CN109121110A - 海洋环境智能感测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了海洋环境智能感测系统，该系统包括感测子系统、监测终端、通信模块、控制装置和电源模块；感测子系统用于采集海洋环境参数指标数据，感测子系统包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点；监测终端与汇聚节点相连接，用于对采集得到的海洋环境参数指标数据进行处理从而根据处理后的海洋环境参数指标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装置，控制装置用于存储接收到的海洋环境参数指标数据并根据评估结果向监测终端下发各种控制信号，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

海洋环境智能感测系统

技术领域

本发明涉及海洋环境监控技术领域，具体涉及海洋环境智能感测系统。

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，本发明提供海洋环境智能感测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了海洋环境智能感测系统，该系统包括感测子系统、监测终端、通信模块、控制装置和电源模块；感测子系统用于采集海洋环境参数指标数据，感测子系统包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集海洋环境参数指标数据，汇聚节点收集传感器节点采集的海洋环境参数指标数据并发送至监测终端；监测终端与汇聚节点相连接，用于对采集得到的海洋环境参数指标数据进行处理从而根据处理后的海洋环境参数指标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装置，控制装置用于存储接收到的海洋环境参数指标数据并根据评估结果向监测终端下发各种控制信号，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，连接所述的监测终端，并通过防水电缆连接控制装置。

优选地，所述监测终端包括控制单元、处理单元和分析评估单元；所述控制单元用于根据控制装置下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述处理单元用于对海洋环境参数指标数据进行预处理；所述分析评估单元用于根据处理后的海洋环境参数指标数据进行海洋环境的评估。

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，能够实现对海洋环境的有效监测，并将监测结果传输给控制装置，保证了及时发现海洋环境污染从而提前处理。

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海洋环境智能感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终端的结构示意框图。

附图标记：

感测子系统1、监测终端2、通信模块3、控制装置4、电源模块5、控制单元10、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海洋环境智能感测系统，该系统包括感测子系统1、监测终端2、通信模块3、控制装置4和电源模块5；感测子系统1用于采集海洋环境参数指标数据，感测子系统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，传感器节点采集海洋环境参数指标数据，汇聚节点收集传感器节点采集的海洋环境参数指标数据并发送至监测终端；监测终端2与汇聚节点相连接，用于对采集得到的海洋环境参数指标数据进行处理从而根据处理后的海洋环境参数指标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装置4，控制装置4用于存储接收到的海洋环境参数指标数据并根据评估结果向监测终端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，连接所述的监测终端2，并通过防水电缆连接控制装置4。

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

本发明上述实施例的海洋环境智能感测系统结构简单，灵活方便，通过各模块之间的相互配合，能够实现对海洋环境的有效监测，并将监测结果传输给控制装置，保证了及时发现海洋环境污染从而提前处理。

在一个实施例中，传感器节点被分成多个簇，每个簇设置一个簇头，簇内的传感器节点将采集的海洋环境参数指标数据传送至对应的簇头，簇头将接收的海洋环境参数指标数据通过多跳路由的方式传输至汇聚节点。在一种实施方式中，多个传感器节点基于LEACH路由协议进行分簇。本发明对传感器节点的分簇方式不作限定。

在一个实施例中，传感器节点的感知半径范围为[r₀,r₁]，部署传感器节点时，设置各传感器节点的感知半径相同且初始感知半径为r₀；在分簇后，簇头将自身的感知半径调节为r₁；分簇后，簇头收集簇内各传感器节点的位置信息，并根据位置信息计算簇内各传感器节点的感知强度，若簇内传感器节点的感知强度小于预设感知强度阈值，则该传感器节点成为覆盖盲点；当存在覆盖盲点时，簇头对距离所述覆盖盲点最近的传感器节点的感知半径进行调整；其中，设置感知强度的计算公式为：

式中，P_ij为簇头i对应簇内传感器节点j的感知强度，n_i为簇头i对应簇内的传感器节点数量，r_f为簇头i对应簇内的第f个传感器节点的当前感知半径，D_fj为簇头i对应簇内的第f个传感器节点与所述传感器节点j之间的距离，f≠j；e为自然常数，k为预设的信号衰减指数，u为预设的环境干扰影响因子；Z(D_fj,r_f)为判断取值函数，当D_fj>r_f时，Z(D_fj,r_f)＝0，当D_fj≤r_f时，Z(D_fj,r_f)＝1。

在一个实施例中，所述簇头对距离所述覆盖盲点最近的传感器节点的感知半径进行调整，包括：

(1)簇头向当存在覆盖盲点时，簇头向距离所述覆盖盲点最近的传感器节点发送感知半径调整指令；传感器节点接收到所述感知半径调整指令时，将自身的感知半径调整为,1+a)r_f，a为预设的调整比例，a的取值范围为[5％,10％]；

(2)簇头重新计算所述覆盖盲点的感知强度，若该感知强度仍小于预设感知强度阈值，重复(1)，直至簇内不存在覆盖盲点。

传感器节点感知过程中物理信号的能量与其感知目标的距离呈相反趋势变化，主要由于信号在传输过程中的路径衰减等因素导致而成。本实施例根据该规律，设计了传感器节点感知强度的计算公式。传感器节点的感知强度越小，表明其被感知覆盖的概率越小。

本实施例将感知强度小于预设感知强度阈值的传感器节点作为覆盖盲点，由簇头通过发送指令的方式对距离所述覆盖盲点最近的传感器节点的感知半径进行增大调整，以达到消除覆盖盲点的目的，从而保障一定的网络覆盖率，使得获取的海洋环境参数指标数据能够更加详细精确。

在一个实施例中，在数据传输阶段，簇头定期将自身的当前剩余能量信息广播至各传感器节点，传感器节点在接收到所述当前剩余能量信息后，根据所述当前剩余能量信息和自身的剩余能量调节自己的感知半径，设定调节公式为：

式中，r_ij ¹为调节后的簇头i对应簇内传感器节点j的感知半径，r_ij ⁰为调节前的簇头i对应簇内传感器节点j的感知半径，D_ij为簇头i与其簇内传感器节点j的距离，Q_ij为该簇内传感器节点j的当前剩余能量，Q_i为簇头i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工作任务，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，其感知半径也将调小。通过本实施例的调节公式进行传感器节点感知半径的定期调节，能够有效减缓传感器节点的失效速率，在保障一定的覆盖率的前提下尽可能地平衡簇内传感器节点的能耗，进而有益于促进整个网络能耗均衡，延长无线传感器网络的寿命。

在一个实施例中，簇头按照下列公式计算簇内各传感器节点的优势值，将优势值最大的传感器节点作为辅助节点，并相应地广播消息至簇内各传感器节点；簇内各传感器节点在簇头和辅助节点中选择距离最近的作为目的节点，并将自身采集的海洋环境参数指标数据发送至目的节点；辅助节点接收到的海洋环境参数指标数据量达到设定的数据量阈值时，将接收到的海洋环境参数指标数据发送至对应的簇头；其中，设定优势值的计算公式为：

式中，Y_ij为簇头i对应簇内传感器节点j的优势值，P_ij为所述传感器节点j的感知强度，G_ij为所述传感器节点j的缓存大小，G_i为簇头i的缓存大小，w₁、w₂为设定的权重系数。

本实施例设置辅助节点进行海洋环境参数指标数据的辅助收集，有利于降低簇头的负载，避免所有工作节点将海洋环境参数指标数据都直接发送至簇头而产生过多能耗。本实施例创新性地设计了优势值的计算公式，并依据优势值确定辅助节点，有益于提高辅助节点进行海洋环境参数指标数据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 (6)

1.海洋环境智能感测系统，其特征是，包括感测子系统、监测终端、通信模块、控制装置和电源模块；感测子系统用于采集海洋环境参数指标数据，感测子系统包括汇聚节点和多个部署于该监测区域内的传感器节点，传感器节点采集海洋环境参数指标数据，汇聚节点收集传感器节点采集的海洋环境参数指标数据并发送至监测终端；监测终端与汇聚节点相连接，用于对采集得到的海洋环境参数指标数据进行处理从而根据处理后的海洋环境参数指标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装置，控制装置用于存储接收到的海洋环境参数指标数据并根据评估结果向监测终端下发各种控制信号，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所述的海洋环境智能感测系统，其特征是，所述通信模块中设置有串口通信芯片，连接所述的监测终端，并通过防水电缆连接控制装置。

3.根据权利要求1所述的海洋环境智能感测系统，其特征是，所述监测终端包括控制单元、处理单元和分析评估单元；所述控制单元用于根据控制装置下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述处理单元用于对海洋环境参数指标数据进行预处理；所述分析评估单元用于根据处理后的海洋环境参数指标数据进行海洋环境的评估。

4.根据权利要求1-3任一项所述的海洋环境智能感测系统，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所述的海洋环境智能感测系统，其特征是，传感器节点被分成多个簇，每个簇设置一个簇头，簇内的传感器节点将采集的海洋环境参数指标数据传送至对应的簇头，簇头将接收的海洋环境参数指标数据通过多跳路由的方式传输至汇聚节点。

6.根据权利要求5所述的海洋环境智能感测系统，其特征是，传感器节点的感知半径范围为[r₀，r₁]，部署传感器节点时，设置各传感器节点的感知半径相同且初始感知半径为r₀；在分簇后，簇头将自身的感知半径调节为r₁；分簇后，簇头收集簇内各传感器节点的位置信息，并根据位置信息计算簇内各传感器节点的感知强度，若簇内传感器节点的感知强度小于预设感知强度阈值，则该传感器节点成为覆盖盲点；当存在覆盖盲点时，簇头对距离所述覆盖盲点最近的传感器节点的感知半径进行调整；其中，设置感知强度的计算公式为：

式中，P_ij为簇头i对应簇内传感器节点j的感知强度，n_i为簇头i对应簇内的传感器节点数量，r_f为簇头i对应簇内的第f个传感器节点的当前感知半径，D_fj为簇头i对应簇内的第f个传感器节点与所述传感器节点j之间的距离，f≠j；e为自然常数，k为预设的信号衰减指数，u为预设的环境干扰影响因子；Z(D_fj，r_f)为判断取值函数，当D_fj＞r_f时，Z(D_fj，r_f)＝0，当D_fj≤r_f时，Z(D_fj，r_f)＝1。