CN108934085B - 远洋船舶安全监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了远洋船舶安全监控系统，包括无线传感器网络、船载监测设备、移动智能终端，所述无线传感器网络与所述船载监测设备通信连接，所述船载监测设备与所述移动智能终端通信连接，且所述船载监测设备还与至少一个卫星通信终端通信连接。

Description

远洋船舶安全监控系统
技术领域
本发明涉及船舶监测技术领域，具体涉及远洋船舶安全监控系统。
背景技术
无线传感器网络是由大量无线传感器节点以自组织方式构成的网络，它具有传感器节点密度高、网络拓扑变化频繁以及节点功率、计算能力和数据存储能力有限等特点，使得无线传感器网络在环境监测军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。目前并没有一种基于无线传感器网络实现对船舶的远程监控，实现船舶安全监控的自动化和实时化的技术手段。
发明内容
针对上述问题，本发明提供远洋船舶安全监控系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了远洋船舶安全监控系统，包括无线传感器网络、船载监测设备、移动智能终端，所述无线传感器网络与所述船载监测设备通信连接，所述船载监测设备与所述移动智能终端通信连接，且所述船载监测设备还与至少一个卫星通信终端通信连接。
其中，所述无线传感器网络包括汇聚节点和多个传感器节点，多个传感器节点采集环境参数，汇聚节点汇聚多个传感器节点的环境参数并发送至所述船载监测设备；网络初始化时各传感器节点将自身的感知半径调节为Fmax，Fmax为传感器节点可调到的最大感知半径；无线传感器网络拓扑构建时，多个传感器节点被分为多个簇，每个簇设置一个簇首节点。
其中，所述数据辅助转发节点在接收的环境参数量达到设定的数据量阈值时，将接收的环境参数发送至所属的簇首节点；簇首节点接收的所有环境参数被传递至汇聚节点。
优选地，所述传感器节点包括微处理器单元、通信单元及电源管理单元。
优选地，所述环境参数包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、加速度中的任一种或者任多种。
本发明的有益效果为：采用无线传感器网络和移动智能终端实现对船舶的远程监控，实现了船舶安全监控的自动化和实时化，减少了不必要的人员伤亡又能够让管理人员实时掌握关键的数据，大大减小了危害发生的可能性，提高船舶安全管理水平。
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远洋船舶安全监控系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的传感器节点的结构示意框图。
附图标记：
无线传感器网络1、船载监测设备2、移动智能终端3、卫星通信终端4、微处理器单元10、通信单元20、电源管理单元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远洋船舶安全监控系统，无线传感器网络1、船载监测设备2、移动智能终端3，所述无线传感器网络1与所述船载监测设备2通信连接，所述船载监测设备2与所述移动智能终端3通信连接，且所述船载监测设备2还与至少一个卫星通信终端4通信连接；无线传感器网络1采集远洋船舶所处区域的环境参数，所述船载监测设备2对所述环境参数进行分析、存储，并将其发送给移动智能终端3以及所述卫星通信终端4。
其中，所述环境参数包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、加速度中的任一种或者任多种。其中，所述无线传感器网络1包括汇聚节点和多个传感器节点，多个传感器节点采集环境参数，汇聚节点汇聚多个传感器节点的环境参数并发送至所述船载监测设备2；网络初始化时各传感器节点将自身的感知半径调节为Fmax，Fmax为传感器节点可调到的最大感知半径；网络拓扑构建时，多个传感器节点被分为多个簇，每个簇设置一个簇首节点。
在一种能够实施的方式中，如图2所示，所述传感器节点包括微处理器单元10、通信单元20及电源管理单元30。
本发明上述实施例采用无线传感器网络和移动智能终端实现对船舶的远程监控，实现了船舶安全监控的自动化和实时化，减少了不必要的人员伤亡又能够让管理人员实时掌握关键的数据，大大减小了危害发生的可能性，提高船舶安全管理水平。
在一种能够实现的方式中，簇首节点在其簇内的传感器节点选择一个传感器节点作为数据辅助转发节点，簇首节点与所述数据辅助转发节点保持自身的感知半径始终为Fmax；在数据传输阶段，簇内其余传感器节点周期性地根据当前剩余能量调节自己的感知半径，根据感知半径采集环境参数，以及，在簇首节点和数据辅助转发节点中选择距离最近的作为目的节点，以将采集的环境参数发送至目的节点。
进一步地，所述数据辅助转发节点在接收的环境参数量达到设定的数据量阈值时，将接收的环境参数发送至所属的簇首节点；簇首节点接收的所有环境参数被传递至汇聚节点。
本实施例设置数据辅助转发节点进行环境参数的辅助收集，有利于降低簇首节点的负载，避免所有工作节点将环境参数都直接发送至簇首节点而产生过多能耗。
在一种能够实现的方式中，簇内其余传感器节点周期性地根据当前剩余能量调节自己的感知半径，包括：
Figure BDA0001787021610000031
式中，Fw′为传感器节点w调节之后的感知半径，Fw为传感器节点w调节之前的感知半径，Fw为传感器节点w当前调节后的感知半径，B(w)表示传感器节点w的目标节点，Ew,B(w)为传感器节点w与其目标节点的距离，G(w)为传感器节点w所属簇的簇半径，P为预设的距离影响因子，Aw为传感器节点w的当前剩余能量，AB(w)为所述目标节点的当前剩余能量。
网络中存活的传感器节点随着时间的推移，由于信号干扰等多方面的因素将造成通信能耗不均衡的问题，使得传感器节点剩余能量发生差异。若较低剩余能量的传感器节点仍然与其他传感器节点一样担任同样程度的感知任务，则很可能会快速失效，进而影响整个无线传感器网络的传输性能以及可靠性。
基于该问题，本实施例中，设置传感器节点定期根据自身的剩余能量调节自己的感知半径，并创新性地设定了传感器节点的感知半径调节公式。由该公式可知，随着传感器节点的能量减少，其感知半径也将随着调整而变小。
本实施例通过调节公式来为每个传感器节点设置合理的感知范围，有利于减少网络冗余覆盖和不必要的能量消耗，促进簇内各传感器节点的能耗平衡，进而益于减缓传感器节点的失效速率，延长网络生存期。
在一种能够实现的方式中，多个传感器节点基于LEACH路由协议进行分簇。在另一种实施方式中，多个传感器节点被分为多个簇，包括：
(1)汇聚节点向各传感器节点广播分簇消息，各传感器节点接收到所述分簇消息后，根据下列公式确定自己成为临时簇首节点的概率，并随机生成一个0到1的随机数，若确定的概率大于该随机数，则成为临时簇首节点：
Figure BDA0001787021610000032
式中，Hw为传感器节点w成为临时簇首节点的概率，Hw0为预设的传感器节点w成为临时簇首节点的初始概率，Aw为传感器节点w的当前剩余能量，Aw0为传感器节点w的初始能量；
(2)各临时簇首节点按照下列公式计算自己的优势值，并广播至通信范围内的其他传感器节点：
Figure BDA0001787021610000041
式中，qu表示临时簇首节点u的优势值，Gu为临时簇首节点u的最大传输距离，ru为临时簇首节点u的最大传输距离范围内的传感器节点个数，Eiu为临时簇首节点u与其最大传输距离范围内的第i个传感器节点的距离；
(3)各个传感器节点比较在其通信范围内的全部临时簇首节点的优势值，并选择优势值最大的临时簇首节点作为其最终所属的簇首节点。
本实施例提出了一种新的分簇路由协议，该协议先确定临时簇首节点，再根据临时簇首节点的优势值确定最终簇首节点。其中，本实施例提出了临时簇首节点的优势值计算公式，基于该优势值确定最终簇首节点，能够避免在彼此的最大传输距离范围内的两个传感器节点均称为簇首节点。本实施例能够提高簇首节点分布的均匀性，从而有益于均衡簇首节点之间的能耗，延长无线传感器网络的寿命。
在一种能够实现的方式中，簇首节点在其簇内的传感器节点选择一个传感器节点作为数据辅助转发节点，具体为：
(1)簇首节点计算簇内各传感器节点成为数据辅助转发节点的概率：
Figure BDA0001787021610000042
式中，9α为传感器节点α成为数据辅助转发节点的概率，rα为传感器节点α的最大传输距离范围内的传感器节点个数，Rα为传感器节点α所在簇具有的传感器节点个数，Aα为传感器节点α的当前剩余能量，Aα0为传感器节点α的初始能量，Aβ为传感器节点α的最大传输距离范围内第β个传感器节点的当前剩余能量，Aα0为所述第β个传感器节点的初始能量，d1、d2为预设的权重系数；
(2)簇首节点选取成为数据辅助转发节点的概率最大的传感器节点作为数据辅助转发节点。
本实施例创新性地设计了成为数据辅助转发节点的概率的计算公式，并依据各传感器节点成为数据辅助转发节点的概率来确定数据辅助转发节点，有益于提高数据辅助转发节点进行环境参数收集和传输的任务的可靠性。
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 (4)

1.远洋船舶安全监控系统，其特征是，包括无线传感器网络、船载监测设备、移动智能终端，所述无线传感器网络与所述船载监测设备通信连接，所述船载监测设备与所述移动智能终端通信连接，且所述船载监测设备还与至少一个卫星通信终端通信连接；所述无线传感器网络包括汇聚节点和多个传感器节点，多个传感器节点采集环境参数，汇聚节点汇聚多个传感器节点的环境参数并发送至所述船载监测设备；网络初始化时各传感器节点将自身的感知半径调节为Fmax，Fmax为传感器节点可调到的最大感知半径；无线传感器网络拓扑构建时，多个传感器节点被分为多个簇，每个簇设置一个簇首节点；簇首节点在其簇内的传感器节点选择一个传感器节点作为数据辅助转发节点，簇首节点与所述数据辅助转发节点保持自身的感知半径始终为Fmax；在数据传输阶段，簇内其余传感器节点周期性地根据当前剩余能量调节自己的感知半径，根据感知半径采集环境参数，以及，在簇首节点和数据辅助转发节点中选择距离最近的作为目的节点，以将采集的环境参数发送至目的节点；簇内其余传感器节点周期性地根据当前剩余能量调节自己的感知半径，包括：
Figure FDA0002954252110000011
式中，Fw′为传感器节点w调节之后的感知半径，Fw为传感器节点w调节之前的感知半径，B(w)表示传感器节点w的目标节点，Ew,B(w)为传感器节点w与其目标节点的距离，G(w)为传感器节点w所属簇的簇半径，P为预设的距离影响因子，Aw为传感器节点w的当前剩余能量，AB(w)为所述目标节点的当前剩余能量。
2.根据权利要求1所述的远洋船舶安全监控系统，其特征是，所述传感器节点包括微处理器单元、通信单元及电源管理单元。
3.根据权利要求1所述的远洋船舶安全监控系统，其特征是，所述环境参数包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、加速度中的任一种或者任多种。
4.根据权利要求1所述的远洋船舶安全监控系统，其特征是，所述数据辅助转发节点在接收的环境参数量达到设定的数据量阈值时，将接收的环境参数发送至所属的簇首节点；簇首节点接收的所有环境参数被传递至汇聚节点。
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