經(jīng)過8次迭代就滿足收斂要求，趨于穩(wěn)定，如圖12所示。

本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述實施方式所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。