一种实时智能的海洋环境感知系统的制作方法

本发明涉及海洋环境监控技术领域，具体涉及一种实时智能的海洋环境感知系统。

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，本发明提供一种实时智能的海洋环境感知系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种实时智能的海洋环境感知系统，该系统包括感知模块、计算机处理模块、通信模块、机器人控制模块和电源模块；感知模块用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，计算机处理模块与感知模块相连接，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，并通过通信模块将评估结果传输给机器人控制模块，机器人控制模块与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向计算机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，所述通信模块中设置有串口通信芯片，连接所述的计算机处理模块，并通过防水电缆连接机器人控制模块。

优选地，所述感知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，所述计算机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机器人控制模块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机器人控制模块，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计算机处理模块的结构示意框图。

附图标记：

感知模块1、计算机处理模块2、通信模块3、机器人控制模块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实时智能的海洋环境感知系统，该系统包括感知模块1、计算机处理模块2、通信模块3、机器人控制模块4和电源模块5；感知模块1用于采集影响海洋环境的各个参数的数据，计算机处理模块2与感知模块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，并通过通信模块3将评估结果传输给机器人控制模块4，机器人控制模块4与水下机器人通信连接，用于存储接收到的数据并向计算机处理模块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，所述通信模块3中设置有串口通信芯片，连接所述的计算机处理模块2，并通过防水电缆连接机器人控制模块4。

在一种可能实现的方式中，所述感知模块1包括汇聚节点和多个传感器节点，所述感知模块1包括汇聚节点和多个传感器节点，传感器节点采集所监测位置的数据并将数据发送至汇聚节点，汇聚节点将数据发送至计算机处理模块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，所述计算机处理模块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用于根据机器人控制模块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实时智能的海洋环境感知系统结构简单，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机器人控制模块4，保证了及时发现海洋水质污染从而提前处理。

在一个实施例中，设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，网络初始时，传感器节点通过信息交互获取邻居节点信息，构建邻居节点集，并从其邻居节点集中选择相对于其距离汇聚节点更近的一跳邻居节点作为候选节点，为每个候选节点分配优先等级，从而将候选节点分为一级候选节点、二级候选节点；

初始时传感器节点将自己的发送距离调至最大，若传感器节点到汇聚节点的距离未超过传感器节点的当前发送距离，传感器节点直接将采集的数据发送至汇聚节点，否则，传感器节点将采集的数据发送至下一跳节点，以通过多跳转发的形式将数据发送至汇聚节点；

传感器节点选择下一跳节点时，先向一级候选节点发送请求消息并启动计时器，在计时结束后若收到一级候选节点的反馈信息，则选择最先接到的反馈信息所对应的一级候选节点作为下一跳节点；在计时结束后若未收到一级候选节点的反馈信息，传感器节点则向二级候选节点发送请求消息并启动计时器，在计时结束后若收到二级候选节点的反馈信息，则选择最先接到的反馈信息所对应的二级候选节点作为下一跳节点，在计时结束后若未收到二级候选节点的反馈信息，传感器节点选择距离最近的候选节点作为下一跳节点。

本实施例中传感器节点将相对于其距离汇聚节点更近的一跳邻居节点作为候选节点，构建作为下一跳节点候选的候选节点集，限制了传感器节点至汇聚节点的路由路径的长度和方向，保障了数据的单向传输。

在一个实施例中，传感器节点按照下列公式定期更新自己的发送距离：

式中，mi(r)为传感器节点i在第r个周期更新的发送距离，mi(r-1)为传感器节点i在第r-1个周期更新的发送距离，wi为传感器节点i的当前剩余能量，wi0为传感器节点i的初始能量，wmin为预设的能量下限，为取整函数，表示对取整，ρ为预设的基于能量的衰减系数，ρ的取值范围为[0.4,0.6]。

本实施例基于传感器节点的能量设定了发送距离的计算公式，创新性地为传感器节点发送数据的路由方式选择给出了较好的衡量标准，即传感器节点到汇聚节点的距离未超过传感器节点的当前发送距离，传感器节点直接将采集的数据发送至汇聚节点，否则，传感器节点将采集的数据发送至下一跳节点，以通过多跳转发的形式将数据发送至汇聚节点。传感器节点基于发送距离选择合适的路由方式，有利于减少传感器节点发送数据的能量消耗，避免传感器节点因能量快速消耗而失效，保障无线传感器网络中路由的稳定性。

其中，为每个候选节点分配优先等级，包括：

(1)计算各候选节点的优势值：

式中，kij为传感器节点i的候选节点j的优势值，s(i,j)为传感器节点i与该候选节点j的距离，s(i,l)为传感器节点i与其第l个候选节点的距离，s(j,r)为该候选节点j与汇聚节点的距离，3(l,r)为所述第l个候选节点与汇聚节点的距离，ni为传感器节点i的候选节点数量，ei为传感器节点i的邻居节点数量，ej为所述候选节点j的邻居节点数量，ei∩ej为传感器节点i与候选节点j所拥有的共同邻居节点的数量，h1、h2为预设的影响因子，满足h1+h2＝1；d1、d2为预设的权重系数，满足d1+d2＝1；

(2)若将候选节点j归为一级候选节点，若将候选节点j归为二级候选节点，其中kil为传感器节点i的第l个候选节点的优势值。

本实施例创新性地设定了优先等级的指标，其中根据候选节点的位置以及其与传感器节点的关联性提出了衡量优先等级的优势值的计算公式。传感器节点根据优势值为每个候选节点分配优先等级，从而将候选节点分为一级候选节点、二级候选节点，通过对候选节点进行等级划分，有利于提高下一跳节点的选择效率，传感器节点先从一级候选节点中选择下一跳节点，有利于尽可能选择关联性较少的候选节点，以及缩短传感器节点至汇聚节点的路由路径长度，从而减少数据传输的能耗，进一步延长无线传感器网络的寿命。

在一个实施例中，所述请求消息包括传感器节点的能量和带宽信息，候选节点接收到所述请求消息后，判断自身是否满足下列转发条件，若满足，候选节点向该传感器节点发送反馈消息：

式中，qj为候选节点j的缓存列表中的数据包数量，wt为预设的转发一个数据包的能耗，wj为候选节点j的当前剩余能量，wj0为候选节点j的初始能量，wmin为预设的能量下限，xt为预设的为一个数据包服务所消耗的带宽，xj为候选节点j的当前剩余带宽，xj0为候选节点j的初始带宽，wi为传感器节点i的当前剩余能量，wi0为传感器节点i的初始能量，xi为传感器节点i的前剩余带宽，xi0为传感器节点i的初始带宽，v1、v2为预设的权重因子，满足v1+v2＝1，b为预设的容忍系数，b的取值范围为[0.4,0.6]。

本实施例基于候选节点与传感器节点的剩余资源的博弈创新性地设定了转发条件，候选节点接收到所述请求消息后，根据自身是否满足该转发条件来确定是否向该传感器节点发送反馈消息。本实施例使得有较为足够的资源执行数据转发任务的候选节点才有机会被选为下一跳节点，这有利于提高数据传输的可靠性，同时有益于均衡网络中各候选节点的资源。通过由候选节点自行判断是否去竞争下一跳节点，相对于由传感器节点统一判断候选节点是否满足转发条件的方式，平衡了计算开销，进一步均衡了网络各传感器节点的能耗。

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，处理器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随机存取存储器、只读内存镜像、带电可擦可编程只读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。