专利名称：基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统及方法
技术领域：
本发明涉及海洋环境监测及无线通信领域，特别是一种基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统及方法。
背景技术：
在全球陆地资源日趋紧张和环境不断恶化的今天，世界各国纷纷将目光转向海洋，开发海洋资源、发展海洋经济以为沿海国家国民经济的重要支柱，也是可持续发展战略的前沿阵地。海洋的合理开发利用必须建立在丰富的海洋信息基础之上。有效开发海洋资源、发展海洋经济和保护海洋环境，必须认识并掌握海洋环境的特点和变化规律，而海洋环境监测是人类认识海洋、掌握海洋环境条件及其变化规律的基本手段。从某种意义上讲，海洋环境监测的能力，直接影响着海洋资源开发和海洋环境保护的程度和效果。海洋开发带来巨大经济效益的同时，也带来一系列资源和生态环境问题。目前近海渔业资源捕捞过度，使海洋生物资源受到了严重的破坏。海洋环境污染日趋严重，生态环境也日趋恶劣。陆源污染是海洋环境污染最主要的污染源，石油生产也严重污染海洋环境。 此外还有不断增加的有机物质、营养盐和大量的放射性物质进入海洋，工业热污染以及其他固体物质对海洋的污染也在加强。我国海洋污染主要来源于陆源排污，排入中国海域的污水和各种有毒物质的80%来自陆地。70年代以前只在少数海域发生的赤潮，近年来发生频率逐年增加，面积加大，持续时间增大，损害严重。而缓慢性的灾害如厄尔尼诺、海岸侵蚀、海平面升降等灾害也频频出现，因此海洋环境监测技术的研究和开发显得尤为重要。我国的海洋环境监测目前存在的主要问题一是缺乏一种覆盖足够细致的监控系统。二是监控系统的智能化和网络化程度不高。目前海洋环境监控系统中的传感器都是以有线的方式与控制台相连，传感器的数量和位置都是固定不变的，要得到海洋局部的环境参数是不可能的，而且有线方式的现场布线难度和成本较高且信号线老化后系统的误报警率、故障率都比较高。
发明内容
针对上述现有技术，本发明克服了以往的海洋环境监测系统存在的问题一是通过无线传感器节点实现对海洋任意局部环境的感知覆盖。二是传感器节点本身的计算能力和无线通信能力实现了海洋环境监控系统的智能化和网络化，同时将无线传感器网络与嵌入式web相连提高了海洋环境参数的传播范围并提高了信息的实时性。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是一种基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统，其特征在于，包括无线传感器网络、无线网关、网络控制系统和海洋环境监测中心，无线传感器网络接入无线网关、无线网关与网络控制系统连接，网络控制系统通过英特网连接海洋环境监测中心。优选地，所述无线传感器网络包括位于待测点的多个无线传感器节点和与无线传感器节点对应设置的汇聚节点，所述无线传感器节点通过汇聚节点接入无线网关。
优选地，所述网络控制系统采用的是基于ARM的嵌入式系统。优选地，所述无线传感器节点由采集板C51RF-WSN-DA100和基于ZigBee技术的 CC2430无线高频芯片组成。基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统的监测方法包括如下步骤1)由无线传感器节点对海洋中待测点处的环境参数实时监测2)由无线传感器节点将采集到的环境参数发送给汇聚节点，汇聚节点再将数据跳传给无线网关；3)与无线网关连接的网络控制系统读取无线网关接收到的数据，并将收集到的数据存储在网络控制系统的数据库中；4)网络控制系统每隔一段时间刷新进入数据库的环境参数；环境监测人员通过在浏览器窗口输入网络控制系统的IP地址；进入海洋环境监测系统界面，通过调用数据库中的数据，；对海洋环境进行实时监测。优选地，步骤3中汇聚节点对环境参数经过数据融合后再传送给无线网关。优选地，步骤4中网络控制系统不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境参数，使环境参数与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常， 网络控制系统通过英特网远程控制海洋环境监测中心的蜂鸣器发出报警信号。优选地，所述环境参数包括温度、盐度、含氧量、PH值。优选地，所述刷新时间为一分钟。综上所述，本发明所述基于无线传感器网络的海洋环境监测系统可以用于完成对海洋环境的实时全面监测，其所采用的监测方法可以对海洋环境的变化做出及时的应对措施。本发明的有益效果1、系统采用无线传感器和网络远程监测相结合的体系结构，实现网络化远程在线监测；2、采用了无线通信方式来构建海洋环境的实时监测和智能预警系统，较好地克服了人工方式现场工作量大和无法保证数据实时有效性的缺点；3、有效地解决了有线方式在现场布线难度和成本较高且信号线老化后系统的误报警率、故障率不断上升的缺点。
图1是本发明中所述监测系统的结构示意图；图2是本发明中汇聚节点功能流程图；图3是本发明中传感器节点数据融合的结构图；图4是本发明中boa服务器执行流程图；图5是本发明的网络控制系统识别异常数据发送报警信号流程图。 具体实施方案如图1所示，本发明中海洋环境监测预警系统包括以下几个部分包括无线传感器网络1、无线网关2，网络控制系统3，海洋环境监测中心4。
整个系统结构及功能如下所述无线传感器节点111-143通过自身连接的多种传感器采集环境信息，每个节点将采集好的环境信息经过局部融合后发送给汇聚节点11-14。 汇聚节点11-14再对一段时间内该区域所有无线传感器节点111-143采集的环境数据进行全局融合处理，然后采用最小跳数的路由协议将融合后的数据跳传给无线网关2。网络控制系统3通过一条串行通信线与无线网关2相连，并读取无线网关2接收到的数据。收集到的环境数据将存储在网络控制系统3的数据库中，网络控制系统3每隔一段时间就会刷新进入数据库的环境参数。环境监测人员通过在浏览器窗口输入网络控制系统3的IP地址，如 http ://192. 168. 58. 16，就会进入海洋环境监测系统界面，通过调用数据库中的数据，就可以对海洋环境进行实时监测。同时网络控制系统3的监控程序会不断的扫描最近一分钟内进入数据库的环境数据，如果有数据超过管理员设定的门限值则判定为异常，则网络控制系统3通过英特网远程控制监测中心4的蜂鸣器41发出报警信号，从而实现预警的功能。如图2所示，流程图描述了汇聚节点11-14和传感器节点111-143形成分层次网络拓扑的方法。为了节省传感器节点能量，因此汇聚节点11-14任务由接收数据包事件驱动。其步骤如下1、任务进入等待状态，等待接收数据包事件的发生；2、当接收到一个无线数据包时，程序结束等待状态，进入执行状态；3、判断是否是其他汇聚节点11-14发送的数据包，如果是其他汇聚节点11-14发送的数据包那么执行步骤4，否则进入步骤8 ；4、提取数据包中的跳数字段；5、汇聚节点11-14查看自己距离无线网关2的跳数是否仍然为空，如果为空那么执行步骤6，否则进入步骤7 ；6、将提取的数据包中的跳数字段加1变为自己的跳数，进入步骤10 ；7、将提取的数据包中的跳数字段加1后看是否小于自己距离无线网关2的跳数， 如果小于那么进入步骤6，否则进入步骤10 ；8、判断是否是同一个区域传感器节点111-143发送的数据包，如果是进入步骤9， 否则进入步骤10 ；9、将各传感器节点111-143数据进行融合处理，进入步骤10 ；10、回到任务的等待状态。如图3所示，结构图描绘了传感器节点之间的数据融合。本发明运用具有反馈的分布卡尔曼滤波信息融合方法，对传感器进行数据融合。 首先对每个传感器节点111-143进行局部卡尔曼滤波信息融合，然后将各自的局部估计结果送往汇聚节点11-14进行全局融合。而且由于增加了反馈环节，使得层间传感器具有双向联系，不仅低层融合信息向高层传递，高层信息也参与低层节点处理，各传感器节点之间具有了一种层间的有线联系。经过融合处理后可以使融合精度高于单个传感器精度，而且数据的传输量大大降低，从而减少了信息的传输量，减轻网络冲突和拥塞。如图4所示，流程图描绘了通过英特网进行远程监测的boa服务器的执行过程，其步骤如下1、启动WEB服务器，为后续做准备；2、初始化定义；
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3、创建、设定、绑定套接字；4、监听端口，看是否有请求，若有则进入步骤5，否则继续监听端口 ；5、接受请求，并解析该请求；6、查看是否有CGI请求，若有进入步骤7，否则进入步骤8 ；7、对URL进行数据解码并执行该CGI程序；8、读取静态页面给WEB浏览器；9、根据执行结果把海洋环境的参数从数据库中读出，并输出给TOB服务器；10、结束如图5所示，流程图描述了网络控制系统3识别异常数据并发送报警信号的方法包括如下步骤1、网络控制系统3初始化内部的计时器；2、查看计时器是否已计时到一分钟，如果到了一分钟进入步骤3，否则进入步骤 5 ；3、查看网络控制系统数据库中存储的近一分钟的数据，是否有数据超过阀值，如果有数据超过阀值进入步骤4，否则进入数据5 ；4、网络控制系统3通过英特网远程控制环境监测中心4的蜂鸣器41工作，发出报
警信号；5、计时器重新计时。
权利要求
1.一种基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统，其特征在于，包括无线传感器网络(1)、无线网关O)，网络控制系统(3)和海洋环境监测中心G)，无线传感器网络 ⑴接入无线网关O)、无线网关⑵与网络控制系统⑶连接，网络控制系统⑶通过英特网连接海洋环境监测中心G)。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统，其特征在于所述无线传感器网络(1)包括位于待测点的多个无线传感器节点和与无线传感器节点对应设置的汇聚节点，所述无线传感器节点通过汇聚节点接入无线网关(2)。
3.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统，其特征在于，所述网络控制系统(3)采用的是基于ARM的嵌入式系统。
4.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统，其特征在于，所述无线传感器节点由采集板C51RF-WSN-DA100和基于ZigBee技术的CCM30无线高频芯片组成。
5.一种如权利要求1所述的基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤1)由无线传感器节点对海洋中待测点处的环境参数实时监测；2)由无线传感器节点将采集到的环境参数发送给汇聚节点，汇聚节点再将数据跳传给无线网关O)；3)与无线网关(2)连接的网络控制系统(3)读取无线网关(2)接收到的数据，并将收集到的数据存储在网络控制系统(3)的数据库中；4)网络控制系统( 每隔一段时间刷新进入数据库的环境参数；环境监测人员通过在浏览器窗口输入网络控制系统的IP地址；进入海洋环境监测系统界面，通过调用数据库中的数据，；对海洋环境进行实时监测。
6.根据权利要求5所述基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统的监测方法，其特征在于，步骤3中汇聚节点对环境参数经过数据融合后再传送给无线网关(2)。
7.根据权利要求5所述基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统的监测方法，其特征在于，步骤4中网络控制系统(3)不断扫描最近一段刷新时间内进入数据库的环境参数，使环境参数与预先设定的各类参数门限值进行比较，如果超过门限值则判定为异常，网络控制系统C3)通过英特网远程控制海洋环境监测中心的蜂鸣器Gl)发出报警信号。
8.根据权利要求5所述基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统的监测方法，其特征在于所述环境参数包括温度、盐度、含氧量、PH值。
9.根据权利要求5所述基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统的监测方法，其特征在于，所述刷新时间为一分钟。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线传感器网络的海洋环境远程监测预警系统及方法，包括无线传感器网络、无线网关、网络控制系统和海洋环境监测中心，其中无线传感器网络包括位于待测点的无线传感器节点和汇聚节点，所述无线传感器节点通过汇聚集点接入无线网关，无线网关与网络控制系统相连，网络控制系统通过英特网连接到海洋环境监测中心。相应的还公开了一种基于无线传感器网络的海洋环境监测方法。本发明可用于海洋环境的实时监测预警，且能够对海洋环境的变化作出及时的应对措施。
文档编号G08B25/10GK102280013SQ20111019225
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者夏捷, 曾庆军, 朱志宇, 王冲, 王彪, 王波 申请人:江苏科技大学