本发明涉及海洋监测技术领域，具体涉及海洋有机污染物信息采集系统。
背景技术
传统的海洋有机污染物浓度信息采集主要是采用设置定点监测站、抽样调查、现场观察和测量等方法，这些信息采集方法不仅耗费人力、物力、财力资源而且效率也十分低下。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供海洋有机污染物信息采集系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了海洋有机污染物信息采集系统，该系统包括数据采集装置和分析预警装置，数据采集装置用于采集待监测海洋区域的有机污染物浓度数据；分析预警装置用于根据有机污染物浓度数据分析待监测海洋区域的污染严重程度，并根据污染严重程度发出预警信号；所述数据采集装置包括汇聚节点和多个传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中根据低功耗自适应集簇分层型协议对传感器节点进行分簇并选取簇头；簇头主要用于收集簇内传感器节点采集的有机污染物浓度数据并发送至汇聚节点；汇聚节点主要用于将各簇头发送的有机污染物浓度数据汇总发送至分析预警装置。
优选地，所述传感器节点包括用于监测待监测海洋区域的有机污染物浓度的传感器和用于将传感器信号转换为对应的有机污染物浓度数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
优选地，所述分析预警装置包括数据分析模块和预警模块，所述数据分析模块用于根据有机污染物浓度数据分析待监测海洋区域的污染严重程度，并输出污染严重程度分析结果；所述预警模块在待监测海洋区域的污染严重程度超过设定的阈值时发出预警信号。
优选地，所述数据分析模块包括阈值预设单元和判断单元；阈值预设单元用于预设各有机污染物浓度的安全阈值；判断单元用于将有机污染物浓度数据与相应的安全阈值进行比较，在有机污染物浓度数据超出相应的安全阈值时，判断该有机污染物浓度数据异常，并根据异常的有机污染物浓度数据数量确定待监测海洋区域的污染严重程度。
本发明的有益效果为：本发明基于无线传感器网络技术，实现了对待监测海洋区域有机污染物浓度信息的自动采集和在线预警，节省了人力物力。
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有机污染物信息采集系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的分析预警装置的结构示意框图。
附图标记：
数据采集装置1、分析预警装置2、数据分析模块10、预警模块20。
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海洋有机污染物信息采集系统，该系统包括数据采集装置1和分析预警装置2，数据采集装置1用于采集待监测海洋区域的有机污染物浓度数据；分析预警装置2用于根据有机污染物浓度数据分析待监测海洋区域的污染严重程度，并根据污染严重程度发出预警信号；所述数据采集装置包括汇聚节点和多个传感器节点，汇聚节点和传感器节点通过自组织方式构建分簇型结构的无线传感器网络，其中根据低功耗自适应集簇分层型协议对传感器节点进行分簇并选取簇头；簇头主要用于收集簇内传感器节点采集的有机污染物浓度数据并发送至汇聚节点；汇聚节点主要用于将各簇头发送的有机污染物浓度数据汇总发送至分析预警装置2。
在一个实施例中，所述传感器节点包括用于监测待监测海洋区域的有机污染物浓度的传感器和用于将传感器信号转换为对应的有机污染物浓度数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
在一个实施例中，如图2所示，所述分析预警装置2包括数据分析模块10和预警模块20，所述数据分析模块10用于根据有机污染物浓度数据分析待监测海洋区域的污染严重程度，并输出污染严重程度分析结果；所述预警模块20在待监测海洋区域的污染严重程度超过设定的阈值时发出预警信号。
其中，所述数据分析模块10包括阈值预设单元和判断单元；阈值预设单元用于预设各有机污染物浓度的安全阈值；判断单元用于将有机污染物浓度数据与相应的安全阈值进行比较，在有机污染物浓度数据超出相应的安全阈值时，判断该有机污染物浓度数据异常，并根据异常的有机污染物浓度数据数量确定待监测海洋区域的污染严重程度。在一种实施方式中，可以设置第一、第二、第三数量阈值，异常的有机污染物浓度数据数量超过第一数量阈值但未超过第二数量阈值时，设置污染严重程度为低等程度污染；异常的有机污染物浓度数据数量超过第二数量阈值但未超过第三数量阈值时，设置污染严重程度为中等程度污染等等。在一种实施方式中，可以根据不同类型的异常的有机污染物浓度数据数量来确定待监测海洋区域的污染严重程度。例如，当多种类型的异常的有机污染物浓度数量都超过某个设定的阈值时，判定污染严重程度为重度污染等。本实施例对此不作限定。
本发明上述实施例基于无线传感器网络技术，实现了对待监测海洋区域有机污染物浓度信息的自动实时采集和在线预警，节省了人力物力。
在一个实施例中，在链路构建阶段，根据传感器节点的位置和当前剩余能量在簇头的通信范围内选择2个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，并确定传感器节点到所在簇中每个中继节点的最优路径；在数据发送阶段，传感器节点选择其中一个中继节点作为接收所述需要发送的有机污染物浓度数据的目的节点，进而沿着与目的节点对应的最优路径将需要发送的有机污染物浓度数据发送出去；中继节点接收各传感器节点发送的有机污染物浓度数据，将接收的有机污染物浓度数据和自身采集的有机污染物浓度数据一并发送至簇头。
其中，根据传感器节点的位置和当前剩余能量在簇头的通信范围内选择2个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，包括：
(1)对任意簇头ci，定义簇头ci通信范围内所有传感器节点为该簇头ci的邻居节点，获取簇头ci的各邻居节点的位置信息和当前剩余能量信息；
(2)根据邻居节点的位置信息和当前剩余能量信息，计算各邻居节点的第一权重：
式中，wj1表示簇头ci的第j个邻居节点的第一权重，d(ci，j)表示簇头ci与其第j个邻居节点之间的距离，d(ci，k)表示簇头ci与其第k个邻居节点之间的距离，
(3)选取第一权重最大的邻居节点作为簇头ci的第一中继节点，计算除第一中继节点外的其余邻居节点的第二权重：
式中，wρ2表示除第一中继节点外的第ρ个邻居节点的第二权重，wρ1表示除第一中继节点外的第ρ个邻居节点的第一权重；ci1表示选取的簇头ci的第一中继节点，d(ci1，ρ)为所述第ρ个邻居节点与第一中继节点ci1的距离，
(4)选取第二权重最大的邻居节点作为簇头ci的第二中继节点。
本实施例根据传感器节点的位置和当前剩余能量在簇头的通信范围内选择2个传感器节点作为该簇头所在簇的中继节点，由中继节点负责汇聚簇内传感器节点采集的有机污染物浓度数据，相对于只通过簇头或者单一中继节点汇聚有机污染物浓度数据的方式，能够有效分担簇头或者单一中继节点的负载，避免簇头或者单一中继节点能量的过度消耗，从而有效均衡簇内有机污染物浓度数据传输能耗，提高分簇的稳定性；本实施例进一步提出根据第一权重和第二权重来选取中继节点的方式，该方式能够使得选取的中继节点有较优的能力负责数据收集，且保障两个中继节点相距较远，从而有利于均衡各传感器节点将有机污染物浓度数据传输至中继节点的能耗，提高有机污染物浓度数据传输的可靠性。
在一个实施例中，基于蚁群优化算法确定传感器节点到所在簇中每个中继节点的最优路径，包括：
(1)定义产生前向蚂蚁报文的传感器节点为源节点，源节点产生设定数量的前向蚂蚁报文，选择簇内最近的传感器节点进行转发，并启动超时时钟，所述前向蚂蚁报文携带有源节点的标识信息和链路总开销，初始时链路总开销为0；
(2)当前向蚂蚁报文到达传感器节点i时，传感器节点i从位于同一簇且没有转发过前向蚂蚁报文的邻居节点中，概率地选择一个邻居节点作为下一跳节点，继续转发前向蚂蚁报文：
式中，piβ表示传感器节点i选择第β个邻居节点作为下一跳节点的概率；mi为在传感器节点i的邻居节点集中，与传感器节点i位于同一簇且没有转发过前向蚂蚁报文的邻居节点数量；t(i，β)为传感器节点i到所述第β个邻居节点的链路的信息素浓度，d(i，β)为传感器节点i到所述第β个邻居节点的距离，eβ为所述第β个邻居节点的当前剩余能量，emin为所述设定的最小能量值；γ表示在传感器节点i的邻居节点集中，与传感器节点i位于同一簇且没有转发过前向蚂蚁报文的第γ个邻居节点，t(i，γ)为传感器节点i到所述第γ个邻居节点的链路的信息素浓度，d(i，γ)为传感器节点i到所述第γ个邻居节点的距离，eγ为所述第γ个邻居节点的当前剩余能量；λ1、λ2为设定的权重系数；
(3)若传感器节点j为选择的下一跳节点，则将自身的节点标识信息加入前向蚂蚁报文的地址链表，表示前向蚂蚁报已经访问了传感器节点j，并按照下列公式更新前向蚂蚁报文携带的链路总开销：
st＝st-1+d(i，j)×s
式中，st表示更新后的链路总开销，st-1表示更新前的链路总开销，s为设定的单位距离链路开销值；d(i，j)为传感器节点i与传感器节点j之间的距离；
(4)按照(2)、(3)继续转发前向蚂蚁报文直至将其发送到任意一个中继节点；中继节点k收到源节点α产生的前向蚂蚁报文时启动超时时钟，在超时时钟超时后不再接收源节点α产生的前向蚂蚁报文，对于收到的源节点α产生的所有前向蚂蚁报文，中继节点k只选择携带的链路总开销最小的前向蚂蚁报文来产生对应的后向蚂蚁报文，并沿着所述携带的链路总开销最小的前向蚂蚁报文的逆路径，将该对应的后向蚂蚁报文发送出去，所述对应的后向蚂蚁报文携带中继节点k的节点标识信息，以及所述携带的链路总开销最小的前向蚂蚁报文的地址链表；
(5)当传感器节点i收到传感器节点j发送的后向蚂蚁报文时，提取传感器节点j的节点标识信息以及后向蚂蚁报文携带的中继节点标识信息，并保存在本地，传感器节点i按照下列公式更新自身至传感器节点j的链路的信息素浓度：
式中，t(i，j)′表示更新后的传感器节点i到传感器节点j的链路的信息素浓度，t(i，j)为更新前的传感器节点i到传感器节点j的链路的信息素浓度，初始时链路信息素浓度为0，τ为信息素的挥发度，h为将后向蚂蚁报文从中继节点发送至对应的源节点的总的跳数；δt为预设常量，表示一次更新中所释放的信息素的总量；
(6)当前传感器节点按照后向蚂蚁报文的地址链表指示的信息，继续转发后向蚂蚁报文，直至后向蚂蚁报文到达源节点；
(7)源节点收到两个中继节点产生的后向蚂蚁报文后，按照(5)提取、更新相应的信息，并保存在本地。
本实施例将路径的链路总开销作为最优路径的评估指标，基于蚁群优化算法确定了传感器节点到所在簇中每个中继节点的最优路径，从而，每个源节点都拥有2条最优路径，其中一条最优路径通向簇内第一个中继节点，另一条最优路径通向簇内第二个中继节点；其中，本实施例改进了蚁群优化算法中的概率公式，以链路的距离、信息素浓度以及下一跳节点的剩余能量作为概率的影响因子，有利于限制传感器节点选择能量过低的下一跳节点，均衡各传感器节点的能耗，缩短路径长度。
在一个实施例中，传感器节点选择其中一个中继节点作为接收所述需要发送的有机污染物浓度数据的目的节点，进而沿着与目的节点对应的最优路径将需要发送的有机污染物浓度数据发送出去，具体为：
(1)传感器节点a定期计算每条最优路径的优选值，设传感器节点a的最优路径集合为
式中，
(2)传感器节点选择当前优选值最大的最优路径所对应的中继节点作为目的节点，沿着所述当前优选值最大的最优路径将需要发送的有机污染物浓度数据发送出去。
由于传感器节点在发送有机污染物浓度数据到相应的簇头时，有两条最优路径可供选择，本实施例进一步设定了最优路径的选择机制，其中根据下一跳节点的缓存和路径中的链路总开销设定了最优路径的优选值计算公式。本实施例中，传感器节点选择当前优选值最大的最优路径所对应的中继节点作为目的节点，沿着所述当前优选值最大的最优路径将需要发送的有机污染物浓度数据发送出去，有利于均衡各下一跳节点的缓存，平衡各最优路径的负载，在一定程度上提高有机污染物浓度数据传输的可靠性。
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。