一种基于无线传感器网络的海洋生态环境监测系统

本发明涉及生态监测，具体为一种基于无线传感器网络的海洋生态环境监测系统。

背景技术：

1、海洋生态环境的监测系统通常由多个传感器节点组成，将这些节点分布在需要监测的海域中，并通过无线传感器网络或卫星通讯等方式将数据传输回到数据中心。这些传感器可以监测各种因素，包括水温、盐度、溶解氧、水质、浮游植物、浮游动物、底层沉积物等。当这些数据超过设定的阈值时，监测系统会发出报警信号，提示管理人员采取相应措施。

2、存在在以下方面的：

3、1、传感器分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为需要解决的问题。

4、2、在海洋环境中，传感器可能会被海水、气候变化和海洋生物等因素的影响而损坏，对于这些传感器的维修需要耗费大量的时间和人力成本，因此，如何判断传感器的异常并进行合理地优化调整成为需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的海洋生态环境监测系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于无线传感器网络的海洋生态环境监测系统，包括：数据采集单元、环境分析单元、传感分析单元、功率控制单元和传感校验单元；数据采集单元通讯连接若干无线传感器以获取海洋环境信息和传感信息，并将其发送至服务器保存；

3、环境分析单元将同一时刻的生物类型typ1、生物体征typ2和生物数量typ3通过设定公式typ＝e1×typ1+e2×typ2+e3×typ3计算得到生物值typ，其中e1、e2和e3分别为设定的比例系数，当生物值大于设定的生物区间中的最大值时，则将该时刻记为高度活跃时刻；当生物值处于设定的生物区间之内时，则将该时刻记为中度活跃时刻；当生物值小于设定的生物区间中的最小值时，则将该时刻记为非活跃时刻；分别统计高度活跃时刻、中度活跃时刻和非活跃时刻的数量m1、m2和m3，并将其通过设定公式yu＝f1×m1+f2×m2+f3×m3计算得到活跃指数yu，f1、f2和f3分别为设定的比例系数；

4、传感分析单元用于对功耗进行数值化分析得到整体功耗值，以若干个时刻对应的数据量为一组，建立数据量和时间的二维直角坐标系，得到数据量随时间的变化折线关系图；依据该关系图进行图像预处理将组内异常数据量进行剔除，并将剩余的数据量进行求均值操作得到数据量均值；将组内数据量与对应的数据量均值分别进行差值计算得到数据量差值，并将数据量差值进行求和操作得到组内偏差；将功耗pi、整体功耗值pa、组内偏差plj和类型系数ba通过设定的公式计算得到传感器的负荷指数fb，其中b1、b2和b3分别为设定的比例系数；

5、传感校验单元通过传感信息对传感器进行校正查验，具体为：

6、s1：当服务器接收到传感信息时，则调取传感信息对应的数据量，将传感信息的接收时刻和读取时刻作时间的差值计算得到对应的接收时长；

7、s2：设定传感信息的预设接收时长和预设数据量；

8、s3：将数据量ltir、接收时长htir、预设接收时长jtir和预设数据量dtir通过公式得到该传感器的传输状态值chz；其中c1和c2均为预设比例系数；对数值进行公式化计算得到传输状态值；将传输状态值和设定的传输区间进行比较分析，当传输状态值大于设定的传输区间中的最大值时，则将其记为待处理传感器；当传输状态值处于设定的传输区间之内时，则生成分批传输指令并控制该传感器将采集的传感信息进行分批传输操作；

9、s4：当服务器在预设接收时长的一定时间范围内未接收到传感信息，则生成校验指令并向其发送至功率控制单元，功率控制单元接收到校验指令时则向对应的传感器发送请求确认指令，当功率控制单元未接收到确认指令时则判断该传感器处于故障状态，并将该传感器记为故障传感器反馈至传感校验单元；

10、s5：将待处理传感器与障碍传感器所处位置的深度h1、与基站的距离h2，将其代入设定的公式hm＝d1×h1+d2×h2计算得到处理系数hm，其中d1和d2分别为设定的比例系数；当处理系数大于设定的处理阈值时，则将该传感器的位置发送至水下机器人端，否则将其位置发送至维修人员的移动端；

11、功率控制单元用于接收活跃指数和负荷指数，将两者进行归一化处理并取其数值，对数值进行公式化计算得到策略值，据此判断活跃指数和负荷指数是否匹配并生成对应的传感功率区间。

12、优选地，海洋环境信息包括生物类型、生物体征和生物数量；传感信息包括传感器类型、功耗、数据量；处理端包括水下机器人端和维修人员的移动端。

13、优选地，对功耗进行数值化分析得到整体功耗值，其中数值化分析的具体步骤为：

14、调取传感器的读取传感信息的功耗，将功耗和设定的功耗区间w1进行比较，当功耗大于设定的功耗区间w1中的最大值时，则将其记为高功耗；当功耗处于设定的功耗区间w1之内时，则将其记为中功耗；当功耗小于设定的功耗区间w1中的最小值时，则将其记为低功耗；分别将记为高功耗、中功耗和低功耗的功耗进行均值操作分别得到高耗均值ga、中耗均值za和低耗均值da，将三者通过设定的公式pa＝a1×ga+a2×za+a3×da计算得到整体功耗值pa，其中a1、a2和a3分别为设定的比例系数。

15、优选地，依据该关系图进行图像预处理将组内异常数据量进行剔除，并将剩余的数据量进行求均值操作得到数据量均值，其中图像预处理的具体步骤为：

16、以若干个时刻对应的数据量为一组，以一组中的数据量为纵坐标，数据量对应的读取时刻为纵坐标建立二维直角坐标系；分别取相邻线段的中点并分别做中垂线，将相邻线段的中垂线的相点为圆心，以圆心到相邻线段的距离分别为半径画圆得到圆环并计算得到圆环面积；将圆环面积和设定的面积阈值进行比较得到为待处理端点；将组内所有待处理点对应的数据量删除，剩余的数据量进行均值操作得到数据量均值。

17、优选地，判断活跃指数和负荷指数是否匹配的具体步骤为：

18、调取活跃指数yu和负荷指数fb，将其通过设定的公式计算得到策略值he，其中α1和α2分别为设定的比例系数；当策略值大于1时，则生成负荷增调指令并进行负荷增调操作；当策路值小于1时，则生成负荷减调指令并进行负荷减调操作。

19、优选地，生成传感功率区间的具体步骤为：

20、调取活跃指数并将其与设定的活跃区间进行比较匹配到对应的负荷上限pk，其中k＝1,2,3；调取负荷指数，将负荷指数fb和负荷上限pk通过设定的公式ωk＝λ×(pk-fb)计算得到传感功率上限ωk，其中λ为设定的功率转换系数；依据生成的传感功率上限，生成对应传感功率区间[0，ω3]、[ω3,ω2]、[ω2,ω1]；负荷增调操作是将活跃指数与设定的活跃区间进行比较匹配到对应的负荷上限，并将传感器功率增调至对应的传感功率区间；负荷减调操作是将活跃指数与设定的活跃区间进行比较匹配到对应的负荷上限，并将传感器功率减调至对应的传感功率区间。

21、本发明的有益效果：

22、1、通过对监测区域的环境中单位时间的生物类型、生物体征和生物数量进行计算处理得到生物值，将生物值与设定的阈值进行比较分析判断得到活跃状态；分别统计活跃状态分别为高度活跃时刻、中度活跃时刻和非活跃时刻的数量，并处理得到活跃指数，该活跃指数表示的是该监测区域内海洋生物的活跃程度，将海洋环境进行量化处理，为传感器的调节奠定基础；

23、2、通过对传感器的读取传感信息的功耗与设定的功耗区间进去比较分析处理得到整体功耗值，整体功耗能够比之简单的功耗均值能更加反映传感器功耗的整体状况；在数据量和随时间的变化折线关系图中分别取相邻线段的中垂线的交点为圆心，圆心到相邻线段的距离分别为半径作圆得到圆环，将圆环的面积和设定的阈值进行比较分析得到待处理端点，并将其以外的其他数据量进行求均值操作得到数据量均值，该操作去除了异常值的影响，提高数据集的稳定性，使得均值更加可靠；将功耗、整体功耗值、组内偏差和类型系数进行计算处理得到负荷指数；再将活跃指数和负荷指数通过设动的公式分析得到策略值，据此判断活跃指数和负荷指数是否匹配并生成对应的传感功率区间以调节传感器的运行功率使其配合海洋生态环境的监测，在确保海洋异常监测的同时做到降低传感器能耗和节约用电，提高传感器能量利用效率和延长电池寿命。

24、3、通过对传感信息的接收时长、对应的数据量与预设接收时长、预设数据量进行分析得到传输状态值，将其进行数值化比较分析判断传感器的状态生成待处理传感器和生成分批传输指令并控制该传感器将采集的传感信息进行分批传输，减少数据传输的数量和频率，从而降低传感负荷；依据指令的发送和回复情况判断一定时间内未接收到传感信息的传感器是否故障并生成故障传感器反馈至传感校验单元；再将待处理传感器与障碍传感器所处位置的深度、与基站的距离进行数值化分析得到处理系数，将其与设定的阈值进行比较分析并采取对应的处理端，依据传感器的位置和深度进行综合分析并选择最合适的处理对象，以保证传感器能够快速和准确地恢复正常工作状态，从而保证监测数据的准确和稳定性。