基于无线传感网络的污水监控系统研究.pdf

《基于无线传感网络的污水监控系统研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于无线传感网络的污水监控系统研究.pdf（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第2 9 卷第2 期计算机仿真2 0 1 2 年2 月文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8(2 0 1 2)0 2 0 0 9 4 0 4基于无线传感网络的污水监控系统研究尤婷1，李培江2(1 衢州学院电气与信息工程学院，浙江衢州3 2 4 0 0 0；2 衢州职业技术学院信息工程学院，浙江衢州3 2 4 0 0 0)摘要：研究污水泄漏监控优化问题，针对多座污水处理污水泵站及管网污水流量存在数据量大的特点，一旦污水泄漏，泄漏的详细信息通过无线传感网络传递到终端需要很长时间，造成泄漏信息传递的滞后问题。为了解决上述问题，提出采用小波压缩传输的污水图像泄漏监控方法。首先实现图像的污水泄漏的识别

2、检测，通过小波压缩方法对大数据量的数据进行压缩传递，完成泄漏状况的迅速传递，克服滞后性的问题。仿真结果表明改进方法能迅速发现污水渗漏的情况，可以同步识别传播的大数据量的污水泄漏实时信息，取得了令人满意的结果。关键词：污水监控；滞后性；泄漏识别；小波压缩中图分类号：T P 3 9 1 9文献标识码：BB a s e do nW i r e l e s sN e t w o r k sS e w a g eM o n i t o r i n gS y s t e mR e s e a r c hY O UT i n 9 1，L IP e i j i a n 9 2(1 C o l l e g eo

3、 fE l e c t r i cI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g，Q u z h o uC o l l e g e，Q u z h o uZ h e j i a n g3 2 4 0 0 0，C h i n a；2 C o l l e g eo fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g，Q u z h o uC o l l e g eo fT e c h n o l o g y，Q u z h o nZ h e j i a n g3 2 4 0 0 0，C h i n a)A B S T R A

4、 C T：R e s e a r c hs e w a g em o n i t o r s F o rn o n l i n e a rd e l a ye x i s t si ns e w a g ep u m p i n gs t a t i o na n dn e t w o r ks e w a g ef l o w，t h el e a kp r o b l e mo f t e nc a n n o tb et r a n s f e r e dr a p i d l yt ot h et e r m i n a l，c a u s i n gs e w a g es p i

5、l l i n ga n de n v i r o n m e n tp o l l u t i n g T h i sp a p e rp r e s e n t e dad e t e c t i o nm e t h o do fi m a g ep r o c e s s i n ga n dw a v e l e tc o m p r e s s e dt r a n s f e rs e w a g el e a k T h i sm e t h o df i r s t l yf i n i s h e dw a s t e w a t e ri d e n t i f y i

6、n gd e t e c t i o n T h e nt h r o u g hw a v e l e tc o m p r e s s i o nm e t h o d，al a r g ev o l u m e so fd a t aw e r ec o m p r e s s e da n dt r a n s f e r e d W h i c hc o m p l e t e st h eq u i c kd e l i v e r i n go fl e a k i n gs t a t u sa n do v e r c o m e st h el a g g i n gp r

7、 o b l e m S i m u l a t i o nr e s u h ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a nq u i c k l yf i n ds e w a g el e a k i n g，s y n c h r o n o u s l yr e c o g n i z ei m a g ed a t a，a n da c h i e v e ss a t i s f a c t o r yr e s u l t s K E Y W O R D S：W a s t e w a t e rm o n i t o r i n g；L a g

8、g i n g；L e a kd e t e c t i o n；W a v e l e tc o m p r e s s i o nIl引言近几年污水排放的问题是被广为关注的难点和热点问题，环保和节能是近年来备受关注的话题。其中，城市污水排放问题，随着能源消耗的加剧，出现的问题越来越突出1。目前一个大型城市污水排放管网系统一般十分的庞大，通常由不同的污水处理运行系统完成。目前，使用的污水处理设备运行状态监测方式，通常是以人力方式为主。随着工业自动化的发展，人工智能系统得到了不断的完善，使得监控过程更加现代化、机械化。大大节约了人工成本，提升了安全系数。对我国的环境保护，以及自动控制工业的发展

9、，起到基金项目：浙江省教育厅科研项目(Y 2 0 1 0 1 6 3 1 9)；衢州学院中青年学术骨干培养计划人选(X N Z Q N 2 0 11 11)收稿日期：2 0 1 1 0 3 0 2 修回日期：2 0 1 1 1 2 0 6-9 4-了不可替代的作用。但是，随着这些控制方式不断的在运行中检验，发现存在一个不利于安全运行的问题，就是当运行的污水检测设备一旦发生故障，能够采集的故障信息无法立即得到相应，这主要是因为现在的监控信息大都采用无线传感网络进行远距离传输。泄漏污水的信息需要经过很长时间不才能被检测到，这主要是因为泄漏信息中往往包含比较巨大的数据量，而长距离的无线传播这样的大数

10、据信息需要耗费大量的时间，造成数据传输的延迟。无法保证污水处理设备的正常运行。针对传统监控技术的缺陷，在本文中，提出一种基于无线传感网络的污水泄漏监控方法，这种方法可以根据实时检测污水排放中的实际情况，使得可以实时观察图像中污水的变化，检测污水的异常泄漏，运用小波压缩技术，使得大数据可以在无线传感网络中快速传递。这样的技术避免了传统万方数据技术中传输滞后性的缺点。达到了快速的监控、传递污水泄漏信息的目的。2 污水泄漏监控原理日益严格的环保法规对系统化的污水处理监测工艺提出了更高的要求，有效的自动化控制、快速特殊的过程控制或过程调整，都要求使用切实有效的在线过程检测系统，该系统必须覆盖所有的水、

11、污水处理过程，从采样到分析监测，到大规模、长距离的大数据传输。方法如下：在污水的二维图像中，污水的灰度值是比较低的，所以这个点最适合作为起始值的点，还有，可以很迅速的分割周围的灰度差异。污水图像处理的方法，首先需要一个关于污水的区域，应该知道污水的大致位置，通过这个坐标，可以使用它来确定污水的坐标。然后计算需要传递的数据量。计算方法如下：当然预测这个大致的位置的方法有很多，在这里可以使用P C A 特征提取的方法。得到这个预测位置的时候，将它假设为一个矩形的左下的顶点。开始延伸出一个矩形。这个矩形的长宽可以由容器检测出的尺寸来获得，注意这个矩形框不应该包括污水的边缘。然后平滑该图像，下面的工作

12、需要运算出污水的平均灰度值k。，W。和h。矩形的长和宽。E=(”)x 0 z 0 0+w 0m y y o+h o，一j F1“”4(o)一w n h n。o然后计算需要传递的数据量：S=，m。(o)E(1)经过以上步骤，可以得到污水的特征信息和位置信息。然后通过无线传感网络传输到监控终端，监控终端距离污水泄漏的区域往往较远。这里假设传递污水泄漏图片的大小为s。运用最大数据带宽X K B 的传输单位传输。传输污水泄漏信息的滞后时间为t：t=s X对于一个需要迅速反应的系统来说。传递中数据量s往往比较巨大。而带宽x 在远距离传输中往往不大，这就造成无线网络中传输大量数据花费的时间已经远远不能满足

13、实时性的要求，在这泄漏的时间内，会造成污水大面积外泄，损失巨大。为了解决这一问题，必须对数据在无线传感网络中的传输进行优化，本文提出基于小波压缩的数据传输方法，通过压缩，缩小数据量，完成数据快速传输，解决传输滞后问题。3 污水泄漏监控系统的设计3 1 污水图像点数据采集在污水监控的过程中，如果大规模采集污水泄漏图像，势必造成后期数据较大，为了压缩数据量，监控过程中，只需采集几个关键的特征点，代替大规模数据采集，减少数据量。下面运用A S M(主动形状模型法)的特征点提取算法，完成污水泄漏的特征点匹配，由于该算法仅使用了特征点的局部纹理特征作为启发式信息而没有考虑全局的纹理约束，因此会在一定程度

14、上降低关键特征点的匹配精度。因此，本文在传统的A S M 算法中的搜索过程中引入了全局纹理约束的理论。搜索匹配的过程如下：1)在搜索过程中，根据采集图像中的纹理关键细节特点取值的差值进行估计。因此，在数据处理过程中，需要对关键细节特点灰度值进行非线性变换，从而获取非线性系数R，最终获取关键细节特点灰度差值，利用公式最=R。进行状态估计，从而完成对相关数据的预处理。将指定轮廓区域中的纹理进行均匀分布处理，利用归一化方式在获取的结果中提取纹理方向分量，从而利用下述公式实现纹理的重新构建：g，=g+P g b。，其中b。=P；(g g)。计算向量g，与重构值g，之间的欧氏距离d=d i s t(g，

15、g，)，以构成纹理差。最后根据此全局纹理约束和模型纹理的纹理差来决定形状调整和局部纹理搜索在迭代过程中是否接受A S M 的搜索结果。2)基于纹理差预测并调整模型参数变化的过程。按照A S M 方式进行污水关键细节特点提取，对每次检测的图像进行估计，假设配准获取的结果不符合故障衡量标准，则利用迭代算法继续处理，否则，代表污水处理系统出现故障，需要报警。根据上面获取的判断结果，能够利用迭代处理的方式获取理想的污水图像关键细节特点，从而完成污水的灰度匹配。3 2 小波变换数据传递利用无线传感网络进行污水处理设备运行监控，需要利用传感器获取运行设备的频率较高的图像，并且将相关图像传递到终端。本文网络

16、采用星型结构。如下图1 所示。图1 星型汇聚本文的总体结构示意图如下图2 所示。节点的传感器采样频率超过衡量标准，因此需要传递海量数据。但是，因为传输方式的局限性，无法及时将这些数据传输到终端，不利于管理者进行合理的判断。污水泄漏的信息图像往往带有大量的信息，利用小波变换方式进行数据一9 5 万方数据图2 无线传感网络系统示意图压缩，能够减小需要传输的数据量，从而降低数据传输信道的载荷量，最终实现数据的快速传输。将相关数据进行小波变换处理，能够将数据按照频率进行分离。具体步骤用图3描述。其中，L 是频率较低的数据，H 是频率较高的数据。图3 小波压缩数据信息系统为了实现整数运算，将小波运算中的

17、相关系数设为：g=(2，2)，五=(2，2)变形为：罾：(2，2)：(，一l，)；元：(2，2)将吾=(2，4)，元=(2，4)变形为苔=(2，4)，则可以得到：Hk i m 快速算法：d。：X 2。一。L 坠尝Jd n2n 一i 一Jd。+d。+l+2 5 n2X 2 n+1 一L 广J(2)d o=省。一省1Id 们一l+15 以2 一1+L 丁一j其中，石。代表需要进行传输的数据，L 戈J 代表符合衡量标准的取值。通过上述方式，能够完成相关数据的压缩处理，并且获取最理想的处理结果。利用上述步骤能够获取理想的压缩数据，然后利用公式(3)对相关数据进行计算：d。：X 2。+1 一L 堑竿丝J

18、d。2+一F J。：X 2。一L 垡丢旦Js。2。一彳一J5。：2 一d o(3)d n 2 1=n l z n 一2。(i，z)“吗攀j式中，c(i J，f)是小波压缩参数，(i，J)关键细节特点空间位一9 6 一置，f 是小波压缩数据级。假设关键细节特点灰度取值是整数，则需要利用公式(4)，对其进行正交变换处理：f d。：+1 _ L 毕Jj。(4)3 d。一2 1 9 d。一l 一1 9 d。+3 d。+lh2 算2 n L 1 r 一J利用公式(5)，能够对其进行逆变换处理：J-戈z n=s n+L!二!：!二 i：!必J(5)L x 2 n+l：d。“堕挈丝J通过上述公式能够完成相关

19、数据的小波压缩，获取图像的轮廓，利用下述公式对其进行快速处理：r 一L 半J(6)卜一L 气半Jr-华一 X 2 n+l：d。_ L 堕挈丝j通过上述公式能够完成整数灰度取值的正交小波压缩处理和逆小波压缩处理，获取的结果能够利用下述公式计算0 3-4 E 系数从而宴觋归一化虚h 王单：n H=,21钆2 万式中，是频率比较高的变换数据，n。是频率比较低的变换数据。在小波压缩处理后，需要对上述数据进行归一化处理。运用数据压缩技术，就可以将前期污水泄漏的信息，迅速的传到终端，保证泄漏检测的实时性。4 实验结果分析本文采用自行搭建的基于摄像头的远程无线传感网络进行污水泄漏报警系统的测试，计算污水泄漏

20、的报警率，和收到报警时候的滞后。选择的污水泄漏图像如图4 所示。下面用本文的A S M 检测定位算法，计算污水排放的位置坐标以及匹配结果，如图5 所示。然后运用小波压缩方法对数据进行压缩压缩效果如下图6 所示。对数据进行传递统计匹配错误率和滞后时间，图7所示。图7 中，横坐标为带宽，纵坐标为耗时，上面的线为压缩前传递耗时，下面的为压缩后耗时。统计结果如表1 所示。万方数据图4 污水处理设备故障图像图5 污水图像配准烈5 到图6 小波压缩处理图谱图7 不同算法检测耗费的时间表I 统计结果滞后时间本文方法传统方法4 5 0 m 51 2 5 8 m s通过以上统计可以看出，本文的方法可以有效的检测

21、污水泄漏的情况，并且迅速的传递泄漏信息，保证r 寅时性，避免了污染扩大的危险。5 结束语本文提出了基于图像处理和小波数据压缩的t 亏水泄漏监控方案。通过对污水图像的采集处理，然后对实时情况进行数据压缩。运用无线传感网络快速传递泄漏情况，避免由于信号滞后性带来的巨大损失。由于防治污染和污水处理是我国的一项很重要的经济策略，凶此，本文中研发策略具有很大的实际应用价值和商业价值。参考文献：1 邱国玉等基于热成像技术的污水排放源识别研究 JJ 环境科学学报，2 0 0 9，2 9(7)：1 4 4 7 1 4 5 1 2 钟凌燕马瑁无线多路远程污水流苗临冽系统 J 太原理工大学学报，2 0 0 9，4

22、 0(2)：1 4 0 1 4 2 3 T i a nJ i n g w e n，e ta lM ta n dc o n t r o ls y s t e mo fS e w a g eT r e a t m e n tb 舳e dO i lw i r e l e s sf*n$o rn e t w o r k s C12 0 0 8 E E EI n t e m a t i o n a lC o n f e r e n c eO nI n d u s t r i a lT e c h n o l o g y，2 0 0 8：1 1 9 0一1 1 9 3 4 徐哲，等基于B P 神经9 c

23、9 络的城市污水泵站预测模犁 J】控制工程2 0 1 0，1 7(4)：5 0 1 5 0 8 5 白敏丹，韩红杜，乔俊飞基于遗传算法的柯水处理模糊控制方法 J 控制工程，2 0 0 9，1 6(1)：4 6 4 8 6 余振庭，范承志汪雄海污水泵站系统的自适应模糊控制 J 浙江大学学报(工学版)，2 0 0 9，4 3(1)：6 9 7 2 7 N i n gY a n m i n，e ta lD e s i g no fs e w a g ef l o wr e m o l em o n i t o r i n gs y s-t e mo v e rG P R Sn e t w o r k

24、 J 2 0 1 02 n dI n t e r n a l i o n a lC o n f e r e n c eo nC o m p u t a t i o n a lI n t e l l i g e n c ea n dN a t u r a lC o m p u t i n g，2 0 1 0，2：2 9 6 2 9 9 8 JB a r y o n，DF l e e t，SB e a u e h e m i nP e r f o r m a n c eo fo p t i c a lf l o w【e e h n i q u e s J l t e m a l i o n a l

25、J o u r n a lo fC o m p u t e rV i s i o n 1 9 9 4，1 2(1)9 王亮，胡卫明，谭铁牛人运动的视觉分析综述 J 计算机学报，2 0 0 2，2 5(3)：2 2 5 2 3 7【l o 颜文胜无线传感器网络节点部署算法的优化研究 J 计算机仿真2 0 1 14：1 2 6 1 2 9 作者简介尤婷(1 9 8 0 一)，女(汉族)，浙江衙州人，硕士，讲师。主要研究方向：无线传感器网络及智能仪器研究。李培江(1 9 7 2 一)，男(汉族)，湖北荆门人，工学硕士，衢州职业技术学院信息与电力工程学院讲师，主要从事计算机检测技术和无线传感网络廊用研究。9 7 万方数据基于无线传感网络的污水监控系统研究基于无线传感网络的污水监控系统研究作者：尤婷，李培江，YOU Ting，LI Pei-jiang作者单位：尤婷,YOU Ting(衢州学院电气与信息工程学院,浙江衢州,324000)，李培江,LI Pei-jiang(衢州职业技术学院信息工程学院,浙江衢州,324000)刊名：计算机仿真英文刊名：Computer Simulation年，卷(期)：2012,29(2)本文链接：http:/