CN109342679A - 一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，该系统包括传感监测模块、数据分析处理模块、数据传输模块、监测中心和电源模块；传感监测模块用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，数据分析处理模块与传感监测模块相连接，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，并通过数据传输模块将评估结果传输给监测中心，监测中心与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向数据分析处理模块下发各种控制信号，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

一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统

技术领域

本发明涉及海洋环境监控技术领域，具体涉及一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统。

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，本发明提供一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，该系统包括传感监测模块、数据分析处理模块、数据传输模块、监测中心和电源模块；传感监测模块用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，数据分析处理模块与传感监测模块相连接，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，并通过数据传输模块将评估结果传输给监测中心，监测中心与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向数据分析处理模块下发各种控制信号，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，所述数据传输模块中设置有串口通信芯片，连接所述的数据分析处理模块，并通过防水电缆连接监测中心。

优选地，所述传感监测模块包括汇聚节点和多个传感器节点，所述传感器节点包括用于监测水质情况的第一传感器组件和用于监测环境情况的第二传感器组件，所述第一传感器组件包括用于分别监测水质酸碱值、溶解氧和盐度的传感器，所述第二组传感器组件包括用于分别监测水温和叶绿素浓度的传感器。

优选地，所述数据分析处理模块包括控制单元、数据预处理单元和分析评估单元；所述控制单元用于根据监测中心下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述数据预处理单元用于对异常数据和缺失数据进行预处理；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。

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监测中心，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海洋环境实时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数据分析处理模块的结构示意框图。

附图标记：

传感监测模块1、数据分析处理模块2、数据传输模块3、监测中心4、电源模块5、控制单元10、数据预处理单元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一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，该系统包括传感监测模块1、数据分析处理模块2、数据传输模块3、监测中心4和电源模块5；传感监测模块1用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，数据分析处理模块2与传感监测模块1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，并通过数据传输模块3将评估结果传输给监测中心4，监测中心4与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向数据分析处理模块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。

在一种可能实现的方式中，所述数据传输模块3中设置有串口通信芯片，连接所述的数据分析处理模块2，并通过防水电缆连接监测中心4。

在一种可能实现的方式中，所述传感监测模块1包括汇聚节点和多个传感器节点，汇聚节点将传感器节点采集的数据发送至数据分析处理模块2；

所述传感器节点包括用于监测水质情况的第一传感器组件和用于监测环境情况的第二传感器组件，所述第一传感器组件包括用于分别监测水质酸碱值、溶解氧和盐度的传感器，所述第二组传感器组件包括用于分别监测水温和叶绿素浓度的传感器。

在一种可能实现的方式中，如图2所示，所述数据分析处理模块2包括控制单元10、数据预处理单元20和分析评估单元30；所述控制单元10用于根据监测中心4下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述数据预处理单元20用于对异常数据和缺失数据进行预处理；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一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统结构简单，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监测中心4，保证了及时发现海洋水质污染从而提前处理。

在一种可能实现的方式中，网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，并确定自身到汇聚节点的路由方式，其中邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点；所述确定自身到汇聚节点的路由方式，包括：传感器节点满足直接转发条件时，直接将采集的数据发送至汇聚节点，若不满足直接转发条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的数据发送至下一跳节点；

其中所述直接转发条件为：

式中，G_i为传感器节点i的当前剩余能量，G_ih0为传感器节点i的第h个邻居节点的当前剩余能量，n_i为传感器节点i的邻居节点数量，G_min为预设的能量下限值；X(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，X_min为传感器节点可调的最小通信距离，X_max为传感器节点可调的最大通信距离，为取值函数，当时，当时，

本实施例基于能量和距离两个因素创造性地设定了直接转发条件，传感器节点根据自身是否符合直接转发条件来确定到汇聚节点的路由方式，具体为：传感器节点满足直接转发条件时，直接将采集的数据发送至汇聚节点，若不满足直接转发条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的数据发送至下一跳节点。

本实施例中传感器节点根据该直接转发条件确定路由方式，保障了路由的灵活性，且有利于提高数据发送至汇聚节点的可靠性，降低丢包率。

在一个实施例中，传感器节点定期根据当前剩余能量计算其通信距离阈值，当计算的通信距离阈值小于其与下一跳节点的距离时，传感器节点重新在与其距离小于该通信距离阈值的邻居节点中选择下一跳节点；其中，设定通信距离阈值的计算公式为：

式中，X_h(t)为传感器节点h在第t个周期计算的通信距离阈值，X_min为传感器节点可调的最小通信距离，X_max为传感器节点可调的最大通信距离，G_h为传感器节点h的当前剩余能量，G_i0为传感器节点i的初始能量，p为预设的距离调节因子，p的取值范围为[0.85，0.95]。

本实施例中传感器节点定期根据当前剩余能量计算其通信距离阈值，当其与下一跳节点的距离大于该通信距离阈值时，重新选择更近的邻居节点作为下一跳节点。其中，重新选择更近的邻居节点作为下一跳节点的方式，基于上述实施例的下一跳节点的选择机制进行。

本实施例能够使得传感器节点在能量较低时，及时选择距离较近的下一跳节点承担中继转发的任务，有利于减少传感器节点将数据发送至下一跳节点的能耗，从而降低传感器节点消耗能量的速率。

在一个实施例中，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，包括：

(1)传感器节点向其邻居表中各邻居节点发送竞选消息，任意邻居节点在接收到所述竞选消息后计算等待时间：

式中，X_ij表示传感器节点i的第j个邻居节点计算的等待时间，G_ij为所述第j个邻居节点的当前剩余能量，G_ijo为所述第j个邻居节点的初始能量，X(j，sink)为所述第j个邻居节点到汇聚节点的距离，X(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，X₁为预设的基于能量的等待时间，X₂为预设的基于距离的等待时间；

(2)任意邻居节点j等待X_ij后，向传感器节点i发送反馈消息；

(3)传感器节点i将接收到的第一个反馈消息所对应的邻居节点作为下一跳节点。

本实施例提出了下一跳节点的选择机制，基于该机制，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点时，向各邻居节点发送竞选消息，并以收到邻居节点的反馈消息的时间顺序确定下一跳节点。

其中通过等待时间的设计，能够将邻居节点的等待时间控制在一个合理的范围内，并且能够使得剩余能量较多且距离汇聚节点较近的邻居节点具有较短的等待时间，从而使得该邻居节点具有更大的概率充当传感器节点的下一跳节点，以提高数据多跳转发的可靠性。

本实施例通过由邻居节点自行计算等待时间，无需传感器节点自行收集各邻居节点的信息，节省了传感器节点的能量消耗，且有益于提高确定下一跳节点的效率。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，各模块可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路、数字信号处理器、数字信号处理设备、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于存储器或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。

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)

1.一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，其特征是，包括传感监测模块、数据分析处理模块、数据传输模块、监测中心和电源模块；传感监测模块用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，数据分析处理模块与传感监测模块相连接，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，并通过数据传输模块将评估结果传输给监测中心；监测中心与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向数据分析处理模块下发各种控制信号，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所述的一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，其特征是，所述数据传输模块中设置有串口通信芯片，连接所述的数据分析处理模块，并通过防水电缆连接监测中心。

3.根据权利要求1所述的一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，其特征是，所述传感监测模块包括汇聚节点和多个传感器节点，，汇聚节点将传感器节点采集的数据发送至数据分析处理模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，其特征是，所述数据分析处理模块包括控制单元、数据预处理单元和分析评估单元；所述控制单元用于根据监测中心下发的各种控制指令控制水下机器人的活动状态；所述数据预处理单元用于对异常数据和缺失数据进行预处理；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。

5.根据权利要求3所述的一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，其特征是，所述传感器节点包括用于监测水质情况的第一传感器组件和用于监测环境情况的第二传感器组件，所述第一传感器组件包括用于分别监测水质酸碱值、溶解氧和盐度的传感器，所述第二组传感器组件包括用于分别监测水温和叶绿素浓度的传感器。

6.根据权利要求3所述的一种基于水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，其特征是，网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，并确定自身到汇聚节点的路由方式，其中邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点；所述确定自身到汇聚节点的路由方式，包括：传感器节点满足直接转发条件时，直接将采集的数据发送至汇聚节点，若不满足直接转发条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的数据发送至下一跳节点；

其中所述直接转发条件为：

式中，G_i为传感器节点i的当前剩余能量，G_ih0为传感器节点i的第h个邻居节点的当前剩余能量，n_i为传感器节点i的邻居节点数量，G_min为预设的能量下限值；X(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，X_min为传感器节点可调的最小通信距离，X_max为传感器节点可调的最大通信距离，为取值函数，当时，当时，