海洋區域生態環境監測系統研究

鄭凱，姚抒均，石學濤，劉儒，耿銘晨

（1.齊魯工業大學（山東省科學院），山東青島，266000；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島，266000）

0 引言

一套完整的海洋區域生態監測系統不僅僅只涉及到飛行器以及雷達等技術，同時還需要基站、船舶等相關配套設施的協同才能使其作用最大化。比如就說船舶，這項技術的參與能夠使得海底監測范圍更廣，深度更深，同時為后續的監測提供最重要的實時數據和依據。對此，不管是站在國家防御角度來看，還是站在環保層面來說，確保海洋區域生態環境的有效監測是我國目前最關鍵、最緊迫的任務之一。但是，我國的海洋區域生態環境監測中的傳感器網絡研究還處于起步階段，在加上這一領域的受眾面極為狹隘，所以物聯網技術并沒有很好的與之結合，或者說在與其融合的道路上才剛剛開始。因此，要繼續加強這一領域的研究還有很長的路要走。為了解決海域監測布局問題，本文采用物聯網技術設計研究海域環境監測系統，完成對水域海洋區域生態環境的監測。無線傳感器網絡用于實現監控數據的實時輸出，并可通過互聯網使用。利用移動通信技術發布信息可以為預防和控制海洋區域生態環境提供信息基礎。

1 海洋區域生態環境監測系統原理及結構

物聯網，英文名稱Internet of Things，這一概念雖然在當前的社會中已經成為企業以及用戶交流的焦點，但這并不意味著它是一個新概念。據資料顯示，1999年，美國組織的國際移動計算和網絡會議上，就有人曾提到過這一概念。現如今，在人們的思想中總會認為，這項技術是實現激光掃描儀和其他信息感測設備與網絡的有效連接，并按照協議的方式將信息予以互換，進而起到最初的定位以及管理作用。智能處理以及全面的感知是這項技術最關鍵的特征。

圖1所展現的結構圖就是在物聯網已有技術的環境下所構建的海域生態監測系統。在這其中，數據采集的工作原理是通過傳感器將海量數據進行收集，并借助網絡等渠道將信息予以傳輸，然后對整個過程進行監控、分析，并將最終的分析結果予以存儲，最后使用Internet來實現分析結果的共享。

圖1 海洋區域生態監控系統

系統的底層由部署在海洋監視區域中的傳感器節點組成。傳感器節點包括：處理器、傳感器、無線通信和能源供應單元。地面監控終端向上，主要包括：中繼設備、視頻采集設備和無線通信設備。其中，中繼設備負責接收傳感器采集的數據，視頻采集數據負責海洋監控區的視頻監控、無線通信設備負責監控數據傳輸。最后，將監視數據收集到監視中心，然后監視中心對其進行預處理、存儲、計算和分析，然后通過Internet發布海洋監視區域的分析結果。監控中心由無線通信設備、工業計算機和服務器組成。用戶可以通過移動設備和PC實時查詢監視數據。

2 監測系統實現技術分析

2.1 傳感器技術

根據該系統的實際應用需求，圖2所示為以CC2430芯片為核心設計的傳感器網絡節點。宿節點的設備中沒有傳感器單元。數據采集 單元的傳感器類型根據監測物理信號的形式確定，主要包括CTD溫度和鹽深儀、營養物、重金屬、有機污染物、化學需氧量、有機磷農藥等傳感器。每個節點可以連接到不同的傳感器，并且可以調整傳感器的安裝位置，將水下和水位檢測結合起來以滿足每個監控點的要求。數據采集 單元通過ADC通道對傳感器收集的信息進行采樣。MCU8051完成數據處理、存儲以及發送和接收工作，并管理電源模塊和其他功能。無線通信模塊負責數據和命令的傳輸。當主控中心下達命令以讀取數據時，該命令通過網絡發送到接收器節點，然后通過接收器節點的無線通信模塊將該命令發送到傳感器節點，在此基礎上對數據進行整合和輸送到無線通信模塊中。匯聚節點會利用這個模塊的數據進行上傳，主控模塊會對應接受，進而保證數據采集的準確性以及整體性。

圖2 傳感網絡節點示意圖

該系統的電源模塊分為充電管理模塊和雙電源開關管理模塊，以維持“一充一電”的工作狀態。系統由鉛酸電池供電，額定電壓為12V，容量為3Ah。

整個系統的無線傳感器網絡由幾個傳感器節點，匯聚節點，數據傳輸設備和主控制中心組成。首先，通過傳感器節點監視各種海洋區域生態環境參數，并通過無線傳輸設備將各種參數信息傳輸到接收節點。宿節點通過RS-485串行端口將數據以ARM處理器為控制核心將其向著傳輸設備予以上傳，并利用與主控中心的交互完成整個傳輸過程。這個過程是可以支持計算機上實時監控與量化的，而且還支持計算機對整個過程的查詢和監控。

2.2 通信技術

3G通信對于外界因素給其的干擾的抵抗能力十分強悍，同時頻率復用率超高，這些特點使其成為了大多數系統的主要技術。另外，借助于這項技術的特征與特點，還能夠實現多種形式信息的傳輸與存儲等。在此次研究的同時，通過這項技術的參與，使得Internet與無線通信網絡有效連接，而且還提供了額外的增值服務。

3G（第三代）實際上就是移動通信技術快速更新與迭代的第三代產物，即支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。利用這項技術一方面能實現語音、圖片的傳輸，同時還能保證其傳輸速度，通常都會在幾百kbps以上。目前，有3G的4種標準，即CDMA2000，WCDMA等。該系統的價值就在于實現用戶各項信息的無縫傳輸與存儲。相比于當下的技術來說，它在使用成本方面有著極大的優勢，而且還能夠實現大部分的傳輸需求。

2.3 主控中心軟件設計

作為控制中心的核心，主控制中心的上層PC必須具有網絡喚醒，數據處理和路由維護的功能。使用Microsoft C++，ArcGIS，Oracle數據庫作為開發工具。整個系統采用B/S架構。普通用戶可以通過瀏覽器查詢和可視化數據，授權用戶可以管理傳感器網絡。

3 數據空間分析算法及仿真測試

數據空間分析是指從對象的空間坐標，連接和位置研究對象，以實現對空間對象的定量描述。它是一種數據描述，特征值提取和參數計算的方法。在空間分析中，空間插值是最重要的分析方法之一。該算法通過插值彌補了因數據不足造成的計算困難，是空間分布仿真和空間估計的基礎。空間插值算法基于已知空間數據預測未知數據。本文使用三角不規則網絡（TIN）方法繪制輪廓。此方法使用一組不重疊的相鄰三角形來描述曲面。三角形的頂點在表面上，并且三角形用于匯總表面特征。TIN由點和線組成。其中，點是數據的主要表現形式，包括空間矢量坐標（X，Y，Z）和相應的屬性。線是表面形態，并且通過表面坡度信息和不連續性來測量表面形態。描述，兩種不同的數據形式相互補充。 TIN存儲方法是：所有節點，邊和三角形均對應于存儲記錄。節點數據包括3個字段，用于存儲X，Y和Z坐標值。邊緣數據包括4個指針字段，其中2個用于保存三角形的相鄰關系，另兩個用于保存頂點之間的拓撲關系。三角形數據包括3個指針字段，分別用于保存自己3個邊的信息。對于給定的三角形，此拓撲的特征是相鄰三角形和3個頂點的高程之間的查詢時間是固定的，因此在沿直線計算地形剖面時效率更高。

此次研究主要是對沿海地區作為研究對象，對該套系統進行了仿真實驗，并將設計的具體模塊都植入到檢測范圍內。傳感器節點數為100。傳感器收集的監測數據的融合結果如圖3所示。根據模擬實驗的結果，該監測系統將傳感器收集的海洋區域的生態數據進行了整合。根據各種指標不同的時間段，操作人員可以實現實時查詢。另外，如果數據高于預期閾值，那么系統自帶的警報功能會自行啟動，也就是意味著各部門要做好應對和防護。

圖3 結果示意圖

現如今，隨著國家對海洋區域的發展越來越重視，使得對其的監測系統的建設與設計工作被提上了日程。如何使用物聯網技術提高系統效率是本文的重點。而此次設計之后所構建的海洋區域生態環境監測系統，無論是成本，還是綜合擴展性，都具有顯著的優勢，可以及時有效地獲取海洋區域生態環境監測數據。物聯網技術的引入在對海洋生態環境監測數據，監測任務和傳統工作方法有透徹了解和分析的基礎上，實現了海洋生態環境監測，分析和評價的可視化。環境監測數據的統計，分析和評估結果與地理空間數據有關。最后進行了模擬實驗，實驗結果達到了預期，為進一步提高海洋生態環境監測，分析和評價的科學性提供了有效的工具和方法，對海洋的開發和保護具有重要意義。