应用水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统的制作方法

本发明涉及海洋环境监控技术领域，具体涉及应用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。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供应用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：

提供了应用水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，该系统包括海洋环境监测模块、处理模块、传输模块、远程监控终端和电源模块；海洋环境监测模块用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，处理模块与海洋环境监测模块相连接，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，并通过传输模块将评估结果传输给远程监控终端，远程监控终端与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向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，所述传输模块中设置有串口通信芯片，连接所述的处理模块，并通过防水电缆连接远程监控终端。

优选地，所述海洋环境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远程监控终端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远程监控终端，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处理模块的结构示意框图。

附图标记：

海洋环境监测模块1、处理模块2、传输模块3、远程监控终端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应用水下机器人的海洋环境污染智能实时监测系统，该系统包括海洋环境监测模块1、处理模块2、传输模块3、远程监控终端4和电源模块5；海洋环境监测模块1用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，处理模块2与海洋环境监测模块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，并通过传输模块3将评估结果传输给远程监控终端4，远程监控终端4与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向处理模块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，所述传输模块3中设置有串口通信芯片，连接所述的处理模块2，并通过防水电缆连接远程监控终端4。

在一种可能实现的方式中，所述海洋环境监测模块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用于根据远程监控终端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应用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远程监控终端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，传感器节点可在[zmin，zmax]的范围内调节自身的通信距离，初始时，各传感器节点调节自身的通信距离为zmax，其中zmin为传感器节点可调节的最小通信距离，zmax为传感器节点可调节的最大通信距离；传感器节点在初始时确定将数据传输至汇聚节点的传输方式，并根据所述传输方式将数据传输至汇聚节点，具体为：

(1)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，其中邻居节点为位于传感器节点通信距离范围内的其他传感器节点；

(2)传感器节点判断自身是否满足直接传输数据条件，若满足，传感器节点直接将采集的数据发送至汇聚节点，若不满足直接传输数据条件，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，所述的直接传输数据条件为：

式中，v(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，为与传感器节点i距离最近的邻居节点，为与传感器节点i距离次近的邻居节点，为所述最近的邻居节点到汇聚节点的距离，为所述次近的邻居节点到汇聚节点的距离，为判断取值函数，

当时，

当时，

本实施例中，传感器节点基于通信距离确定邻居表，并在初始时确定将数据传输至汇聚节点的传输方式，以根据所述传输方式将数据传输至汇聚节点。在确定传输方式时，本实施例创造性地设定了直接传输数据条件，根据该直接传输数据条件可知，当传感器节点的通信距离小于其到汇聚节点的距离，且相对于其邻居节点距离汇聚节点更近时，与汇聚节点直接通信，选择直接发送的形式将数据直接传输至汇聚节点，否则与汇聚节点间接通信，按照多跳转发的形式转发数据。

本实施例按照传感器节点的实际位置情况确定路由方式，保障了路由的灵活性，有利于提高数据发送至汇聚节点的可靠性，降低丢包率，且能够尽可能地减少传感器节点发送数据的能耗。

在一种能够实现的方式中，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，具体包括：

(1)传感器节点将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点；

(2)传感器节点向其两个备选节点发送竞选消息，该两个备选节点在接收到所述竞选消息后计算等待时间：

式中，cik表示传感器节点i的第k个备选节点计算的等待时间，hik为所述第k个备选节点的当前剩余能量，hiko为所述第k个备选节点的初始能量，v(k，sink)为所述第k个备选节点到汇聚节点的距离，v(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，v(i，k)为传感器节点i与该第k个备选节点的距离，zi为传感器节点i的通信距离，c1为预设的基于能量的等待时间，c2为预设的基于距离的等待时间；a1、a2为设定的权重系数；

(3)备选节点按照等待时间启动计时器，计时结束后向传感器节点i发送反馈消息；

(4)传感器节点i将接收到的第一个反馈消息所对应的备选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，将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点，向各备选节点发送竞选消息，并以收到备选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，能够将备选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位置优势更好的备选节点具有较短的等待时间，从而使得该备选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。

在一种能够实现的方式中，初始时，汇聚节点收集各传感器节点的初始能量信息，并根据初始能量信息计算网络平均能量；各传感器节点确定将数据传输至汇聚节点的传输方式后，按照确定的传输方式建立其到汇聚节点的路由路径，与汇聚节点直接通信的传感器节点接收由汇聚节点发送的网络平均能量信息；与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期周期性地根据自身的当前剩余能量和网络平均能量信息定期更新自己的通信距离，并根据更新后的通信距离更新自己的邻居表，以及重新确定将数据传输至汇聚节点的传输方式。

所述通信距离的更新方式为：

式中，zj(t)为与汇聚节点直接通信的传感器节点j在第t个周期更新的通信距离，hj0为与所述传感器节点j的初始能量，hj(t)为所述传感器节点j在第t个周期更新通信距离时的当前剩余能量，havg为所述网络平均能量，zmin为传感器节点可调节的最小通信距离，zmax为传感器节点可调节的最大通信距离，b为基于能耗的通信距离影响因子，b的取值范围为[0.8，0.9]。

本实施例中，与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期周期性地根据自身的当前剩余能量定期更新自己的通信距离。

本实施例相应地提出了通信距离的更新公式。通过该更新公式可知，与汇聚节点直接通信的传感器节点随着能耗的增加逐渐减小自己的通信距离。通过周期性地调节通信距离的方式，本实施例能够使得与汇聚节点直接通信的传感器节点及时更新将数据传输至汇聚节点的传输方式，提高了路由的灵活性，有利于降低传感器节点传输数据的能耗速率，避免传感器节点因维持固定的传输方式而导致能耗快速增加，从而进一步保障无线传感器网络的稳定性，提高数据传输至汇聚节点的可靠度。

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。