CN103512562A - 基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统 - Google Patents

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汪辰
黄冬梅
梅海彬
黄思浩
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勇飞
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Abstract

本发明公开了基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,包括数据采集终端节点、汇聚节点、监测浮标、远程数据库服务器、环境监测中心。数据采集终端节点和汇聚节点的主控板以开源的电子原型平台Arduino为基础,采用ATmega2560为核心的微处理器,通过一定的定制完成对海洋环境数据和监测点位置信息的采集、存储、处理和转发。本发明还公开了从国外卫星遥感网站自动获取海洋环境数据,并进行集成的方法。本发明以实现在线实时动态立体监测为目的,通过实时采集近海环境数据以及与卫星遥感数据的集成,可解决目前海洋环境监测技术和方法只是建立在单点传输海洋环境数据和取样分析的问题。

Description

基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统

技术领域

[0001] 本发明关于海洋环境监测,涉及到嵌入式技术,无线传感器网络及无线通信领域,特别是一种基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统。

背景技术

[0002] 海洋环境自动监测是以在线式自动分析仪器为核心,运用现代传感器技术、自动测量技术、计算机应用技术以及相关的专用显示仪。与常规取样分析相比,海洋环境自动监测的在线式自动分析仪器有很多优点,但目前仍存在较多问题:(I)设备自动化程度低,监测的参数少、实时性差;(2)监测系统的网络化程度不高、适合恶劣环境的能力差;(3)系统组网技术单一,很难实现远距离的数据传输;(4)获取海洋环境数据方法单一,很难应对突发状况。

[0003] 无线传感器网络(WSN)是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络,其网络覆盖广、灵活、数据传输可靠等特点使它适合用于大范围的监测。因此,针对海洋环境恶劣,湿度大,海洋生物污染、布线困难的问题,运用最新的无线传感器网络技术,结合卫星遥感技术和嵌入式技术,研制一种低功耗、多参数、多种方式获取海洋环境数据的无线远程环境自动监测及预警系统具有广泛的应用价值和市场前景。

[0004] 随着近海沿岸的快速开发,其近岸海域生态环境破坏的风险也在逐渐加大,为了有效保护和更加合理地使用其近海海洋资源,迫切需要对其近岸海域的一些关键环境要素进行实时、立体、长期的连续监测,并对可能出现的近海海域环境灾害做出及时的预警。本发明为物联网、多源异构数据的融合、基于GIS的数据可视化、灾害预警、软件开发等技术应用于海洋环境监测与预警奠定理论基础,同时也进一步促进这些技术的发展。具有显著的社会效益和环境保护效益。

发明内容

[0005] 本发明提供了基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,该系统包括:数据采集节点,采集海洋环境参数,对采集的数据进行处理后传送至汇聚节点;汇聚节点,接受所述数据采集节点传送的数据,并将其转发到远程数据库服务器;环境监测中心的基于NC格式的海洋环境数据自动下载软件,自动从Oceanwatch等遥感数据网站获取海洋环境数据,最后环境监测中心对数据库服务器中的数据和通过遥感数据网站获取的数据进行集成并实时显示、查询、存储、解析和预警。

[0006] 其中,所述数据采集节点进一步包括:监测浮标,太阳能板和蓄电池放置在监测浮标上,用于对主控板和多参数水质仪供电。浮体内放置主控板。

[0007] 其中,所述的主控板采用的是基于Arduino开源的电子平台。

[0008] 其中,所述采集终端的主控板主要包括四个功能模块=Zigbee模块、SD卡存储模块、GPS模块和水质仪模块;汇聚节点的主控板主要包括=Zigbee模块、SD卡存储模块、GPRS模块和GPS模块。[0009] 其中,所述Zigbee模块用的是增强通信距离的Xbee Pro S2,它与电路板相连,用于无线传感器网络中的无线通信;多参数水质仪,连接于信号线一端,所述信号线穿过所述浮标,其另一端连接传感器端子,所述传感器端子与所述电路板相连,将所述多参数水质仪采集到的信号传送到所述电路板;锚,通过线缆固定于所述浮标内,并延伸至所述浮标外。

[0010] 其中,所述浮标中心轴线上设有通孔,所述浮体与所述通孔密封连接,所述通孔内壁上设有内部绳耳,线夹通过卸扣与所述内部绳耳连接,所述Zigbee、GPS和GPRS信号线从主控板上引出固定在所述线夹内,所述线夹下端设有缆绳接口,所述缆绳通过所述缆绳接口固定在线夹上。

[0011] 其中,所述数据采集节点至少包括6个多参数水质仪探头。

[0012] 其中,海洋环境遥感数据是利用基于NC格式的海洋环境数据自动下载软件自动从Oceanwatch等遥感数据网站上获取。

[0013] 其中,无线传感器网络中间节点将接受到的数据按一定的方式进行网络编码再传送出去,在汇聚节点再解码出所传输的数据。

[0014] 其中,通过准确建立海洋环境灾害案例库和规则推理知识库用于实现近海海域灾

咅预警。

[0015] 基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统包括如下步骤:

1)由无线传感器节点即监测浮标上的数据采集终端节点每隔一小时对近海海域中待测点处的环境数据进行采集;

2)数据采集终端节点将采集到的近海海域的环境数据经中间节点逐跳传送到汇聚节

占.3)无线传感器网络中的汇聚节点对接受到的来自数据采集终端节点的数据进行全局的融合和解析后通过GPRS传送到远程数据库服务器;

4)环境监测中心通过无线控制无线传感器网络中节点采集的时间间隔,可以在任意时刻获取监测区域内的环境数据,同时环境监测中心集成数据库服务器中的存储的近海海域环境数据和通过遥感数据网站获取的近海海域环境数据,并可以对其数据实时动态的显示、查询和预警。

[0016] 综上所述,本发明所述基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统可以完成对近岸海域的环境全面监测,其所采用的监测方法可以对海洋环境的变化做出及时的应对措施。

[0017] 本发明的有益效果:

1、在近岸海域无线传感器节点之间运用Zigbee技术进行无线通讯,现场无线单跳通信距离不低1.6Km,覆盖更广阔的海域,同时数据采用无线网络传输,免除了布线,方便现场安装。

[0018] 2、无线传感器网络节点的设备全部采用低功耗设计,太阳能和蓄电池供电,环保经济。

[0019] 3、整个监测及预警系统综合运用了传感器采集的数据和通过卫星遥感获取的数据,这样不仅提高海洋环境监测的自动化水平,更重要的是提高海洋环境监测数据的精度,提高海洋环境灾害预警的可靠性。附图说明

[0020] 图1基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统架构图。

[0021] 图2数据采集终端节点和汇聚节点的原理图。

[0022]图3海洋环境监测灾害预警系统体系结构图。

具体实施方式

[0023] 本发明是一种硬件和软件相结合的应用系统,硬件主要用来采集系统需要的核心数据,包括多参数水质仪上各种传感器感知的海洋环境数据,还有就是利用卫星和GPS芯片得到的监测点的位置信息,这些信息通过无线传感器网络和无线通信网络传送到互联网中的数据库服务器。

[0024] 本发明的基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统中,一部分数据是根据需要在近海海域相隔一定的距离放置一定数量的监测浮标对监测海域的海洋环境参数进行采集。另一部分是部署在环境监测中心的基于NC格式的海洋环境数据自动下载软件自动从Oceanwatch等遥感数据网站获取的海洋环境数据;在环境监测中心通过建立时间概念树和空间概念树,利用面向属性归纳算法,对不同时间和空间粒度的海洋遥感数据和无线传感监测数据进行融合;用当前计算机图像处理、地理信息系统空间分析技术,将海洋基础地理信息数据、海洋遥感数据、海洋环境监测数据以及科学计算结果反演为多维空间或动态演变的图像或图形。

[0025] 如图1是整个系统的架构图,采集终端节点通过自身连接的多参数水质仪采集海洋环境信息,采集数据的传感器至少包括温度传感器、深度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、叶绿素传感器。通过GPS模块获取自己的位置信息,每个采集终端节点将采集好的环境信息和位置信息经过局部融合发送给汇聚节点。汇聚节点再对一段时间内该区域所有采集终端节点采集的环境数据和位置信息进行全局融合,然后通过GPRS模块发送到数据库服务器。环境监测中心的基于NC格式的海洋环境数据自动下载软件自动从Oceanwatch等遥感数据网站获取海洋环境数据,最后环境监测中心对数据库服务器中的数据和通过遥感数据网站获取的数据进行集成并实时显示。手机终端用户可以发短信获取相关的监测信息,同时环境监测中心也把预警信息发送到手机终端用户。

[0026] 海洋环境数据传输网络是采取无线传感器网络、无线移动通信网络和互联网。采用了 Zigbee、GPRS等通信技术实现采集数据的无线传送。即:采集终端节点采用无线传感器网络通信方式,采集终端节点的多参数水质仪采集的数据通过该无线传感器网络将数据发送至汇聚节点;汇聚节点与远程服务器数据库之间的通信采用无线移动通信网络,完成各监测节点的数据从海上采集终端节点传送至数据中心;远程服务器数据库与客户端之间的通信采用互联网,用户可以通过互联网获取相关监测信息。

[0027] 如图2,本发明的数据采集终端节点和汇聚节点的原理图,数据采集终端节点包括三个单元:数据采集单元,数据处理单元、数据传输单元。数据采集单元将采集到的数据传给数据处理单元的CPU,数据处理单元的CPU将接受到的数据一边存入SD卡中,一边将数据存入存储器以便将数据在传输单元通过Zigbee模块发送给汇聚节点。当无线传感器网络链路发生故障时,数据处理单元再将SD卡中的数据读出,再通过Zigbee模块发送给汇聚节点。汇聚节点将接受到的数据经过处理单元融合后,将数据通过GPRS模块发送到数据库服务器。

[0028] 汇聚节点同时具有管理多个数据采集终端节点的功能,当数据服务器需要某时刻的海洋环境信息,它将发命令给汇聚节点,汇聚节点就将采集数据的命令转发给数据采集终端节点。

[0029] 如图3,本发明的海洋环境监测灾害预警系统体系结构图,将采集到的数据和海洋灾害案例库进行匹配,找到是否有相同的案例,如果有直接输出海洋灾害的种类,如果没有,再利用规则库中产生式规则进行推理,得出结果,如果发生了自然灾害,则发出警报,并且把这案例导入到案例库中。如果没有发生灾害则不作处理。

Claims (8)

1.基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统由以下部分构成: (1)数据采集终端节点,能采集海洋环境数据,并对采集的数据进行处理后传送至汇聚节点; (2)汇聚节点,能接收数据采集终端节点传送的数据,并将其通过GPRS发送到远程数据库服务器; (3)基于NC格式的海洋环境数据自动下载软件,部署在环境监测中心,能自动从Oceanwatch等遥感数据网站获取海洋环境数据,如海表温度、海面高度和叶绿素浓度等; (4)海洋环境数据动态显示与预警系统,能可视化展示海洋环境的数据变化趋势,并能对赤潮、风暴潮等海洋灾害进行预警; (5)远程数据库服务器,主要提供数据存储服务。
2.根据权利要求书I所述的基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,其特征在于,所述数据采集节点进一步包括:监测浮标,基于Arduino电子平台以ATmage2560为核心微处理器的主控板,多参数水质仪;数据采集节点的主控板有四个模块包括Zigbee模块、GPS模块和多参数水质仪模块和SD模块;主控板放置在监测浮标的仪器仓内,太阳能板和蓄电池双电源对主控板、多参数水质仪供电;太阳轮板和蓄电池放置在监测浮标舱体上,多参数水质仪,连接于线缆一端,所述线缆线穿过所述浮标,另一端与所述主控板相连,将所述多参数水质仪采集到的信号传送到所述电路板;锚,通过线缆固定于所述浮标内,并延伸至所述浮标外。
3.根据权利要求书I所述的基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,其特征在于,采集海洋环境数据时间间隔可以设置,本系统采集时间间隔可以根据需要动态进行设置,数据传输延时不超过2分钟。
4.根据权利要求书I所述基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,其特征在于,所述采集环境参数至少包括温度、深度、盐度、溶解氧、叶绿素、浊度。
5.根据权利要求书I所述基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,其特征在于,监测节点的数据传输方式为主动传输和被动传输两种,即无线传感器网络中的节点在预定的时间上将数据上传到远程数据库服务器,并且环境监测中心可以在任意时刻向采集节点发出命令获得采集数据。
6.根据权利要求书I所述基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,其特征在于,汇聚节点统一管理数据采集工作,汇聚节点广播数据采集命令,采集节点收到采集命令进行数据采集,并将采集的结果传送给汇聚节点,最后进行数据融合,将融合后的数据传到远程数据库服务器。
7.根据权利要求书I所述基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,其特征在于环境监测中心部署了基于NC格式的海洋环境数据自动下载软件,能自动从Oceanwatch等遥感数据网站获取海洋环境数据,如海表温度、海面高度和叶绿素浓度等。
8.根据权利要求书I所述基于Arduino的近岸海域环境自动监测及预警系统,其特征在于,收集近海海域环境灾害案例以及专家经验知识等,构建海洋环境灾害案例库和知识库,研制基于CBR和RBR的推理机,实现海洋环境灾害预警系统。
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