专利名称：基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法
技术领域：
本发明涉及靠近不透水边界污染源探测与定位技术领域，具体是一种基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法。
背景技术：
近年来，水环境保护受到了社会各界更为广泛的关注，水环境中污染源的探测与定位技术在环境保护中的重要地位凸显。通常情况下，水体污染来自靠近岸边工厂的废水、废渣的沿岸排放，因此，在湖边附近的污染源即靠近不透水边界污染源的探测与定位技术对于寻找污染源，保护和改善环境，保障人体饮水安全有着重要意义。目前，污染源的定位问题主要针对气体污染源，但水环境污染源与气体污染源的扩散机理不尽相同。在气体中，污染源的扩散不受边界约束。实际水体受水底和岸边的影响，不是无限的，故污染源的扩散受到边界影响。因此用于气体监测与定位的方法不适用于水体污染源的探测与定位。此外现有的水体污染源的探测与定位方法主要有遥感技术、水下机器人定位技术、人工检测定位技术，但是上述方法存在很多缺点，比如造价昂贵、可操作性不强，周期长等。总体上讲，目前的探测与定位技术存在诸多弊端，缺乏可行性，寻找一种符合实际情况的沿岸探测与定位方法是亟待解决的问题。

发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种符合实际河流排污情况、可操作性强、精确度高和成本低廉的基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法。为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为如下步骤步骤一、在待测的靠近不透水边界部署无线传感器节点在待测的靠近不透水边界(即距岸边或堤坝Im范围内的湖水中)随机分布n个传感器节点，传感器节点坐标为(Xi, Yi) (i = I, 2, 3——n彡3),传感器节点以射频的方式与终端节点连接，终端节点与一个网关无线连接，网关通过串口线与PC机连接；PC机中装有软件管理系统，软件管理系统包括污染源探测模块、污染源扩散阶段分析模块、第一定位模块和第二定位模块。步骤二、靠近不透水边界水污染源的探测 设定水体深度为f，水体初始离子浓度为Ce，靠近不透水边界有一段伸入湖心长度I未知的排污管；已知该排污管的释放速率为Q，污染源的浓度为Ctl ;以不透水边界为Y轴，以排污管伸入湖中方向为X轴，以排污管与Y轴的交点为原点建立直角坐标系M。传感器节点(Xi, Yi)探测到水体离子浓度为Ci⑴，若Ci(^t)-Cc彡10mg/l,则传感器节点O^yi)检测到靠近不透水边界污染源的存在。步骤三、污染源扩散的稳定状态判断传感器节点(Xi，yi)在t时刻检测到污染源的存在，水体离子浓度为Ci⑴，传感器节点(Xi, yi)在时间间隔At时测得离子浓度为Ci(t+At)。假设靠近不透水边界污染源在扩散时为各项同性，即污染源在X轴和y轴上的扩散系数为Dx = Dy = D，S。为污染源扩散达到稳定状态的浓度差阀值，+ Ar )-C(,r,,>■；,/ s) / (I) i=i /式⑴中:
权利要求
1.一种基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法，其特征在于按如下步骤进行 步骤一、在待测的靠近不透水边界部署无线传感器节点 在待测的靠近不透水边界随机分布η个传感器节点，传感器节点坐标为(X^yi) (i =1，2，3. . . η彡3)，传感器节点以射频的方式与终端节点连接，终端节点与一个网关无线连接，网关通过串口线与PC机连接；PC机中装有软件管理系统，软件管理系统包括污染源探测模块、污染源扩散阶段分析模块、第一定位模块和第二定位模块； 步骤二、靠近不透水边界水污染源的探测 设定水体深度为f，水体初始离子浓度为Ce，靠近不透水边界有一段伸入湖心长度I未知的排污管；已知该排污管的释放速率为Q，污染源的浓度为Ctl ;以不透水边界为Y轴，以排污管伸入湖中方向为X轴，以排污管与Y轴的交点为原点建立直角坐标系M ； 传感器节点(Xpyi)探测到水体离子浓度为Ci (t)，若Ci (t)-Ce彡10mg/l,则传感器节点(Xi，Yi)检测到靠近不透水边界污染源的存在； 步骤三、污染源扩散的稳定状态判断 传感器节点(Xpyi)在t时刻检测到污染源的存在，水体离子浓度为Ci (t)，传感器节点(X^yi)在时间间隔At时测得离子浓度为Ci(t+At)； 假设靠近不透水边界污染源在扩散时为各项同性，即污染源在χ轴和I轴上的扩散系数为Dx = Dy = D，δ。为污染源扩散达到稳定状态的浓度差阀值， Sc = ^(C(+AT)-C(xj,yiJrl)) jn( I ) 式(I)中 ta为污染源开始扩散至稳定状态的时间，ta通常取100天， AT为污染源扩散至稳定状态后探测离子浓度的时间间隔，AT通常取I天， c(xi-yiAi) = -erfn 'J—)j(· 2 ) 2細小η Ipta _ QxitViJa +A7) = ^S-丄硕,η )+丄e,M Γ' .)( 3 )24nDf\>) 2^j D{ta+AT) i} Zjma+&T) 式(2)与式(3)中 erfc (χ) = 1-erf (χ)(4) !'i = -Lf +.V,2(5) r> =知厂 L) +>>.fO 式(5)与式(6)中IOm ^ L ^ 40m ； 若在时间间隔At内传感器节点(Xi，yi)测得的离子浓度差大于δ。，则污染源扩散未达到稳定状态；若在时间间隔At内传感器节点(Xi，yi)测得的离子浓度差小于或等于δ。，则污染源扩散达到稳定状态； 步骤四、靠近不透水边界污染源的定位 (I)当污染源扩散未达到稳定状态，即Ci (t+At)-Ci (t) > δ。时，通过传感器节点(Xi，Yi)在t时刻定位的排污管的长度I为式(7)的解
2.根据权利要求I所述的基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法，其特征在于所述软件管理系统的主流程是 S-IOl、初始化； S-102、接收数据； S-103、数据是否接收完成？ S-104、若接受完成，执行S-105 ;若未接受完成，执行S-102 ； S-105、调用污染源探测模块； S-106、是否检测到污染源的存在？ S-107、是，执行 S-108 ;否，执行 S-102 ； S-108、保存检测到污染源存在的节点的相关数据到数据库； S-109、数据库中同一节点的数据记录是否大于2次？ S-110、是，执行 S-113 ;否，执行 S-Ill ； S-111、当前时间与数据库中第一次记录同一节点的时间间隔是否等于At S-112、是，执行 S-102 ;否，执行 S-Ill ； S-113、调用污染源扩散阶段分析模块；S-114、Ci (t+At)-Ci (t) > S cS-115、是，将数据保存至未稳定状态数据组，调用第一定位模块；否，将数据保存至稳定状态数据组，调用第二定位模块；S-116、对数据库中的值求平均值，该平均值作为最后定位结果，保存； S-117、显示污染源位置坐标(Io)。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法，其特征在于所述的探测模块主流程是 S-201、设备初始化； S-202、是否接受新的数据信息？ S-203、是，执行 S-204 ;否，执行 S-202 ； S-204、提取PC机接受的数据； S-205、计算并判断 CjO-Cc 彡 IOmg/1S-206、是，保存该节点的位置(Xi, Yi)和Ci⑴到数据库；否，执行S-202 ； S-207、结束。
4.根据权利要求2所述的基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法，其特征在于所述的分析模块主流程是 S-301、设备初始化； S-302、提取数据库中同一节点的数据信息； S-303、判断 Cjt+AO-Cjt) > 8 cS-304、是，将数据保存至未稳定状态数据组，调用第一定位模块；否，将数据保存至稳定状态数据组，调用第二定位模块；
5.根据权利要求2所述的基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法，其特征在于所述的第一定位模块主流程是 S-401、设备初始化； S-402、提取未稳定状态数据组中同一节点的数据信息； S-403、调用式(7)计算I的值； S-404、将定位结果I的值保存到数据库； S-405、结束。
6.根据权利要求2所述的基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法，其特征在于所述的第二定位模块主流程是 S-501、设备初始化； S-502、提取稳定状态数据组中同一节点的数据信息； S-503、调用式(8)计算I的值； S-504、将定位结果I的值保存到数据库； S-505、结束。
全文摘要
本发明涉及一种基于无线传感器的靠近不透水边界污染源探测与定位方法。在待测的靠近不透水边界随机分布n个传感器节点，传感器节点以射频方式与终端节点连接，终端节点与网关无线连接，网关通过串口线与PC机连接。PC机中装有管理软件，传感器通过管理软件中的探测模块探测污染源是否存在，保存探测到污染源存在的节点，探测到污染源存在的节点通过与污染源扩散阶段分析模块中的稳定状态浓度差阀值δc比较后进入到定位模块1或者定位模块2，即可获得通过该节点所探测的污染源位置坐标；最后对所有节点所探测的污染源的位置坐标求平均值作为污染源的定位坐标。本发明具有可操作性强、精确度高、成本低廉和符合实际排污情况的特点。
文档编号G01N33/18GK102680657SQ201210178810
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者杨君, 柴利, 栾凡 申请人:武汉科技大学