專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋環(huán)境監(jiān)測及無線通信領(lǐng)域，特別是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在全球陸地資源日趨緊張和環(huán)境不斷惡化的今天，世界各國紛紛將目光轉(zhuǎn)向海洋，開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟以為沿海國家國民經(jīng)濟的重要支柱，也是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的前沿陣地。海洋的合理開發(fā)利用必須建立在豐富的海洋信息基礎(chǔ)之上。有效開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟和保護海洋環(huán)境，必須認識并掌握海洋環(huán)境的特點和變化規(guī)律，而海洋環(huán)境監(jiān)測是人類認識海洋、掌握海洋環(huán)境條件及其變化規(guī)律的基本手段。從某種意義上講，海洋環(huán)境監(jiān)測的能力，直接影響著海洋資源開發(fā)和海洋環(huán)境保護的程度和效果。海洋開發(fā)帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也帶來一系列資源和生態(tài)環(huán)境問題。目前近海漁業(yè)資源捕撈過度，使海洋生物資源受到了嚴重的破壞。海洋環(huán)境污染日趨嚴重，生態(tài)環(huán)境也日趨惡劣。陸源污染是海洋環(huán)境污染最主要的污染源，石油生產(chǎn)也嚴重污染海洋環(huán)境。 此外還有不斷增加的有機物質(zhì)、營養(yǎng)鹽和大量的放射性物質(zhì)進入海洋，工業(yè)熱污染以及其他固體物質(zhì)對海洋的污染也在加強。我國海洋污染主要來源于陸源排污，排入中國海域的污水和各種有毒物質(zhì)的80%來自陸地。70年代以前只在少數(shù)海域發(fā)生的赤潮，近年來發(fā)生頻率逐年增加，面積加大，持續(xù)時間增大，損害嚴重。而緩慢性的災害如厄爾尼諾、海岸侵蝕、海平面升降等災害也頻頻出現(xiàn)，因此海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究和開發(fā)顯得尤為重要。我國的海洋環(huán)境監(jiān)測目前存在的主要問題一是缺乏一種覆蓋足夠細致的監(jiān)控系統(tǒng)。二是監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度不高。目前海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器都是以有線的方式與控制臺相連，傳感器的數(shù)量和位置都是固定不變的，要得到海洋局部的環(huán)境參數(shù)是不可能的，而且有線方式的現(xiàn)場布線難度和成本較高且信號線老化后系統(tǒng)的誤報警率、故障率都比較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明克服了以往的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題一是通過無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)對海洋任意局部環(huán)境的感知覆蓋。二是傳感器節(jié)點本身的計算能力和無線通信能力實現(xiàn)了海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，同時將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與嵌入式web相連提高了海洋環(huán)境參數(shù)的傳播范圍并提高了信息的實時性。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)，其特征在于，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和海洋環(huán)境監(jiān)測中心，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入無線網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連接，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過英特網(wǎng)連接海洋環(huán)境監(jiān)測中心。優(yōu)選地，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括位于待測點的多個無線傳感器節(jié)點和與無線傳感器節(jié)點對應(yīng)設(shè)置的匯聚節(jié)點，所述無線傳感器節(jié)點通過匯聚節(jié)點接入無線網(wǎng)關(guān)。
優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用的是基于ARM的嵌入式系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述無線傳感器節(jié)點由采集板C51RF-WSN-DA100和基于ZigBee技術(shù)的 CC2430無線高頻芯片組成?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測方法包括如下步驟1)由無線傳感器節(jié)點對海洋中待測點處的環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測2)由無線傳感器節(jié)點將采集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再將數(shù)據(jù)跳傳給無線網(wǎng)關(guān)；3)與無線網(wǎng)關(guān)連接的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)讀取無線網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中；4)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)每隔一段時間刷新進入數(shù)據(jù)庫的環(huán)境參數(shù)；環(huán)境監(jiān)測人員通過在瀏覽器窗口輸入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的IP地址；進入海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)界面，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，；對海洋環(huán)境進行實時監(jiān)測。優(yōu)選地，步驟3中匯聚節(jié)點對環(huán)境參數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后再傳送給無線網(wǎng)關(guān)。優(yōu)選地，步驟4中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不斷掃描最近一段刷新時間內(nèi)進入數(shù)據(jù)庫的環(huán)境參數(shù)，使環(huán)境參數(shù)與預先設(shè)定的各類參數(shù)門限值進行比較，如果超過門限值則判定為異常， 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過英特網(wǎng)遠程控制海洋環(huán)境監(jiān)測中心的蜂鳴器發(fā)出報警信號。優(yōu)選地，所述環(huán)境參數(shù)包括溫度、鹽度、含氧量、PH值。優(yōu)選地，所述刷新時間為一分鐘。綜上所述，本發(fā)明所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以用于完成對海洋環(huán)境的實時全面監(jiān)測，其所采用的監(jiān)測方法可以對海洋環(huán)境的變化做出及時的應(yīng)對措施。本發(fā)明的有益效果1、系統(tǒng)采用無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)測相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠程在線監(jiān)測；2、采用了無線通信方式來構(gòu)建海洋環(huán)境的實時監(jiān)測和智能預警系統(tǒng)，較好地克服了人工方式現(xiàn)場工作量大和無法保證數(shù)據(jù)實時有效性的缺點；3、有效地解決了有線方式在現(xiàn)場布線難度和成本較高且信號線老化后系統(tǒng)的誤報警率、故障率不斷上升的缺點。


圖1是本發(fā)明中所述監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中匯聚節(jié)點功能流程圖；圖3是本發(fā)明中傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明中boa服務(wù)器執(zhí)行流程圖；圖5是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)識別異常數(shù)據(jù)發(fā)送報警信號流程圖。 具體實施方案如圖1所示，本發(fā)明中海洋環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)包括以下幾個部分包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1、無線網(wǎng)關(guān)2，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3，海洋環(huán)境監(jiān)測中心4。
整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能如下所述無線傳感器節(jié)點111-143通過自身連接的多種傳感器采集環(huán)境信息，每個節(jié)點將采集好的環(huán)境信息經(jīng)過局部融合后發(fā)送給匯聚節(jié)點11-14。 匯聚節(jié)點11-14再對一段時間內(nèi)該區(qū)域所有無線傳感器節(jié)點111-143采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行全局融合處理，然后采用最小跳數(shù)的路由協(xié)議將融合后的數(shù)據(jù)跳傳給無線網(wǎng)關(guān)2。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3通過一條串行通信線與無線網(wǎng)關(guān)2相連，并讀取無線網(wǎng)關(guān)2接收到的數(shù)據(jù)。收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)將存儲在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3的數(shù)據(jù)庫中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3每隔一段時間就會刷新進入數(shù)據(jù)庫的環(huán)境參數(shù)。環(huán)境監(jiān)測人員通過在瀏覽器窗口輸入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3的IP地址，如 http ://192. 168. 58. 16，就會進入海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)界面，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，就可以對海洋環(huán)境進行實時監(jiān)測。同時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3的監(jiān)控程序會不斷的掃描最近一分鐘內(nèi)進入數(shù)據(jù)庫的環(huán)境數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)超過管理員設(shè)定的門限值則判定為異常，則網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3通過英特網(wǎng)遠程控制監(jiān)測中心4的蜂鳴器41發(fā)出報警信號，從而實現(xiàn)預警的功能。如圖2所示，流程圖描述了匯聚節(jié)點11-14和傳感器節(jié)點111-143形成分層次網(wǎng)絡(luò)拓撲的方法。為了節(jié)省傳感器節(jié)點能量，因此匯聚節(jié)點11-14任務(wù)由接收數(shù)據(jù)包事件驅(qū)動。其步驟如下1、任務(wù)進入等待狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù)包事件的發(fā)生；2、當接收到一個無線數(shù)據(jù)包時，程序結(jié)束等待狀態(tài)，進入執(zhí)行狀態(tài)；3、判斷是否是其他匯聚節(jié)點11-14發(fā)送的數(shù)據(jù)包，如果是其他匯聚節(jié)點11-14發(fā)送的數(shù)據(jù)包那么執(zhí)行步驟4，否則進入步驟8 ；4、提取數(shù)據(jù)包中的跳數(shù)字段；5、匯聚節(jié)點11-14查看自己距離無線網(wǎng)關(guān)2的跳數(shù)是否仍然為空，如果為空那么執(zhí)行步驟6，否則進入步驟7 ；6、將提取的數(shù)據(jù)包中的跳數(shù)字段加1變?yōu)樽约旱奶鴶?shù)，進入步驟10 ；7、將提取的數(shù)據(jù)包中的跳數(shù)字段加1后看是否小于自己距離無線網(wǎng)關(guān)2的跳數(shù)， 如果小于那么進入步驟6，否則進入步驟10 ；8、判斷是否是同一個區(qū)域傳感器節(jié)點111-143發(fā)送的數(shù)據(jù)包，如果是進入步驟9， 否則進入步驟10 ；9、將各傳感器節(jié)點111-143數(shù)據(jù)進行融合處理，進入步驟10 ；10、回到任務(wù)的等待狀態(tài)。如圖3所示，結(jié)構(gòu)圖描繪了傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)融合。本發(fā)明運用具有反饋的分布卡爾曼濾波信息融合方法，對傳感器進行數(shù)據(jù)融合。 首先對每個傳感器節(jié)點111-143進行局部卡爾曼濾波信息融合，然后將各自的局部估計結(jié)果送往匯聚節(jié)點11-14進行全局融合。而且由于增加了反饋環(huán)節(jié)，使得層間傳感器具有雙向聯(lián)系，不僅低層融合信息向高層傳遞，高層信息也參與低層節(jié)點處理，各傳感器節(jié)點之間具有了一種層間的有線聯(lián)系。經(jīng)過融合處理后可以使融合精度高于單個傳感器精度，而且數(shù)據(jù)的傳輸量大大降低，從而減少了信息的傳輸量，減輕網(wǎng)絡(luò)沖突和擁塞。如圖4所示，流程圖描繪了通過英特網(wǎng)進行遠程監(jiān)測的boa服務(wù)器的執(zhí)行過程，其步驟如下1、啟動WEB服務(wù)器，為后續(xù)做準備；2、初始化定義；
5
3、創(chuàng)建、設(shè)定、綁定套接字；4、監(jiān)聽端口，看是否有請求，若有則進入步驟5，否則繼續(xù)監(jiān)聽端口 ；5、接受請求，并解析該請求；6、查看是否有CGI請求，若有進入步驟7，否則進入步驟8 ；7、對URL進行數(shù)據(jù)解碼并執(zhí)行該CGI程序；8、讀取靜態(tài)頁面給WEB瀏覽器；9、根據(jù)執(zhí)行結(jié)果把海洋環(huán)境的參數(shù)從數(shù)據(jù)庫中讀出，并輸出給TOB服務(wù)器；10、結(jié)束如圖5所示，流程圖描述了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3識別異常數(shù)據(jù)并發(fā)送報警信號的方法包括如下步驟1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3初始化內(nèi)部的計時器；2、查看計時器是否已計時到一分鐘，如果到了一分鐘進入步驟3，否則進入步驟 5 ；3、查看網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲的近一分鐘的數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)超過閥值，如果有數(shù)據(jù)超過閥值進入步驟4，否則進入數(shù)據(jù)5 ；4、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3通過英特網(wǎng)遠程控制環(huán)境監(jiān)測中心4的蜂鳴器41工作，發(fā)出報
警信號；5、計時器重新計時。
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)，其特征在于，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(1)、無線網(wǎng)關(guān)O)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(3)和海洋環(huán)境監(jiān)測中心G)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ⑴接入無線網(wǎng)關(guān)O)、無線網(wǎng)關(guān)⑵與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)⑶連接，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)⑶通過英特網(wǎng)連接海洋環(huán)境監(jiān)測中心G)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)，其特征在于所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(1)包括位于待測點的多個無線傳感器節(jié)點和與無線傳感器節(jié)點對應(yīng)設(shè)置的匯聚節(jié)點，所述無線傳感器節(jié)點通過匯聚節(jié)點接入無線網(wǎng)關(guān)(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(3)采用的是基于ARM的嵌入式系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點由采集板C51RF-WSN-DA100和基于ZigBee技術(shù)的CCM30無線高頻芯片組成。
5.一種如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟1)由無線傳感器節(jié)點對海洋中待測點處的環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測；2)由無線傳感器節(jié)點將采集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再將數(shù)據(jù)跳傳給無線網(wǎng)關(guān)O)；3)與無線網(wǎng)關(guān)(2)連接的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(3)讀取無線網(wǎng)關(guān)(2)接收到的數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(3)的數(shù)據(jù)庫中；4)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)( 每隔一段時間刷新進入數(shù)據(jù)庫的環(huán)境參數(shù)；環(huán)境監(jiān)測人員通過在瀏覽器窗口輸入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的IP地址；進入海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)界面，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，；對海洋環(huán)境進行實時監(jiān)測。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，步驟3中匯聚節(jié)點對環(huán)境參數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后再傳送給無線網(wǎng)關(guān)(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，步驟4中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(3)不斷掃描最近一段刷新時間內(nèi)進入數(shù)據(jù)庫的環(huán)境參數(shù)，使環(huán)境參數(shù)與預先設(shè)定的各類參數(shù)門限值進行比較，如果超過門限值則判定為異常，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)C3)通過英特網(wǎng)遠程控制海洋環(huán)境監(jiān)測中心的蜂鳴器Gl)發(fā)出報警信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于所述環(huán)境參數(shù)包括溫度、鹽度、含氧量、PH值。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，所述刷新時間為一分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)及方法，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和海洋環(huán)境監(jiān)測中心，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括位于待測點的無線傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點，所述無線傳感器節(jié)點通過匯聚集點接入無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相連，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過英特網(wǎng)連接到海洋環(huán)境監(jiān)測中心。相應(yīng)的還公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測方法。本發(fā)明可用于海洋環(huán)境的實時監(jiān)測預警，且能夠?qū)Ｑ蟓h(huán)境的變化作出及時的應(yīng)對措施。
文檔編號G08B25/10GK102280013SQ20111019225
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者夏捷, 曾慶軍, 朱志宇, 王沖, 王彪, 王波 申請人:江蘇科技大學