[发明专利]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

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。

主权项

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n个传感器节点，传感器节点坐标为(x_i,y_i)(i＝1,2,3...n≥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Cc，靠近不透水边界有一段伸入湖心长度l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C₀；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(x_i，y_i)探测到水体离子浓度为C_i(t)，若C_i(t)-Cc≥10mg/l，则传感器节点(x_i，y_i)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(x_i，y_i)在t时刻检测到污染源的存在，水体离子浓度为C_i(t)，传感器节点(x_i，y_i)在时间间隔Δt时测得离子浓度为C_i(t+Δt)；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D_x＝D_y＝D,δ_c为污染源扩散达到稳定状态的浓度差阀值，δc=Σi=1n(C(xi,yi,ta+ΔT)-C(xi,yi,ta))/n---(1)]]>式（1）中：t_a为污染源开始扩散至稳定状态的时间，t_a通常取100天，ΔT为污染源扩散至稳定状态后探测离子浓度的时间间隔，ΔT通常取1天，C(xi,yi,ta)=QC02πDf[1rierfc(ri2Dta)+1ri‾erfc(ri‾2Dta)]---(2)]]>C(xi,yi,ta+ΔT)=QC02πDf[1rierfc(ri2D(ta+ΔT))+1ri‾erfc(ri‾2D(ta+ΔT))]---(3)]]>式（2）与式（3）中：erfc(x)＝1-erf(x)                （4）ri‾=(xi-L)2+yi2---(5)]]>ri=(xi-L)2+yi2---(6)]]>式（5）与式（6）中：10m≤L≤40m；若在时间间隔Δt内传感器节点(x_i，y_i)测得的离子浓度差大于δ_c，则污染源扩散未达到稳定状态；若在时间间隔Δt内传感器节点(x_i，y_i)测得的离子浓度差小于或等于δ_c，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（1）当污染源扩散未达到稳定状态，即C_i(t+Δt)-C_i(t)＞δ_c时，通过传感器节点(x_i，y_i)在t时刻定位的排污管的长度l为式（7）的解：Ci(t+Δt)-Ci(t)=QC02fπD(12Dt-12D(t+Δt))Ci(t)=QC02fπD(1ri-12Dt)---(7)]]>式（7）中：ri=(xi-l)2+yi2;]]>（2）当污染源扩散达到稳定状态，即C_i(t+Δt)-C_i(t)≤δ_c时，通过传感器节点(x_i，y_i)在t时刻定位的排污管的长度l为式（8）的解：Ci(t+Δt)-Ci(t)=QC02fπD(1Dt-1D(t+Δt))Ci(t)=QC02fπD(1ri+1ri‾-1Dt)---(8)]]>式（8）中：ri‾=(xi+l)2+yi2,]]>ri=(xi-l)2+yi2;]]>（3）在实际测量中，用靠近不透水边界随机分布的n个传感器节点(x_i，y_i)中探测到污染源存在的k个节点(x_j,y_j)(j＝1,2,3...k,3≤k≤n)进行定位，当C_j(t+Δt)-C_j(t)≥δ_c时，根据式（7）求解l_j的值；当C_j(t+Δt)-C_j(t)＜δ_c时，根据式（8）求解l_j的值，对t时刻定位的l_j取平均值作为排污管的长度即则污染源的位置坐标为