CN113311779B - 一种浮标数据采集处理控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种浮标数据采集处理控制系统，所述控制系统包括传感器系统、定位系统、报警系统、检测系统、通信系统、供电系统和数据采集处理器；所述数据采集处理器与所述传感器系统、所述定位系统、所述报警系统、所述检测系统、所述通信系统均通信连接，与所述供电系统电连接；所述传感器系统包括N个传感器构成的N个传感器节点得到数据采集无线网络，所述数据采集处理器采用近邻启发式算法来逐步监测所述N个传感器节点的传感器，具有集成性、计算能力、稳定性高的优点，通过减少传感器节点用于通信的能量消耗，显著增加了系统的寿命，确保了高质量的无线链路，减少了数据延迟的现象发生。
Description
技术领域
本发明属于浮标数据采集技术领域，具体涉及一种浮标数据采集处理控制系统。
背景技术
近年来，海洋科学技术得到快速发展，随着海洋应用需求的剧烈增加，人类对海洋环境信息的依赖越来越强，海洋环境数据是开发利用海洋资源的基础和前提，不仅是对海洋环境数据信息内容的多样化需求，还是对获得数据信息实时性和表现形式的需求，即充分利用海洋环境数据信息为海上航行安全、气象预报、灾害预警以及国防活动提供信息服务。
但现阶段海洋环境数据信息在有效管理上存在技术领域的巨大挑战，现在仍存在数据传输困难、信息量大、格式不规范、统计分析困难、实时数据不同步等问题。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种具有集成性、计算能力、稳定性高的优点，通过减少传感器节点用于通信的能量消耗，显著增加了系统的寿命，确保了高质量的无线链路，减少了数据延迟的现象发生的浮标数据采集处理控制系统。
本发明提供如下技术方案：一种浮标数据采集处理控制系统，所述控制系统包括传感器系统、定位系统、报警系统、检测系统、通信系统、供电系统和数据采集处理器；所述数据采集处理器与所述传感器系统、所述定位系统、所述报警系统、所述检测系统、所述通信系统均通信连接，与所述供电系统电连接；
所述传感器系统包括N个传感器构成的N个传感器节点得到数据采集无线网络，所述数据采集处理器采用近邻启发式算法来逐步监测所述N个传感器节点的传感器，减少数据传输的延迟，包括以下步骤：
S1：将所述N个节点的传感器构建为每个节点均对应于欧氏空间中的一个点的无线传感器网络模型，设置某一节点S(x0，y0)为初始变量；
S2：从所述节点S(x0，y0)查找到最接近的未被监测到的一级传感器节点P(x1，y1)；
S3：若查找到所述一级传感器节点P(x1，y1)，再从所述一级传感器节点P(x1，y1)找到最接近的未被监测到的二级传感器节点Q(x2，y2)，并计算所述一级传感器节点P(x1，y1)至所述节点S(x0，y0)和所述二级传感器节点Q(x2，y2)连线的垂直交点X的垂直距离d(P，X)；
S4：并比较所述垂直距离d(P，X)与传感器节点的传输范围半径r，选择继续监测其他传感器的初始变量的传感器节点；
S5：若没有查找到所述以及传感器节点P(x1，y1)则返回至初始变量的所述节点S(x0，y0)，重复所述步骤S1-S4。
进一步地，所述S3步骤中所述垂直距离d(P，X)的计算公式如下：
进一步地，所述S4步骤中的选择继续监测其他传感器的初始变量的传感器节点的方法为：
若d(P，X)＜r，则监测目标移动至所述二级传感器节点Q(x2，y2)，并将所述二级传感器节点Q(x2，y2)作为初始变量，重复所述步骤S1-S3，并将所述一级传感器节点P(x1，y1)和所述二级传感器节点Q(x2，y2)作为已监测传感器节点；
若d(P，X)之r，则监测目标移动至所述一级传感器节点P(x1，y1)并将所述二级传感器节点P(x1，y1)作为初始变量，重复所述步骤S1-S3，并将所述一级传感器节点P(x1，y1)作为已监测传感器节点。
进一步地，所述传感器系统包括有温湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、水温检测传感器、盐度检测传感器、波浪水文传感器，所述传感器系统用于进行水文气象信号的采集，并将采集到的信号传输给数据采集处理器进行信号处理。
进一步地，所述定位系统包括北斗卫星定位模块和GPS定位模块，所述定位系统采用所述北斗卫星定位模块和所述GPS定位模块组合定位，将所述GPS定位模块采集到的定位数据打包发送至海洋数据包中，同其他数据通过北斗通信传输至数据管理中心，采用所述北斗卫星定位模块和所述GPS定位模块组合定位，保证了数据传输的连续性。
进一步地，所述通信系统为北斗卫星通信系统，将所述北斗卫星通信系统的控制终端安装在装载有传感器系统的浮标上，将采集到的数据按规定的传输协议通过北斗卫星传输到数据管理中心。
进一步地，所述供电系统用于为装载有传感器系统的浮标提供能量来源，所述供电系统由太阳能电池板、蓄电池和电源管理模块组成，所述太阳能电池板为所述蓄电池充电，保证所述蓄电池为浮标上各种电气设备的供电。
进一步地，所述报警系统和所述检测系统对浮标采集的各项参数进行显示和处理，并用于对浮标状态进行实时监控，保障浮标运行安全。
进一步地，所述数据采集处理器的采集处理方法，包括以下步骤：图3
1)首先，所述数据采集处理器对所述传感器系统中的各个传感器输出的模拟量、脉冲量、开关量、串口量进行信号整合；
2)然后，所述数据采集处理器对模拟信号进行模数转换，将数字信号进行加工并存储至数据采集处理器中；
3)所述数据采集器将存储的数字信号通过北斗卫星远程通信传输给岸站接受处理系统的计算机。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的提供的一种浮标数据采集处理控制系统具有集成性、计算能力、稳定性高的优点。
2、使用数据采集处理器收集传感器节点收集的测量值，通过减少传感器节点用于通信的能量消耗，显著增加了系统的寿命。减少了传感器节点被用作中继，单个分组需要由路由路径上的每个节点多次发送到基站，通过无线链路所导致的能量的消耗以及数据的损坏的几率，进而减少了丢失和重传丢失分组的概率随着路由路径的长度的增加而增加的情况的发生，确保了高质量的无线链路，减少了数据延迟的现象发生。
3、提供的一种浮标数据采集处理控制系统具有远程控制、修改程序及参数的能力，能够对各传感器分时控制、加电的优点。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
其中：
图1为本发明提供的浮标数据采集处理控制系统结构示意图；
图2为本发明提供的系统中数据采集处理器的近邻启发式算法中计算垂直距离d(P,X)时节点S、一级传感器节点P和二级传感器节点Q的平面位置图；
图3为本发明提供的系统中数据采集处理器的采集处理方法的流程图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的一种浮标数据采集处理控制系统，控制系统包括传感器系统、定位系统、报警系统、检测系统、通信系统、供电系统和数据采集处理器；数据采集处理器与传感器系统、定位系统、报警系统、检测系统、通信系统均通信连接，与供电系统电连接；
传感器系统包括有温湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、水温检测传感器、盐度检测传感器、波浪水文传感器，传感器系统用于进行水文气象信号的采集，并将采集到的信号传输给数据采集处理器进行信号处理。
定位系统包括北斗卫星定位模块和GPS定位模块，定位系统采用北斗卫星定位模块和GPS定位模块组合定位，将GPS定位模块采集到的定位数据打包发送至海洋数据包中，同其他数据通过北斗通信传输至数据管理中心，采用北斗卫星定位模块和GPS定位模块组合定位，保证了数据传输的连续性。
通信系统为北斗卫星通信系统，将北斗卫星通信系统的控制终端安装在装载有传感器系统的浮标上，将采集到的数据按规定的传输协议通过北斗卫星传输到数据管理中心。
供电系统用于为装载有传感器系统的浮标提供能量来源，供电系统由太阳能电池板、蓄电池和电源管理模块组成，太阳能电池板为蓄电池充电，保证蓄电池为浮标上各种电气设备的供电。
报警系统和检测系统对浮标采集的各项参数进行显示和处理，并用于对浮标状态进行实时监控，保障浮标运行安全。
实施例2
如图1所示，为本实施例提供的一种浮标数据采集处理控制系统，控制系统包括传感器系统、定位系统、报警系统、检测系统、通信系统、供电系统和数据采集处理器；数据采集处理器与传感器系统、定位系统、报警系统、检测系统、通信系统均通信连接，与供电系统电连接；
传感器系统包括N个传感器构成的N个传感器节点得到数据采集无线网络，数据采集处理器采用近邻启发式算法来逐步监测N个传感器节点的传感器，减少数据传输的延迟，包括以下步骤：
S1：将N个节点的传感器构建为每个节点均对应于欧氏空间中的一个点的无线传感器网络模型，设置某一节点S(x0，y0)为初始变量；
S2：从节点S(x0，y0)查找到最接近的未被监测到的一级传感器节点P(x1，y1)；
S3：若查找到一级传感器节点P(x1，y1)，再从一级传感器节点P(x1，y1)找到最接近的未被监测到的二级传感器节点Q(x2，y2)，并计算一级传感器节点P(x1，y1)至节点S(x0，y0)和二级传感器节点Q(x2，y2)连线的垂直交点X的垂直距离d(P，X)；
S4：并比较垂直距离d(P，X)与传感器节点的传输范围半径r，选择继续监测其他传感器的初始变量的传感器节点；
S5：若没有查找到以及传感器节点P(x1，y1)则返回至初始变量的节点S(x0，y0)，重复步骤S1-S4。
如图2所示，S3步骤中垂直距离d(P，X)的计算公式如下：
S4步骤中的选择继续监测其他传感器的初始变量的传感器节点的方法为：
若d(P，X)＜r，则监测目标移动至二级传感器节点Q(x2，y2)，并将二级传感器节点Q(x2，y2)作为初始变量，重复步骤S1-S3，并将一级传感器节点P(x1，y1)和二级传感器节点Q(x2，y2)作为已监测传感器节点；
若d(P，X)≥r，则监测目标移动至一级传感器节点P(x1，y1)并将二级传感器节点P(x1，y1)作为初始变量，重复步骤S1-S3，并将一级传感器节点P(x1，y1)作为已监测传感器节点。
传感器系统包括有温湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、水温检测传感器、盐度检测传感器、波浪水文传感器，传感器系统用于进行水文气象信号的采集，并将采集到的信号传输给数据采集处理器进行信号处理。
定位系统包括北斗卫星定位模块和GPS定位模块，定位系统采用北斗卫星定位模块和GPS定位模块组合定位，将GPS定位模块采集到的定位数据打包发送至海洋数据包中，同其他数据通过北斗通信传输至数据管理中心，采用北斗卫星定位模块和GPS定位模块组合定位，保证了数据传输的连续性。
通信系统为北斗卫星通信系统，将北斗卫星通信系统的控制终端安装在装载有传感器系统的浮标上，将采集到的数据按规定的传输协议通过北斗卫星传输到数据管理中心。
供电系统用于为装载有传感器系统的浮标提供能量来源，供电系统由太阳能电池板、蓄电池和电源管理模块组成，太阳能电池板为蓄电池充电，保证蓄电池为浮标上各种电气设备的供电。
报警系统和检测系统对浮标采集的各项参数进行显示和处理，并用于对浮标状态进行实时监控，保障浮标运行安全。
实施例3
如图3所示，采用如实施例2提供的一种浮标数据采集处理控制系统，数据采集处理器的采集处理方法，包括以下步骤：
1)首先，数据采集处理器对传感器系统中的各个传感器输出的模拟量、脉冲量、开关量、串口量进行信号整合；
2)然后，数据采集处理器对模拟信号进行模数转换，将数字信号进行加工并存储至数据采集处理器中；
3)数据采集器将存储的数字信号通过北斗卫星远程通信传输给岸站接受处理系统的计算机。
该系统的数据采集控制部分选用数据采集处理器，通过数据采集处理器来进行数据的采集、存储、计算、筛选以及传输功能。数据采集处理器将传感器的信号进行整合和转换，经过处理和筛选将数据存储在仪器中，并通过卫星接收端传输到计算机上，实现信息的采集处理控制。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述控制系统包括传感器系统、定位系统、报警系统、检测系统、通信系统、供电系统和数据采集处理器；所述数据采集处理器与所述传感器系统、所述定位系统、所述报警系统、所述检测系统、所述通信系统均通信连接，与所述供电系统电连接；
所述传感器系统包括N个传感器构成的N个传感器节点得到数据采集无线网络，所述数据采集处理器采用近邻启发式算法来逐步监测所述N个传感器节点的传感器，减少数据传输的延迟，包括以下步骤：
S1：将N个节点的传感器构建为每个节点均对应于欧氏空间中的一个点的无线传感器网络模型，设置某一节点S(x0，y0)为初始变量；
S2：从所述节点S(x0，y0)查找到最接近的未被监测到的一级传感器节点P(x1，y1)；
S3：若查找到所述一级传感器节点P(x1，y1)，再从所述一级传感器节点P(x1，y1)找到最接近的未被监测到的二级传感器节点Q(x2，y2)，并计算所述一级传感器节点P(x1，y1)至所述节点S(x0，y0)和所述二级传感器节点Q(x2，y2)连线的垂直交点X的垂直距离d(P，X)；
S4：并比较所述垂直距离d(P，X)与传感器节点的传输范围半径r，选择继续监测其他传感器的初始变量的传感器节点；
S5：若没有查找到所述一级 传感器节点P(x1，y1)则返回至初始变量的所述节点S(x0，y0)，重复所述步骤S1-S4。
2.根据权利要求1所述的一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述S3步骤中所述垂直距离d(P，X)的计算公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述S4步骤中的选择继续监测其他传感器的初始变量的传感器节点的方法为：
若d(P，X)＜r，则监测目标移动至所述二级传感器节点Q(x2，y2)，并将所述二级传感器节点Q(x2，y2)作为初始变量，重复所述步骤S1-S3，并将所述一级传感器节点P(x1，y1)和所述二级传感器节点Q(x2，y2)作为已监测传感器节点；
若d(P，X)≥r，则监测目标移动至所述一级传感器节点P(x1，y1)并将所述二级传感器节点P(x1，y1)作为初始变量，重复所述步骤S1-S3，并将所述一级传感器节点P(x1，y1)作为已监测传感器节点。
4.根据权利要求1所述的一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述传感器系统包括有温湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、水温检测传感器、盐度检测传感器、波浪水文传感器，所述传感器系统用于进行水文气象信号的采集，并将采集到的信号传输给数据采集处理器进行信号处理。
5.根据权利要求1所述的一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述定位系统包括北斗卫星定位模块和GPS定位模块，所述定位系统采用所述北斗卫星定位模块和所述GPS定位模块组合定位，将所述GPS定位模块采集到的定位数据打包发送至海洋数据包中，同其他数据通过北斗通信传输至数据管理中心，采用所述北斗卫星定位模块和所述GPS定位模块组合定位，保证了数据传输的连续性。
6.根据权利要求1所述的一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述通信系统为北斗卫星通信系统，将所述北斗卫星通信系统的控制终端安装在装载有传感器系统的浮标上，将采集到的数据按规定的传输协议通过北斗卫星传输到数据管理中心。
7.根据权利要求1所述的一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述供电系统用于为装载有传感器系统的浮标提供能量来源，所述供电系统由太阳能电池板、蓄电池和电源管理模块组成，所述太阳能电池板为所述蓄电池充电，保证所述蓄电池为浮标上各种电气设备的供电。
8.根据权利要求1所述的一种浮标数据采集处理控制系统，其特征在于，所述报警系统和所述检测系统对浮标采集的各项参数进行显示和处理，并用于对浮标状态进行实时监控，保障浮标运行安全。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种浮标数据采集处理控制系统，所述数据采集处理器的采集处理方法，包括以下步骤：
1)首先，所述数据采集处理器对所述传感器系统中的各个传感器输出的模拟量、脉冲量、开关量、串口量进行信号整合；
2)然后，所述数据采集处理器对模拟信号进行模数转换，将数字信号进行加工并存储至数据采集处理器中；
3)所述数据采集器将存储的数字信号通过北斗卫星远程通信传输给岸站接受处理系统的计算机。
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