CN108882196A - 基于无线传感器网络的海洋环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，该系统包括无线传感器网络、监测中心、通信模块、控制中心和电源模块；无线传感器网络用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集数据，并将数据多跳传输至汇聚节点；监测中心与汇聚节点相连接，用于对采集得到的数据进行处理从而根据处理后的数据对海洋环境情况进行评估，并通过通信模块将评估结果传输给控制中心，控制中心用于存储接收到的数据并根据评估结果向监测中心下发各种控制信号，从而改变水下机器人的活动状态，电源模块用于保证整个系统的稳定供电。

Description

基于无线传感器网络的海洋环境监测系统

技术领域

本发明涉及海洋环境监控技术领域，具体涉及基于无线传感器网络的海洋环境监测系统。

背景技术

海洋水质监测可以实现对海洋水质环境进行监测，这对于及早发现海洋污染并进行及时的处理和保护都有着重要的意义。现有海洋环境监测方式主要有现场人工采样、专用监测船或浮标原位监测的方式，这些方式存在着消耗大量劳动力、监测效率低和成本高等缺点，因此，开发一种能够实时有效的进行海洋水质环境监测系统对于环境保护和大范围的水质监测有着重要的研究价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的海洋环境监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，该系统包括无线传感器网络、监测中心、通信模块、控制中心和电源模块；无线传感器网络用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集数据，并将数据多跳传输至汇聚节点，在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在数据传输阶段，传感器节点侦听到一个数据报文时，从数据报文中获取下一跳节点的标识，若自己不是数据报文所指定的下一跳节点，传感器节点丢弃该数据报文，否则转发该数据报文；监测中心与汇聚节点相连接，用于对采集得到的数据进行处理从而根据处理后的数据对海洋环境情况进行评估，并通过通信模块将评估结果传输给控制中心，控制中心用于存储接收到的数据并根据评估结果向监测中心下发各种控制信号，从而改变水下机器人的活动状态，电源模块用于保证整个系统的稳定供电。

优选地，所述通信模块中设置有串口通信芯片，连接所述的监测中心，并通过防水电缆连接控制中心。

优选地，所述监测中心包括控制单元、数据处理单元和分析评估单元；所述控制单元用于根据控制中心下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述数据处理单元用于对数据进行预处理；所述分析评估单元用于根据处理后的数据进行海洋环境的评估。

优选地，所述无线传感器网络包括汇聚节点和多个传感器节点，多个传感器节点通过分簇确定簇头节点，簇内的传感器节点将采集的数据传送至对应的簇头节点，簇头节点将接收的数据通过多跳路由的方式传输至汇聚节点。

优选地，所述传感器节点内置传感器，传感器的类型包括：用于监测水质酸碱值的传感器、用于监测溶解氧的传感器、用于监测盐度的传感器、用于监测水温的传感器、用于监测叶绿素浓度的传感器。

本发明的有益效果为：结构简单，灵活方便，通过各模块之间的相互配合，能够实现对海洋水质环境的有效监测，并将监测结果传输给控制中心，保证了及时发现海洋水质污染从而提前处理。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的基于无线传感器网络的海洋环境监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的监测中心的结构示意框图。

附图标记：

无线传感器网络1、监测中心2、通信模块3、控制中心4、电源模块5、控制单元10、数据处理单元20、分析评估单元30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，该系统包括无线传感器网络1、监测中心2、通信模块3、控制中心4和电源模块5；无线传感器网络1用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，无线传感器网络1包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集数据，并将数据多跳传输至汇聚节点，在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在数据传输阶段，传感器节点侦听到一个数据报文时，从数据报文中获取下一跳节点的标识，若自己不是数据报文所指定的下一跳节点，传感器节点丢弃该数据报文，否则转发该数据报文；监测中心2与汇聚节点相连接，用于对采集得到的数据进行处理从而根据处理后的数据对海洋环境情况进行评估，并通过通信模块3将评估结果传输给控制中心4，控制中心4用于存储接收到的数据并根据评估结果向监测中心2下发各种控制信号，从而改变水下机器人的活动状态，电源模块5用于保证整个系统的稳定供电。

其中，每个传感器节点内置传感器，传感器的类型包括：用于监测水质酸碱值的传感器、用于监测溶解氧的传感器、用于监测盐度的传感器、用于监测水温的传感器、用于监测叶绿素浓度的传感器。

在一种可能实现的方式中，所述通信模块3中设置有串口通信芯片，连接所述的监测中心2，并通过防水电缆连接控制中心4。

在一种可能实现的方式中，如图2所示，所述监测中心2包括控制单元10、数据处理单元20和分析评估单元30；所述控制单元10用于根据控制中心4下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述数据处理单元20用于对数据进行预处理；所述分析评估单元30用于根据处理后的数据进行海洋环境的评估。

本发明上述实施例设置的基于水下机器人的基于无线传感器网络的海洋环境监测系统结构简单，灵活方便，通过各模块之间的相互配合，能够实现对海洋水质环境的有效监测，并将监测结果传输给控制中心4，保证了及时发现海洋水质污染从而提前处理。

在一个实施例中，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，具体为：在网络初始化阶段，汇聚节点向各传感器节点发送Hello报文，该Hello报文包括各传感器节点的位置坐标、到汇聚节点的距离以及到汇聚节点的跳数；各传感器节点接收到Hello报文后，根据Hello报文构建邻居节点列表。

在一个实施例中，各传感器节点还根据Hello报文计算各邻居节点到汇聚节点的最优路径质量，将各邻居节点的ID以及到汇聚节点的最优路径质量存储在所构建的邻居节点列表中；其中，邻居节点到汇聚节点的最优路径质量的计算公式设定为：

式中，Φ_ij表示传感器节点i的邻居节点j到汇聚节点的最优路径质量，L(sink,i)为传感器节点i到汇聚节点的距离，L(i,j)为传感器节点i与其邻居节点j的距离，L(sink,j)为邻居节点j到汇聚节点的距离，S(sink,i)为传感器节点i到汇聚节点的跳数，S(sink,j)为邻居节点j到汇聚节点的跳数；u为设定的权重系数，且0<u<1。

本实施例解决了传感器节点获取邻居节点信息并构建邻居节点列表的问题，其中创新性地设定了邻居节点到汇聚节点的最优路径质量的计算公式，该计算公式基于邻居节点与传感器节点、汇聚节点之间的位置进行最优路径质量的计算，能够较好地衡量邻居节点转发数据时的位置优势情况，为后续传感器节点选择下一跳提供基础数据参考，从而有利于提高传感器节点后续选择下一跳的效率；本实施例在构建邻居节点列表时只是存储邻居节点的ID以及到汇聚节点的最优路径质量，相比于现有技术中需要存储邻居节点的位置信息、到汇聚节点的跳数以及距离信息等，节省了存储空间。

在一个实施例中，传感器节点转发该数据报文，具体包括：

(1)若汇聚节点在传感器节点的通信范围内，传感器节点将该数据报文直接发送到汇聚节点；

(2)若汇聚节点不在传感器节点的通信范围内，传感器节点将邻居节点列表中当前剩余能量不低于设定最低能量阈值的邻居节点作为候选节点，计算各候选节点转发数据的路径质量：

式中，表示当前计算出的传感器节点i的候选节点k转发数据的路径质量；表示前一次计算的传感器节点i的候选节点k转发数据的路径质量，其中设置初始时候选节点k转发数据的路径质量其中Φ_ik为传感器节点i的邻居节点列表中存储的所述候选节点k到汇聚节点的最优路径质量，Q_ik为所述候选节点k的当前剩余能量，Q_min为设定的最低能量阈值；p为设定的常量，代表学习率；h为设定的能量影响因子；

(3)传感器节点选择路径质量最大的候选节点作为下一跳，并更新自己到汇聚节点的最优路径质量为将更新的信息存储到所转发的数据报文中。

本实施例创新性地设定了传感器节点转发数据报文的通信协议，该通信协议使得传感器节点在发送数据包时能够根据网络当前的情况选择路由路径，从而增强无线传感器网络内部传感器节点与汇聚节点的连接性，保障数据包的递交。在路径选择中，本实施例综合考虑了传感器节点的剩余能量和链路质量，能够节省数据传输能耗；传感器节点在发送数据报文的过程中捎带了更新后的传感器节点到汇聚节点的最优路径质量，待下一跳传感器节点收到该反馈信息后，就能够更新自己邻居节点列表中存储的该传感器节点到汇聚节点的最优路径质量，为此后的路径选择奠定了基础，避免需要重新确认邻居节点到汇聚节点的最优路径质量，节省了能量开销。

在一个实施例中，若传感器节点的各邻居节点的当前剩余能量皆低于设定最低能量阈值，传感器节点确定自身的当前剩余能量是否满足下列条件，若满足，传感器节点调节自身的发送功率将数据报文直接发送给汇聚节点，若不满足，传感器节点舍弃该数据报文：

式中，Q_i为传感器节点i的当前剩余能量，L(sink,i)为传感器节点i到汇聚节点的距离，v为设定的距离开销阈值。

本实施例考虑了传感器节点没有合适的候选节点进行转发数据报文时的情况，并基于能量和距离因素，确定传感器节点是否能够冒险直接发送数据报文，从而在一定程度上解决了路由空洞的问题。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，其特征是，包括无线传感器网络、监测中心、通信模块、控制中心和电源模块；无线传感器网络用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，无线传感器网络包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集数据，并将数据多跳传输至汇聚节点，在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在数据传输阶段，传感器节点侦听到一个数据报文时，从数据报文中获取下一跳节点的标识，若自己不是数据报文所指定的下一跳节点，传感器节点丢弃该数据报文，否则转发该数据报文；监测中心与汇聚节点相连接，用于对采集得到的数据进行处理从而根据处理后的数据对海洋环境情况进行评估，并通过通信模块将评估结果传输给控制中心，控制中心用于存储接收到的数据并根据评估结果向监测中心下发各种控制信号，从而改变水下机器人的活动状态，电源模块用于保证整个系统的稳定供电。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，其特征是，所述通信模块中设置有串口通信芯片，连接所述的监测中心，并通过防水电缆连接控制中心。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，其特征是，所述监测中心包括控制单元、数据处理单元和分析评估单元；所述控制单元用于根据控制中心下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述数据处理单元用于对数据进行预处理；所述分析评估单元用于根据处理后的数据进行海洋环境的评估。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，其特征是，所述传感器节点内置传感器，传感器的类型包括：用于监测水质酸碱值的传感器、用于监测溶解氧的传感器、用于监测盐度的传感器、用于监测水温的传感器、用于监测叶绿素浓度的传感器。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，其特征是，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，具体为：在网络初始化阶段，汇聚节点向各传感器节点发送Hello报文，该Hello报文包括各传感器节点的位置坐标、到汇聚节点的距离以及到汇聚节点的跳数；各传感器节点接收到Hello报文后，根据Hello报文构建邻居节点列表。

6.根据权利要求5所述的基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，其特征是，若传感器节点的各邻居节点的当前剩余能量皆低于设定最低能量阈值，传感器节点确定自身的当前剩余能量是否满足下列条件，若满足，传感器节点调节自身的发送功率将数据报文直接发送给汇聚节点，若不满足，传感器节点舍弃该数据报文：

式中，Q_i为传感器节点i的当前剩余能量，L(sink,i)为传感器节点i到汇聚节点的距离，v为设定的距离开销阈值。