一种基于无线传感器网络的鲍鱼海水养殖监测装置及方法

技术领域

本发明涉及水产养殖技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的鲍鱼海水养殖监测装置及方法。

背景技术

海水养殖是海洋经济的一大支柱，保障海水养殖产品质量是重要的一环。而海水养殖分布广，单靠人工巡检的方式，不能很好地实现监控，为了保证海水养殖安全有效地运行，建立有效的海水养殖监测网是一项必要措施。目前海水养殖监测目前国内海水养殖环境水质监测多数仍采用人工采样、实验室分析的手段。

发明内容

本发明为解决人工定期或不定期的采样对养殖环境水质监测方法的不足，提供一种基于无线传感器网络的鲍鱼海水养殖监测装置及方法，将无线传感器网络和智能监控系统结合，取代人工采样、实验室分析的手段，解决人工定期或不定期的采样在养殖环境水质监测中的不足，创造出更多的经济价值，有较好的应用前景。

本发明采用的技术方案是：

一种基于无线传感器网络的鲍鱼海水养殖监测装置，其包括多个数据传感器节点、多个视频监控节点、多个中心节点、一监控中心以及与监控中心通讯连接的一个以上的海事卫星通信单元，海事卫星通信单元分别与中心节点和视频监控节点通讯连接，数据传感器节点与中心节点通讯连接；数据传感器节点搭载有若干不同类型传感器并通过传感器探测养殖海水环境水质数据，并将采集的水质数据传输给中心节点；视频监控节点搭载摄像设备以采集养殖区域的监控视频，并将采集的监控视频传输给海事卫星通信单元；中心节点用于接收数据传感器节点发送的养殖海水环境水质数据，并将养殖海水环境水质数据进行分析处理、储存和显示，再将处理得到的养殖海水环境水质数据送到海事卫星通信单元；海事卫星通信单元接收中心节点发送的信息并将接收到的信息传输至监控中心，同时接收监控中心发出的指令并将接收到的指令传输给数据传感器节点；监控中心用于发出指令并将该指令发送给海事卫星通信单元，并同时接收海事卫星通信单元发送的数据，以对接收到的数据进行处理、分析和存储。

进一步地，一个中心节点和一个海事卫星通信单元成组配置，同组的海事卫星通信单元4与对应组的中心节点通讯连接，

进一步地，海事卫星通信单元支持海事卫星，支持A5/1&A5/5加密算法、透明数据传输与协议转换，支持RS-232/422/485或以太网接口，支持虚拟数据专用网、短消息数据备用通道（选项），支持动态数据中心域名和IP地址；海事卫星通信单元可通进行软件升级，并具备自诊断、告警输出和抗干扰性能，可适用于无线电恶劣环境；海事卫星通信单元可直接与监控终端设备连接，实现海事卫星上网功能。

进一步地，本监测系统中各个数据传感器节点采用时间驱动的周期性数据采集。

进一步地，各个数据传感器节点划分为若干簇，每个簇具有一个作为簇首的数据传感器节点，簇成员与簇首之间采用单跳通信，簇首之间通过多跳通信；各个数据传感器节点基于最小跳数路由自组织配置路由，以构建无线传感器网络。

进一步地，每个簇的各个数据传感器节点周期性地将网络信息和数据发送给簇首，簇首数据传感器节点进行快速的信息融合和分离后转发给中心节点。

进一步地，中心节点上电自检成功后，转入低功耗模式。当中心节点收到唤醒包后，立刻从低功耗模式转入活动模式，马上进行广播。

中心节点在没收到唤醒包时，采用时间驱动的周期性唤醒模式，唤醒后从低功耗模式转入活动模式，周期性地接收数据传感器节点的网络信息和水质、温度信息进行快速的信息融合和分离，控制海事卫星通信单元将采集的数据发送至监控中心，数据发送成功后，中心节点进入低功耗状态。

进一步地，视频监控节点具有本地存储器，监控视频保存于本地存储器，同时传送给海事卫星通信单元。本地存储器可在存储满时，循环覆盖原有录像数据，录像数据可在一定时间段内本地保存。

进一步地，数据传感器节点采用无线传感网络的海水养殖监测器，海水养殖监测器包括防水结构的外壳、设置在外壳内部的控制单元以及与控制单元连接的温度传感器、含盐度传感、水流速传感器、水质透明度传感器和电源单元；

外壳上设有套管光纤，套管光纤的一端伸入外壳内部，套管光纤的另一端位于外壳外部，套管光纤的另一端上设有点光源，点光源的发射光经过套管光纤输出至外壳内部，水透明度传感器包括光强度监测元件，光强度监测元件设置在套管光纤上对并探测水中接收到点光源发射光的强度。

具体地，监测器内部，温度传感器、水质透明度传感器、含盐度传感器、水流速传感器、控制单元、数据通信单元、电源单元的电路部分都组装在一块PCB板上，PCB板固定在监测器壳子内侧。各较重的元件单独安装于监测器壳子内侧。

温度传感器通过总线与控制单元相连，采集周围海水中的温度数据；并由内部定时计控制，定时将温度数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

水质透明度传感器通过总线与控制单元相连。水质透明度传感器采用一根1米套管内含光纤，头端作为点光源，水质透明度传感器有光强度监测元件接收光线，根据接收的光强度大小实现水透明度监测；由内部定时计控制，定时将采集的水透明度数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

含盐度传感器通过总线与控制单元相连，采集周围海水中的含盐度数据；并由内部定时计控制，定时将含盐度数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

水流速传感器通过总线与控制单元相连，采集周围海水流速数据；并由内部定时计控制，定时将海水流速数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

控制单元通过总线与各传感器相连，同时与数据通信单元、电源单元相连。控制单元接收各传感模块传来的数据信息，并对数据进行处理，并将处理后的信息传给数据通信单元；同时对各传感器、电源单元、数据传输模块进行控制。

数据通信单元与控制单元相连，接收控制单元处理后的信息，经过调制、编码、放大等处理，通过无线接口将数据传输出去。

电源单元为温度传感器、水质透明度传感器、含盐度传感器、水流速传感器、控制单元、数据通信单元等提供电源。

进一步地，海水养殖监测器安装在浮标上。

进一步地，外壳的防水结构采用凹凸缘结构并加入防水垫片组装成型，外壳封口表面涂装防海水胶。

进一步地，外壳采用工程塑料材质（PP），封口表面涂装防海水胶选用通用防海水密封胶。

本发明采用以上技术方案，根据鲍鱼海水养殖特点采集温度、水透明度、含盐度、水流速等数据，网络中的Sink节点和视频监控节点通过海事卫星与鲍鱼海水养殖监控中心联网，监控中心处理数据分析异常并给出指令，同时存储数据以供大数据分析研究。该无线传感器网络采用不同驱动模式进行数据传输，对应于周期性数据采集和异常性数据采集，分别采用不同驱动模式，减小网络功耗。其水透明度传感器通过光纤外接点光源，水透明度传感器通过光强度监测元件在水中接收光线，根据接收的光强度大小实现水透明度监测。本发明根据鲍鱼海水养殖的特点而设计，主要用于鲍鱼海水养殖，也可对改变监测的参数用于其他生物的海水养殖。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明一种基于无线传感器网络的鲍鱼海水养殖监测装置的整体结构示意图；

图2为本发明海水养殖监测器的原理框图；

图3为本发明海水养殖监测器的结构示意图；

图4为一种基于无线传感器网络的鲍鱼海水养殖监测方法的各个不同节点的流程示意图。

实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至图4之一所示，本发明公开了一种基于无线传感器网络的鲍鱼海水养殖监测装置，其包括多个数据传感器节点1、多个视频监控节点2、多个中心节点3、一监控中心5以及与监控中心5通讯连接的一个以上的海事卫星通信单元4，海事卫星通信单元4分别与中心节点3和视频监控节点2通讯连接，数据传感器节点1与中心节点3通讯连接；

数据传感器节点1用于探测海水水质和温度，并将采集的水质数据传输给中心节点3；视频监控节点2用于采集视频监控信号，并将采集的视频监控信号传输给海事卫星通信单元4；中心节点3（sink节点）用于接收数据传感器节点1发送的信号，并将采集的信息和接收到的信号进行分析处理、储存和显示，再将处理得到的数据送到海事卫星通信单元4；海事卫星通信单元4接收中心节点3发送的信息并将接收到的信息传输至监控中心5，同时接收监控中心5发出的指令并将接收到的指令传输给数据传感器节点1；监控中心5用于发出指令并将该指令发送给海事卫星通信单元4，并同时接收海事卫星通信单元4发送的数据，以对接收到的数据进行处理、分析和存储；

进一步地，一个中心节点3和一个海事卫星通信单元4成组配置，同组的海事卫星通信单元4与对应组的中心节点通讯连接，

进一步地，海事卫星通信单元4支持海事卫星，支持A5/1&A5/5加密算法、透明数据传输与协议转换，支持RS-232/422/485或以太网接口，支持虚拟数据专用网、短消息数据备用通道（选项），支持动态数据中心域名和IP地址；海事卫星通信单元4可通进行软件升级，并具备自诊断、告警输出和抗干扰性能，可适用于无线电恶劣环境；海事卫星通信单元4可直接与监控终端设备连接，实现海事卫星上网功能。

进一步地，本监测系统中各个数据传感器节点1采用时间驱动的周期性数据采集，工作流程如图4（a）。这些监测水质和温度的传感器节点周期性地将自己的网络信息和数据发送给簇首，簇首传感器节点进行快速的信息融合和分离后转发给中心节点。由于这些信息的数据量不大，不需要太高的传输速率，这时消耗的能量很少。在突发事件发生时则要传送大量的数据，可采用事件驱动式。在周期性数据采集中加入感应门限和实时性控制，当有突发事件时，其数值超过感应门限，最先感应到的节点向中心节点发送唤醒包，同时本地保存事件信息。唤醒包中带有节点信息、事件信息、关联度信息。节点收到唤醒包广播后，对关联度进行判断，启动数据传输。这样可大大降低网络耗能，延长网络寿命。

进一步地，中心节点3的工作流程，如图4（b）所示，中心节点3上电自检成功后，转入低功耗模式。当中心节点3收到唤醒包后，立刻从低功耗模式转入活动模式，马上进行广播。

中心节点3在没收到唤醒包时，采用时间驱动的周期性唤醒模式，唤醒后从低功耗模式转入活动模式，周期性地接收数据传感器节点1的网络信息和水质、温度等信息进行快速的信息融合和分离，控制海事卫星通信单元4，将采集的数据发送至监控中心5，数据发送成功后，中心节点3进入低功耗状态。

监测系统将整个无线传感器网络区域分为若干个簇，每个簇有一个簇首，簇成员（数据传感器节点1）与簇首之间采用单跳通信，簇首之间通过多跳通信，数据融合后传送到中心节点3，从而减小通信业务量。采用基于最小跳数的路由算法，为每个成员建立路由线路。每个簇首节点都可获得最小跳数和父节点信息，形成最小跳数场。在平时工作，其网络组网采用上述固定算法，而在突发事件发生时，其网络结构是随机变化的。在经过节点中心对固定和随机模式的总体能耗和负载分布的计算后，建立自动配置。

视频监控节点2，工作流程如图4（c）所示，实时进行视频监控，采集活动的视频监控信息，即当画面中有物体运动时才录像；并将于录像存于本地内存，同时传送给海事卫星通信单元4。本地内存可在存储满时，循环覆盖原有录像数据，录像数据可在一定时间段内本地保存。

进一步地，数据传感器节点采用无线传感网络的海水养殖监测器，海水养殖监测器包括防水结构的外壳6、设置在外壳6内部的控制单元以及与控制单元连接的温度传感器、含盐度传感、水流速传感器、水质透明度传感器和电源单元；

外壳6上设有套管光纤7，套管光纤7的一端伸入外壳6内部，套管光纤7的另一端位于外壳6外部，套管光纤7的另一端上设有点光源8，点光源8的发射光经过套管光纤7输出至外壳6内部，水透明度传感器包括光强度监测元件9，光强度监测元件9设置在套管光纤7上对并探测水中接收到点光源8发射光的强度。

具体地，监测器内部的温度传感器、水质透明度传感器、含盐度传感器、水流速传感器、控制单元、数据通信单元、电源单元的电路部分都组装在一块PCB板上，PCB板固定在监测器壳子内侧。各较重的元件单独安装于监测器壳子内侧。

温度传感器通过总线与控制单元相连，采集周围海水中的温度数据；并由内部定时计控制，定时将温度数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

水质透明度传感器通过总线与控制单元相连。水质透明度传感器采用一根1米套管内含光纤，头端作为点光源8，水质透明度传感器有光强度监测元件9接收光线，根据接收的光强度大小实现水透明度监测；由内部定时计控制，定时将采集的水透明度数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

含盐度传感器通过总线与控制单元相连，采集周围海水中的含盐度数据；并由内部定时计控制，定时将含盐度数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

水流速传感器通过总线与控制单元相连，采集周围海水流速数据；并由内部定时计控制，定时将海水流速数据传给控制单元，或接收唤醒包后实时进行数据传输。

控制单元通过总线与各传感器相连，同时与数据通信单元、电源单元相连。控制单元接收各传感模块传来的数据信息，并对数据进行处理，并将处理后的信息传给数据通信单元；同时对各传感器、电源单元、数据传输模块进行控制。

数据通信单元与控制单元相连，接收控制单元处理后的信息，经过调制、编码、放大等处理，通过无线接口将数据传输出去。

电源单元为温度传感器、水质透明度传感器、含盐度传感器、水流速传感器、控制单元、数据通信单元等提供电源。

进一步地，海水养殖监测器安装在浮标上。

进一步地，外壳6的防水结构采用凹凸缘结构10并加入防水垫片11组装成型，外壳6封口表面涂装防海水胶12。

进一步地，外壳6采用工程塑料材质（PP），封口表面涂装防海水胶12选用通用防海水密封胶。

本发明采用以上技术方案，采用无线传感器网络进行联网，可用于解决海水养殖的信息传输通信问题。无线鲍鱼海水养殖监测器构成该无线传感网络的数据传感节点，节点不仅有感知和数据处理的能力，还具有路由功能，能很好地解决海水养殖分布广、通信不便的问题，且可以大面积部署。网络采用一种集中分簇算法进行簇的划分，采用基于最小跳数路由算法自组织配置路由，构建无线传感器网络。采用不同驱动模式进行数据传输，对应于周期性数据采集和突发性数据采集，分别采用时间驱动模式和事件驱动模式，降低传输数据量，减小网络功耗，延长无线鲍鱼海水养殖监测器电池寿命。无线传感器网络系统的Sink节点配备太阳能电池，通过海事卫星与鲍鱼海水养殖监控中心联网，将数据传往监控中心。监控中心处理数据并给出指令，同时存储的数据，数据设置安全保密措施后进行云共享，以提供大数据分析和研究。本发明根据鲍鱼海水养殖的特点而设计，主要用于鲍鱼海水养殖，也可对改变监测的参数用于其他生物的海水养殖。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。