一套基于卫星通信的水环境参数监测系统的制作方法

本实用新型涉及水环境参数监测的技术领域，具体涉及一套基于卫星通信的水环境参数监测系统。

背景技术：

随着人民生活水平的不断提高，以及社会生产力的极大发展，环保的重要性日益提高，“生态文明建设，添彩美丽中国”也要求要留住绿水青山。水环境参数监测技术作为环保的重要一环，其重要性不言而喻。

现有的水环境参数监测往往分离成两个部分：水文参数监测和水质参数检测。水文参数监测大多依靠布局众多的水文监测站，将监测到的水文数据依靠有线或无线（含4G）网络等方式传输至数据中心。水质参数检测一般是由实验员对某流域内的多个位置随机抽样，然后将样本带回到实验室中，通过一系列的实验设备和实验操作，获取精确的水质参数。

水文参数监测在偏远地区或者山区，没有GPRS或4G信号时，就难以实时上传监测数据。水质参数检测在实验室内进行，检测结果较为单一，但水质的变化是随着时间变化的，检测结果也仅能反应当前样本的水质情况，数据的实时性很差。此外，水文监测和水质检测均需要耗费大量的人力成本、时间成本，然而成效却并不明显。

目前国际上已经开始流行发射微小卫星满足多样化的功能需求。谷歌公司就已经开始发射“鸽群”星座，用于对地观测成像，国内的欧比特公司也发射了两颗卫星，主要作用是拍摄热点地区的视频影像。微小卫星具有成本低廉、快速发射、可替代性好等优点，非常适合用于功能单一的任务需求。目前，我国已发射了大量的遥感、导航、气象等卫星，但仍然没有一颗专门用于水文水质方向的卫星。

因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一套基于卫星通信的水环境参数监测系统，本案由此产生。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一套基于卫星通信的水环境参数监测系统，整个系统能够实时展示水环境参数，能为水域污染治理提供决策支持，也能为水域修复效果评估提供数据支撑。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：

一套基于卫星通信的水环境参数监测系统，包括一颗微小卫星、监测中心和多个传感器组，传感器组将水环境参数的数据发送至卫星，并通过卫星将数据下发至监测中心存储；传感器组设有传感器、存储单元、编码模块、加密模块、数字调制模块、无线电发射模块、供电模块、防水模块和自毁模块；卫星包括无线电检波模块、数字解调模块、星上存储单元、加密模块、编码模块以及其它附属的子系统；监测中心由数据接收子系统、数据存储子系统和数据展示子系统组成。

进一步，传感器组的传感器包括流速传感器、水位传感器、水文传感器、泥沙含量传感器和pH传感器。

进一步，传感器组将数据发送至卫星进行一次编码和加密，卫星将数据发送至监测中心进行一次编码和加密。

进一步，卫星的其它附属的子系统包括调制模块、无线电发射模块、供电模块、指令与控制系统和姿态稳定模块。

进一步，监测中心的数据接收子系统具体包括无线电接收模块、数字解调模块、星载数据解码模块、星载数据解密模块、传感器组数据解码模块、传感器组数据解密模块和传感器组数据分包存储模块。

进一步，监测中心的数据子系统采用集群式设计，将多个传感器组数据分成不同的包，将解析后的数据构成多条记录，建立起相应的数据存储仓库，将这些记录存储在集群式数据仓库中。

进一步，数据展示子系统采用依托分布式Web服务器，将数据服务器、网页服务器和网络防火墙功能分离，构建出各自独立的API接口，网页展示或者是APP客户端仅能访问到网页服务器，数据服务器和网页服务器逻辑隔离。

进一步，防水模块设置在存储单元、编码模块、加密模块、数字调制模块、无线电发射模块、供电模块和自毁模块上。

采用上述方案后，由于本实用新型通过发射一颗微小卫星，用于水环境参数传感器组和监测中心的通信。传感器组定时测量水环境参数，然后将监测数据发送至卫星；卫星和监测中心站建立起联络后，将数据下发至监测中心；监测中心获取数据后存储至数据库中，并通过网页、APP等多种形式动态实时更新各水域的水环境参数。

本实用新型具有以下有益效果：通过卫星通信技术近实时传输水环境参数，无需格外架设通讯线路、无需耗费大量的人力物力，就可以全方位实时获取水环境参数，水文数据可实现长期无间断监测，水质数据检测精度也能接近实验室标准，能为水域污染治理提供决策支持，也能为水域修复效果评估提供数据支撑。大量的水环境参数也能为水环境建模、仿真、预测等方案提供依据。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型单个传感器组的组成示意图；

标号说明

传感器组1 卫星2 监测中心3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本实用新型各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本实用新型所揭示的是一套基于卫星通信的水环境参数监测系统，如图1和图2所示，为本实用新型的较佳实施例，包括一颗微小卫星2、监测中心3和多个传感器组1，传感器组1将水环境参数的数据发送至卫星，并通过卫星将数据下发至监测中心存储。

如图2所示，传感器组1其设有传感器、存储单元、编码模块、加密模块、数字调制模块、无线电发射模块、供电模块、防水模块和自毁模块。

传感器组的传感器包括流速传感器、水位传感器、水文传感器、泥沙含量传感器和pH传感器。能够定时测量采集周边水域的流量、流速、水位、水温、泥沙含量、酸碱值、溶解氧含量、电导率、氨氮含量、总磷含量以及COD值等参数。

存储单元，能够高速存储一定量的测量数据，待数据发送成功后则删除。编码模块，将测量数据按照特定的规范进行数据编码，形成相应的编码规范。加密模块，传感器组和卫星通过无线电进行通信，为了防止该数据被地面上的其它设备或者空中的无人机等截获到该信号，需要对传输的数据进行加密。加密密钥与传感器组的编号唯一绑定，确保通信安全。数字调制模块，用于将加密后的数据调制成基带信号，然后再将基带信号调制至相应的无线电频段。无线电发射模块，将无线电频段的信号进行低噪声放大，确保卫星能接收到传感器组发出的通信信号。供电模块，以轻量化的电池组为传感器组进行供电，在与卫星通信时，全力保障无线电发射模块的正常供电；在其它时间段，则主要用于保障参数的测量采集。在存储单元、编码模块、加密模块、数字调制模块、无线电发射模块、供电模块和自毁模块上均设置防水模块，除水环境参数测量之外，其余的电子模块均使用防水性材料包裹，并确保其密封性。自毁模块，当传感器组监测到自身发生一些意外情况时，例如被捕捞脱离水环境、电量不足等情况，则自毁模块启动，编码和加密模块的FPGA程序全部清零，存储单元直接格式化。一个水环境参数传感器组的预计寿命为1~2年。

卫星包括无线电检波模块、数字解调模块、星上存储单元、加密模块、编码模块以及其它附属的子系统。无线电检波模块，对特定的无线电频域进行检波，将接收到的微弱无线电信号进行低噪声放大。数字解调模块，用于将无线电信号解调成为数字信号并存储。星上存储单元，数字信号不在星上进行解密和解码等操作，仅充当一个中间人的角色。加密模块，将获取的多个传感器组的数据统一加密，防止除监测中心之外的无线电接收设备接收到这些数据。星上密钥由监测中心指定，不定期更换密钥，确保数据不被其它单位和部门截获。编码模块，将密文数据按照特定的规范进行数据编码，遵循国际通行的编码规范，便于后续监测中心的数据接收。其他卫星子系统，如调制模块、无线电发射模块、供电模块、姿态稳定模块、指令与控制等系统，与其它微小卫星相类似，此处不再累述。一颗微小卫星的预计寿命为5~8年。

监测中心由数据接收子系统、数据存储子系统和数据展示子系统组成。监测中心的数据接收子系统具体包括无线电接收模块、数字解调模块、星载数据解码模块、星载数据解密模块、传感器组数据解码模块、传感器组数据解密模块和传感器组数据分包存储模块。监测中心的数据子系统采用集群式设计，将多个传感器组数据分成不同的包，将解析后的数据构成多条记录，建立起相应的数据存储仓库，将这些记录存储在集群式数据仓库中。数据展示子系统采用依托分布式Web服务器，将数据服务器、网页服务器、网络防火墙等功能分离，构建出各自独立的API接口，网页展示或者是APP客户端仅能访问到网页服务器，数据服务器和网页服务器逻辑隔离，业务防火墙、网页请求服务、数据查询服务等各项功能独立分离，避免数据仓库中的数据失窃。

进一步，传感器组将数据发送至卫星进行一次编码和加密，卫星将数据发送至监测中心还需要一次编码和加密。

进一步，数据接收子系统具有双重解码和双重解密的功能。其中传感器的密钥在出厂时设定好，星上密钥不定期向卫星控制中心提出更换密钥申请，确保通信数据的安全性。

使用本实用新型时，传感器组主要负责水环境参数的测量和数据无线电发送；微小卫星负责接收多个传感器组回传的无线电信号，并将其编码加密，下发对应的无线电信号；监测中心由数据接收子系统、数据存储子系统和数据展示子系统组成，负责接收卫星下发的水环境数据、将数据存储至数据仓库，并且提供前端展示界面，方便用户浏览查询。本实用新型是基于卫星通信技术，无需额外架设通讯线路，无需耗费大量的人力物力，就可以全方位实时获取水环境参数，水文数据可实现长期无间断监测，水质数据检测精度也能接近实验室标准，能为水域污染治理提供决策支持，也能为水域修复效果评估提供数据支撑。大量的水环境参数也能为水环境建模、仿真、预测等方案提供依据。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。