海洋区域生态环境监测系统研究

郑凯，姚抒均，石学涛，刘儒，耿铭晨

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院），山东青岛，266000；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛，266000）

0 引言

一套完整的海洋区域生态监测系统不仅仅只涉及到飞行器以及雷达等技术，同时还需要基站、船舶等相关配套设施的协同才能使其作用最大化。比如就说船舶，这项技术的参与能够使得海底监测范围更广，深度更深，同时为后续的监测提供最重要的实时数据和依据。对此，不管是站在国家防御角度来看，还是站在环保层面来说，确保海洋区域生态环境的有效监测是我国目前最关键、最紧迫的任务之一。但是，我国的海洋区域生态环境监测中的传感器网络研究还处于起步阶段，在加上这一领域的受众面极为狭隘，所以物联网技术并没有很好的与之结合，或者说在与其融合的道路上才刚刚开始。因此，要继续加强这一领域的研究还有很长的路要走。为了解决海域监测布局问题，本文采用物联网技术设计研究海域环境监测系统，完成对水域海洋区域生态环境的监测。无线传感器网络用于实现监控数据的实时输出，并可通过互联网使用。利用移动通信技术发布信息可以为预防和控制海洋区域生态环境提供信息基础。

1 海洋区域生态环境监测系统原理及结构

物联网，英文名称Internet of Things，这一概念虽然在当前的社会中已经成为企业以及用户交流的焦点，但这并不意味着它是一个新概念。据资料显示，1999年，美国组织的国际移动计算和网络会议上，就有人曾提到过这一概念。现如今，在人们的思想中总会认为，这项技术是实现激光扫描仪和其他信息感测设备与网络的有效连接，并按照协议的方式将信息予以互换，进而起到最初的定位以及管理作用。智能处理以及全面的感知是这项技术最关键的特征。

图1所展现的结构图就是在物联网已有技术的环境下所构建的海域生态监测系统。在这其中，数据采集的工作原理是通过传感器将海量数据进行收集，并借助网络等渠道将信息予以传输，然后对整个过程进行监控、分析，并将最终的分析结果予以存储，最后使用Internet来实现分析结果的共享。

图1 海洋区域生态监控系统

系统的底层由部署在海洋监视区域中的传感器节点组成。传感器节点包括：处理器、传感器、无线通信和能源供应单元。地面监控终端向上，主要包括：中继设备、视频采集设备和无线通信设备。其中，中继设备负责接收传感器采集的数据，视频采集数据负责海洋监控区的视频监控、无线通信设备负责监控数据传输。最后，将监视数据收集到监视中心，然后监视中心对其进行预处理、存储、计算和分析，然后通过Internet发布海洋监视区域的分析结果。监控中心由无线通信设备、工业计算机和服务器组成。用户可以通过移动设备和PC实时查询监视数据。

2 监测系统实现技术分析

2.1 传感器技术

根据该系统的实际应用需求，图2所示为以CC2430芯片为核心设计的传感器网络节点。宿节点的设备中没有传感器单元。数据采集 单元的传感器类型根据监测物理信号的形式确定，主要包括CTD温度和盐深仪、营养物、重金属、有机污染物、化学需氧量、有机磷农药等传感器。每个节点可以连接到不同的传感器，并且可以调整传感器的安装位置，将水下和水位检测结合起来以满足每个监控点的要求。数据采集 单元通过ADC通道对传感器收集的信息进行采样。MCU8051完成数据处理、存储以及发送和接收工作，并管理电源模块和其他功能。无线通信模块负责数据和命令的传输。当主控中心下达命令以读取数据时，该命令通过网络发送到接收器节点，然后通过接收器节点的无线通信模块将该命令发送到传感器节点，在此基础上对数据进行整合和输送到无线通信模块中。汇聚节点会利用这个模块的数据进行上传，主控模块会对应接受，进而保证数据采集的准确性以及整体性。

图2 传感网络节点示意图

该系统的电源模块分为充电管理模块和双电源开关管理模块，以维持“一充一电”的工作状态。系统由铅酸电池供电，额定电压为12V，容量为3Ah。

整个系统的无线传感器网络由几个传感器节点，汇聚节点，数据传输设备和主控制中心组成。首先，通过传感器节点监视各种海洋区域生态环境参数，并通过无线传输设备将各种参数信息传输到接收节点。宿节点通过RS-485串行端口将数据以ARM处理器为控制核心将其向着传输设备予以上传，并利用与主控中心的交互完成整个传输过程。这个过程是可以支持计算机上实时监控与量化的，而且还支持计算机对整个过程的查询和监控。

2.2 通信技术

3G通信对于外界因素给其的干扰的抵抗能力十分强悍，同时频率复用率超高，这些特点使其成为了大多数系统的主要技术。另外，借助于这项技术的特征与特点，还能够实现多种形式信息的传输与存储等。在此次研究的同时，通过这项技术的参与，使得Internet与无线通信网络有效连接，而且还提供了额外的增值服务。

3G（第三代）实际上就是移动通信技术快速更新与迭代的第三代产物，即支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。利用这项技术一方面能实现语音、图片的传输，同时还能保证其传输速度，通常都会在几百kbps以上。目前，有3G的4种标准，即CDMA2000，WCDMA等。该系统的价值就在于实现用户各项信息的无缝传输与存储。相比于当下的技术来说，它在使用成本方面有着极大的优势，而且还能够实现大部分的传输需求。

2.3 主控中心软件设计

作为控制中心的核心，主控制中心的上层PC必须具有网络唤醒，数据处理和路由维护的功能。使用Microsoft C++，ArcGIS，Oracle数据库作为开发工具。整个系统采用B/S架构。普通用户可以通过浏览器查询和可视化数据，授权用户可以管理传感器网络。

3 数据空间分析算法及仿真测试

数据空间分析是指从对象的空间坐标，连接和位置研究对象，以实现对空间对象的定量描述。它是一种数据描述，特征值提取和参数计算的方法。在空间分析中，空间插值是最重要的分析方法之一。该算法通过插值弥补了因数据不足造成的计算困难，是空间分布仿真和空间估计的基础。空间插值算法基于已知空间数据预测未知数据。本文使用三角不规则网络（TIN）方法绘制轮廓。此方法使用一组不重叠的相邻三角形来描述曲面。三角形的顶点在表面上，并且三角形用于汇总表面特征。TIN由点和线组成。其中，点是数据的主要表现形式，包括空间矢量坐标（X，Y，Z）和相应的属性。线是表面形态，并且通过表面坡度信息和不连续性来测量表面形态。描述，两种不同的数据形式相互补充。 TIN存储方法是：所有节点，边和三角形均对应于存储记录。节点数据包括3个字段，用于存储X，Y和Z坐标值。边缘数据包括4个指针字段，其中2个用于保存三角形的相邻关系，另两个用于保存顶点之间的拓扑关系。三角形数据包括3个指针字段，分别用于保存自己3个边的信息。对于给定的三角形，此拓扑的特征是相邻三角形和3个顶点的高程之间的查询时间是固定的，因此在沿直线计算地形剖面时效率更高。

此次研究主要是对沿海地区作为研究对象，对该套系统进行了仿真实验，并将设计的具体模块都植入到检测范围内。传感器节点数为100。传感器收集的监测数据的融合结果如图3所示。根据模拟实验的结果，该监测系统将传感器收集的海洋区域的生态数据进行了整合。根据各种指标不同的时间段，操作人员可以实现实时查询。另外，如果数据高于预期阈值，那么系统自带的警报功能会自行启动，也就是意味着各部门要做好应对和防护。

图3 结果示意图

现如今，随着国家对海洋区域的发展越来越重视，使得对其的监测系统的建设与设计工作被提上了日程。如何使用物联网技术提高系统效率是本文的重点。而此次设计之后所构建的海洋区域生态环境监测系统，无论是成本，还是综合扩展性，都具有显著的优势，可以及时有效地获取海洋区域生态环境监测数据。物联网技术的引入在对海洋生态环境监测数据，监测任务和传统工作方法有透彻了解和分析的基础上，实现了海洋生态环境监测，分析和评价的可视化。环境监测数据的统计，分析和评估结果与地理空间数据有关。最后进行了模拟实验，实验结果达到了预期，为进一步提高海洋生态环境监测，分析和评价的科学性提供了有效的工具和方法，对海洋的开发和保护具有重要意义。