一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统及方法与流程

1.本发明涉及海洋水文监测领域，尤其涉及一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统和方法。


背景技术：

2.海洋水文监测是为了解海洋水文要素分布状况和变化规律进行的观测，一般包括水温、盐度、海流等。一般海洋水文需要进行连续监测，因此需要采集设备持续稳定的采集和传输数据，现有技术中，多采用漂浮式浮标作为监测设备，由于单个浮标的监测范围有限，不能满足大范围海域水文监测需求，实际应用中一般采用多个浮标来进行目标海域的水文监测。由于海面上的通信环境和陆地上的通信环境不同，在一些偏远海域由于运营商基站无法覆盖，通信范围受限，因此目前大部分监测浮标采用卫星通信方式，卫星通信虽然覆盖范围广，但是通信费用高昂，且每个监测浮标均采用卫星通信则造价成本高。而利用无线自组织网络，由网络内的边缘节点浮标将数据发给中心节点浮标，中心节点浮标进行卫星通信，能够解决卫星通信成本高的问题。但由于无线自组织网络通信范围受限，监测范围也受到限制，且采用该方式对中心节点浮标的可靠性依赖较高，当中心节点浮标出现故障时，则该网络内的其他节点浮标的数据则无法传输。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统和方法。
4.为实现以上目的，提供以下技术方案：
5.一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统，包括海上监测单元、岸基单元、监控中心，所述海上监测单元将采集到的数据通过岸基单元传递给所述监控中心，以及接收所述监控中心下发的控制指令，其特征在于：
6.所述海上监测单元包括多组用于水文监测的漂浮式浮标群组，每个所述浮标群组均包括一个中心节点浮标和多个边缘节点浮标，所述边缘节点浮标为固定式锚系浮标，所述中心节点浮标为自主移动式浮标，安装有动力机构，可自主控制浮标的移动；
7.其中，所述中心节点浮标和所述边缘节点浮标均包括：中央处理模块、水文监测传感模块、供电装置、定位装置、无线自组网通信模块；
8.各浮标群组被投放在不同海域，各浮标群组分别进行无线自组网，所述边缘节点浮标将自身的参数信息以及采集到的数据通过无线自组网发送至所在浮标群组的中心节点浮标；
9.所述中心节点浮标还包括卫星通信模块，用于与岸基单元进行卫星通信以传输数据；
10.其中相邻浮标群组的中心节点浮标互为备选，当第一浮标群组的中心节点浮标处于非正常状态时，由控制中心选定第二浮标群组的中心节点浮标作为目标备选中心节点浮
标，并将控制指令发送至所述目标备选中心节点浮标，所述目标备选中心节点浮标自主移动到指定位置，所述第一浮标群组和所述第二浮标群组合并组网，并通过所述目标备选中心节点浮标与岸基单元通信。
11.作为本发明的进一步改进方案，所述浮标群组中的每个浮标上设置的水文监测传感模块包括温度检测模块、湿度检测模块、流速检测模块、风速检测模块、风向检测模块、水质检测模块中的一种或多种。
12.作为本发明的进一步改进方案，所述中心节点浮标的供电装置包括第一蓄电池组和第一发电模块，其中所述第一发电模块包括太阳能发电模块、风力发电模块和波浪能发电模块；
13.所述边缘节点浮标的供电装置包括第二蓄电池组和第二发电模块，其中所述第二发电模块为太阳能发电模块。
14.作为本发明的进一步改进方案，各中心节点浮标定期将所在的浮标群组内各浮标的参数信息、采集到的数据通过岸基单元传递给所述监控中心；
15.所述监控中心接收所述中心节点浮标定期上传的数据，并进行记录和分析；
16.所述参数信息包括浮标身份信息、状态信息、位置信息、电量信息。
17.作为本发明的进一步改进方案，所述中心节点浮标包括故障自诊断模块，当所述中心节点浮标发生故障时，所述故障自诊断模块将故障信息写入所述中心节点浮标的状态信息中。
18.作为本发明的进一步改进方案，其中，所述中心节点浮标处于非正常状态包括：中心节点浮标的状态信息为自诊断故障状态、中心节点浮标的电量小于阈值、中心节点浮标上传的数据异常。
19.作为本发明的进一步改进方案，浮标群组内的中心节点浮标根据各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第一位置，并自主移动到所述第一位置；
20.当所述中心节点浮标在预设时间内未获取到某边缘节点浮标的信息时，所述中心节点浮标重新规划移动路径，由所述第一位置向所述边缘节点浮标移动，并要求所述边缘节点回传信息，直到重新获取到所述边缘节点浮标的信息。
21.作为本发明的进一步改进方案，当所述中心节点浮标与所述边缘节点浮标的距离达到预设最小距离时，若仍未获取到所述边缘节点浮标的信息，则判定所述边缘节点浮标故障，并将该故障信息写入所述边缘节点浮标的状态信息中；
22.所述中心节点浮标根据其余各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第二位置，并自主移动到所述第二位置。
23.作为本发明的进一步改进方案，当第一浮标群组的中心节点浮标处于非正常状态时，控制中心获取多个与其相邻的浮标群组的中心节点浮标，并根据所述与其相邻的浮标群组的中心节点浮标的状态信息、位置信息、电量信息，选定第二浮标群组的中心节点浮标作为目标备选中心节点浮标；
24.控制中心根据第一、第二浮标群组的边缘节点浮标位置信息、检测数据类型信息，计算第三位置，并将控制指令发送至所述目标备选中心节点浮标，所述控制指令包含所述第三位置以及所述第一浮标群组的各浮标参数信息。
25.一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统的控制方法，其特征在于：
26.步骤s1：浮标群组内的中心节点浮标根据各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第一位置，并自主移动到所述第一位置；
27.步骤s2:各中心节点浮标定期将所在的浮标群组内各浮标的参数信息、采集到的数据通过岸基单元传递给所述监控中心；
28.步骤s3：当所述中心节点浮标在预设时间内未获取到某边缘节点浮标的信息时，所述中心节点浮标重新规划移动路径，由所述第一位置向所述边缘节点浮标移动，并要求所述边缘节点回传信息，直到重新获取到所述边缘节点浮标的信息；
29.步骤s4：当所述中心节点浮标与所述边缘节点浮标的距离达到预设最小距离时，若仍未获取到所述边缘节点浮标的信息，则判定所述边缘节点浮标故障，并将该故障信息写入所述边缘节点浮标的状态信息中；
30.步骤s5:所述中心节点浮标根据其余各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第二位置，并自主移动到所述第二位置；
31.步骤s6:当第一浮标群组的中心节点浮标处于非正常状态时，控制中心获取多个与其相邻的浮标群组的中心节点浮标，并根据所述与其相邻的浮标群组的中心节点浮标的状态信息、位置信息、电量信息，选定第二浮标群组的中心节点浮标作为目标备选中心节点浮标；
32.步骤s7：控制中心根据第一、第二浮标群组的边缘节点浮标位置信息、检测数据类型信息，计算第三位置，并将控制指令发送至所述目标备选中心节点浮标，所述控制指令包含所述第三位置以及所述第一浮标群组的各浮标参数信息；
33.步骤s8：所述目标备选中心节点浮标自主移动到所述第三位置，所述第一浮标群组和所述第二浮标群组合并组网，并通过所述目标备选中心节点浮标与岸基单元通信。
34.本发明的有益效果为：
35.1.通过设置多个浮标群组，且各浮标群组分别进行无线自组网，从而扩大了监测范围，且各个浮标群组分别通过各自的中心节点浮标传输数据，互不干涉，从而使得某一浮标群组出现问题时，其他浮标群组仍能正常工作。
36.2.在同一浮标群组中，由于中心节点浮标担负着群组内数据中心的角色，且中心节点浮标为自主移动式浮标，需要消耗更多电能，因此中心节点浮标配置了太阳能、风能、波浪能三种发电模块，而边缘节点浮标只配置了太阳能发电模块，从而保证了中心节点浮标的电量供应。
37.3.中心节点浮标为自主移动式，能够根据其余各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，获得数据传输的最佳位置，并灵活地移动到该位置。
38.4.相邻浮标群组的中心节点浮标互为备选，当某一浮标群组的中心节点浮标处于非正常状态时，由控制中心选定目标备选中心节点浮标，并将控制指令发送至所述目标备选中心节点浮标，所述目标备选中心节点浮标自主移动到指定位置，并承担起这两个浮标群组的中心节点浮标角色，保证了边缘节点浮标的数据能够正常传输。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定。
40.图1是本发明的一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统结构图；
41.图2是本发明各浮标群组无线自组织网络示意图；
42.图3是本发明目标备选中心节点浮标自主移动到指定位置示意图；
43.图4是本发明的一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统的控制方法流程图。
具体实施方式
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.实施例一
46.图1是本发明的一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统结构图。如图1所示，本发明实施例一提供的一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统，包括海上监测单元、岸基单元、监控中心，所述海上监测单元将采集到的数据通过岸基单元传递给所述监控中心，以及接收所述监控中心下发的控制指令。
47.其中，海上监测单元包括多组用于水文监测的漂浮式浮标群组，每个所述浮标群组均包括一个中心节点浮标和多个边缘节点浮标，所述边缘节点浮标为固定式锚系浮标，所述中心节点浮标为自主移动式浮标，安装有动力机构，可自主控制浮标的移动。
48.其中，所述中心节点浮标和所述边缘节点浮标均包括：中央处理模块、水文监测传感模块、供电装置、定位装置、无线自组网通信模块。
49.其中，各浮标群组被投放在不同海域，各浮标群组分别进行无线自组网，所述边缘节点浮标将自身的参数信息以及采集到的数据通过无线自组网发送至所在浮标群组的中心节点浮标。
50.其中，所述中心节点浮标还包括卫星通信模块，用于与岸基单元进行卫星通信以传输数据。从而使得仅中心节点浮标进行卫星通信，降低了造价成本。
51.如图2所示，通过设置多个浮标群组，且各浮标群组分别进行无线自组网，从而扩大了监测范围，且各个浮标群组分别通过各自的中心节点浮标传输数据，互不干涉，从而使得某一浮标群组出现问题时，其他浮标群组仍能正常工作。所述无线自组网可采用zigbee、lora等无线传输机制。
52.其中，所述浮标群组中的每个浮标上设置的水文监测传感模块包括温度检测模块、湿度检测模块、流速检测模块、风速检测模块、风向检测模块、水质检测模块中的一种或多种。由于不同海域的监测需求可能存在差异，因此不同浮标群组的监测数据类型可以不同，此外，对于同一浮标群组内的各个节点浮标，不同的节点浮标承担着不同的数据采集任务，或者数据采集任务有交叉，因此其上设置的传感模块也可以是不同的。例如在同一浮标
群组内，节点浮标a上设置有温度检测模块、湿度检测模块、水质检测模块，节点浮标b上设置有温度检测模块、风速检测模块、风向检测模块，节点浮标c上设置有流速检测模块。
53.其中，所述中心节点浮标的供电装置包括第一蓄电池组和第一发电模块，其中所述第一发电模块包括太阳能发电模块、风力发电模块和波浪能发电模块；所述边缘节点浮标的供电装置包括第二蓄电池组和第二发电模块，其中所述第二发电模块为太阳能发电模块。在同一浮标群组中，由于中心节点浮标担负着群组内数据中心的角色，且中心节点浮标为自主移动式浮标，需要消耗更多电能，因此中心节点浮标配置了太阳能、风能、波浪能三种发电模块，而边缘节点浮标只配置了太阳能发电模块，从而保证了中心节点浮标的电量供应。
54.各中心节点浮标定期将所在的浮标群组内各浮标的参数信息、采集到的数据通过岸基单元传递给所述监控中心；所述监控中心接收所述中心节点浮标定期上传的数据，并进行记录和分析；所述参数信息包括浮标身份信息、状态信息、位置信息、电量信息。
55.其中，所述中心节点浮标包括故障自诊断模块，当所述中心节点浮标发生故障时，所述故障自诊断模块将故障信息写入所述中心节点浮标的状态信息中。
56.其中，所述中心节点浮标处于非正常状态包括：中心节点浮标的状态信息为自诊断故障状态、中心节点浮标的电量小于阈值、中心节点浮标上传的数据异常。当中心节点浮标为自诊断故障状态或电量低时，可能会造成数据传输出现错误，显然不能再继续承担浮标群组数据中心的角色，监控中心根据中心节点浮标的状态信息可以直接判断出这两种情况。而对于中心节点浮标上传的数据异常，则需要监控中心结合该中心节点浮标上传的历史数据进一步分析得出。例如，某中心节点浮标近5次上传的数据一模一样，由于海洋环境时刻变化且传感器每次检测均会存在一定误差，所以每次上传的数据在正常情况下应该是有所波动的，不可能是一模一样的，故此时可判定该中心节点浮标上传的数据异常，该中心节点浮标为非正常状态。
57.浮标群组内的中心节点浮标根据各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第一位置，并自主移动到所述第一位置。由于各边缘节点浮标检测的数据类型不同，因此必然会使得各边缘节点所需传送的数据量大小也存在差异，而由于各边缘节点浮标所处的位置不同，故中心节点浮标需要考虑各边缘节点浮标的位置以及所需传送的数据量，从而确定出一个最佳位置，保证最优的数据传输性能。此外，虽然各边缘节点浮标是固定式锚系浮标，但不代表其位置是固定不动的，其位置可能会随着水流在小范围内变动，因此中心节点浮标需要不断的获取各边缘节点浮标的位置以更新和移动至最佳位置。
58.当所述中心节点浮标在预设时间内未获取到某边缘节点浮标的信息时，所述中心节点浮标重新规划移动路径，由所述第一位置向所述边缘节点浮标移动，并要求所述边缘节点回传信息，直到重新获取到所述边缘节点浮标的信息。当所述中心节点浮标与所述边缘节点浮标的距离达到预设最小距离时，若仍未获取到所述边缘节点浮标的信息，则判定所述边缘节点浮标故障，并将该故障信息写入所述边缘节点浮标的状态信息中。此时由于已确认了该边缘节点浮标发生故障，因此中心节点浮标在后续的路径规划中无需再考虑该边缘节点浮标。所述中心节点浮标根据其余各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第二位置，并自主移动到所述第二位置。
59.其中相邻浮标群组的中心节点浮标互为备选，当第一浮标群组的中心节点浮标处
于非正常状态时，控制中心获取多个与其相邻的浮标群组的中心节点浮标，并根据所述与其相邻的浮标群组的中心节点浮标的状态信息、位置信息、电量信息，选定第二浮标群组的中心节点浮标作为目标备选中心节点浮标。控制中心根据第一、第二浮标群组的边缘节点浮标位置信息、检测数据类型信息，计算第三位置，并将控制指令发送至所述目标备选中心节点浮标，所述控制指令包含所述第三位置以及所述第一浮标群组的各浮标参数信息。所述第一浮标群组和所述第二浮标群组合并组网，并通过所述目标备选中心节点浮标与岸基单元通信。如图3所示，当第一浮标群组的中心节点浮标处于非正常状态时，控制中心获取与其相邻的第二浮标群组和第三浮标群组的中心节点浮标相关信息，并选定第二浮标群组的中心节点浮标作为目标备选中心节点浮标。所述目标备选中心节点浮标接收控制指令并自主移动到指定位置，并承担起第一、第二两个浮标群组的中心节点浮标角色，保证了第一浮标群组的中心节点浮标为非正常时，该群组内的边缘节点浮标的数据能够正常传输。
60.实施例二
61.如图4所示，本发明实施例二提供的一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统的控制方法。其中，
62.步骤s1：浮标群组内的中心节点浮标根据各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第一位置，并自主移动到所述第一位置；
63.步骤s2:各中心节点浮标定期将所在的浮标群组内各浮标的参数信息、采集到的数据通过岸基单元传递给所述监控中心；
64.步骤s3：当所述中心节点浮标在预设时间内未获取到某边缘节点浮标的信息时，所述中心节点浮标重新规划移动路径，由所述第一位置向所述边缘节点浮标移动，并要求所述边缘节点回传信息，直到重新获取到所述边缘节点浮标的信息；
65.步骤s4：当所述中心节点浮标与所述边缘节点浮标的距离达到预设最小距离时，若仍未获取到所述边缘节点浮标的信息，则判定所述边缘节点浮标故障，并将该故障信息写入所述边缘节点浮标的状态信息中；
66.步骤s5:所述中心节点浮标根据其余各边缘节点浮标的位置信息、检测数据类型信息，计算第二位置，并自主移动到所述第二位置；
67.步骤s6:当第一浮标群组的中心节点浮标处于非正常状态时，控制中心获取多个与其相邻的浮标群组的中心节点浮标，并根据所述与其相邻的浮标群组的中心节点浮标的状态信息、位置信息、电量信息，选定第二浮标群组的中心节点浮标作为目标备选中心节点浮标；
68.步骤s7：控制中心根据第一、第二浮标群组的边缘节点浮标位置信息、检测数据类型信息，计算第三位置，并将控制指令发送至所述目标备选中心节点浮标，所述控制指令包含所述第三位置以及所述第一浮标群组的各浮标参数信息；
69.步骤s8：所述目标备选中心节点浮标自主移动到所述第三位置，所述第一浮标群组和所述第二浮标群组合并组网，并通过所述目标备选中心节点浮标与岸基单元通信。
70.应当理解，本实施例提供的一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统的控制方法，应用于实施例一中的一种漂浮式海洋水文监测装置的远程控制系统。
71.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。