專利名稱：基于無線傳感網(wǎng)的湖泊富營養(yǎng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域，特別是一種基于無線網(wǎng)的湖泊富營養(yǎng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺。 背暈扶術(shù)
湖泊是我國城市人口的重要飲用水源之一，2007年5月無錫市的太湖水污染事件凸顯我國湖泊面臨的 危機尤為嚴重，綜合獲取飲用水湖泊全方位、全時段、多方面湖泊數(shù)據(jù)對于湖泊監(jiān)控與預(yù)警意義重大。
國際上經(jīng)濟發(fā)達國家湖泊污染事件很少出現(xiàn)，因此關(guān)于湖泊監(jiān)控所做的工作主要集中在大工程、大型 工礦企業(yè)、核電站等對鄰近湖泊環(huán)境的影響，監(jiān)控系統(tǒng)往往集中在少數(shù)參數(shù)的監(jiān)測和分析上，或者是針對 某一具體問題的單項技術(shù)，如水質(zhì)的遙感和在線監(jiān)測技術(shù)、自來水工藝處理技術(shù)等，所用的技術(shù)、平臺、 系統(tǒng)都十分有限。
我國目前對于湖泊監(jiān)控主要依靠衛(wèi)星遙感、飛機遙感、人工方法等有限手段，衛(wèi)星遙感、飛機遙感獲 取的信息極為有限，人工抽檢雖然能獲取第一手數(shù)據(jù)，但所耗費的精力非常巨大，而獲取的數(shù)據(jù)非常有限， 建立湖泊數(shù)據(jù)變化模型非常困難，達到預(yù)測則更加困難。
以往對于環(huán)境的監(jiān)測大量依賴遙感信息，遙感信息是間接信息，有限的參數(shù)并不能全面反映湖泊參數(shù) 的真實情況。衛(wèi)星遙感獲取的信息非常有限，只能獲取極少外圍參數(shù)，且很容易受到天氣制約；飛機遙感 獲得的數(shù)據(jù)比衛(wèi)星詳細，但每次獲取數(shù)據(jù)都需要大量的協(xié)調(diào)工作，而且費用非常昂貴；人工方法采樣點數(shù) 極為有限，在湖泊中采取水樣回實驗室進行分析，常常需要很長時間才能獲得數(shù)據(jù)，同時，很難在多廣度 的空間上觀測到許多在不同時間尺度上發(fā)生的過程和現(xiàn)象。
隨著各種在線檢測儀器、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，在線檢測已經(jīng)成為可能。在線監(jiān)測具 有直接、真實v數(shù)據(jù)豐富、實時等優(yōu)點，也是最可靠的監(jiān)測手段之一。在線監(jiān)測技術(shù)和高分辨率、高光譜、 多極化遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，能大大提高水環(huán)境的定量監(jiān)測和生物過程的真實性和可靠性，這種多源異構(gòu)數(shù)據(jù) 進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了許多在以往傳統(tǒng)監(jiān)測方法中無法獲取的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。
國內(nèi)目前在一些大江大河的重要河段和重要城市的主要水源地、引水渠等已相繼建成了一批水質(zhì)自動 監(jiān)測站，但是目前還處于發(fā)展的初期階段，在數(shù)據(jù)的無線傳輸和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、模型模擬計算等方面研 究不夠，因而尚無法達到預(yù)警的要求。
實際上對于湖泊水質(zhì)的監(jiān)控和其它環(huán)境的監(jiān)控一樣，單一或者少數(shù)幾項觀測手段很難獲得非常可靠的 結(jié)果，多種手段相結(jié)合更容易獲得信賴的結(jié)果。遙感具有宏觀性和全局性，在線監(jiān)測具有微觀性和直接性， 將這兩種手段相結(jié)合，優(yōu)勢互補，研制一體化平臺，實現(xiàn)對湖泊觀測與水質(zhì)預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計出一種基于無線傳感網(wǎng)的湖泊富營養(yǎng)化監(jiān)控系統(tǒng)平監(jiān)控系統(tǒng)平臺。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
A. 水面分簇微傳感器網(wǎng)絡(luò)。水面分簇微傳感器網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最底層，由各種不同功能的傳感器 節(jié)點組成，節(jié)點通過分簇的方式把布設(shè)區(qū)域分成若干部分，每個部分作為一個分簇。通過分簇組網(wǎng)，可以 對湖面實行多方位、實時、準確的全覆蓋監(jiān)控。
水面分簇微傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)在中層Mesh網(wǎng)節(jié)點(簇頭)附近區(qū)域的浮標上，負責對該簇內(nèi)區(qū)域進行監(jiān) 控。分簇微網(wǎng)節(jié)點間的通信距離從幾米到幾十米，節(jié)點數(shù)據(jù)可以直接或經(jīng)過多跳傳送到簇頭。
B. 中程MESH傳感網(wǎng)絡(luò)。中層Mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)是覆蓋全湖區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)狀網(wǎng)的功能，為網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)中的第二層，其功能主要有兩個， 一是作為分簇微網(wǎng)的匯聚中心，負責該節(jié)點鄰近范圍內(nèi)水面微網(wǎng)的網(wǎng) 絡(luò)管理和傳感數(shù)據(jù)匯集，二是作為中層Mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，對湖泊進行實時監(jiān)控，并將該簇內(nèi)的傳感 數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)絡(luò)傳送到集成控制中心。
C. 集成控制中心。集成控制中心負責將所收集的各類信息進行匯集、存儲、處理和挖掘，形成態(tài)勢、 文字和圖表等多種類型的輸出，并要具備一定的預(yù)警功能?？刂浦行牡乃屑蓴?shù)據(jù)是研究人員和管理部 門進行水質(zhì)研究和監(jiān)測的基礎(chǔ)。集成控制中心還要對系統(tǒng)中的多種設(shè)備進行控制，完成系統(tǒng)級別的功能集 成，采用B/S結(jié)合C/S的架構(gòu)，以多種手段呈現(xiàn)，系統(tǒng)具有良好可擴展性，使得信息存在即被感知。
本發(fā)明的監(jiān)控數(shù)據(jù)包括兩大類，第一類為長期在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要由布設(shè)在水面的監(jiān)測點組成微傳感 器網(wǎng)絡(luò)獲取另一類為人工抽檢系統(tǒng)，二者均經(jīng)由中程傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)接入監(jiān)控中心。中程Mesh傳感網(wǎng)主 要指，在湖內(nèi)的一些島嶼和航標上建立的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)闹欣^站，利用監(jiān)測點、中繼站，通過無線、多跳 收發(fā)方式進行數(shù)據(jù)無線傳輸，形成面向大型湖泊的，針對浮游植物群落、數(shù)量、細胞活性、藻毒素、異味 物質(zhì)、有毒有害物等參數(shù)的監(jiān)測。監(jiān)控中心綜合信息處理平臺通過多種通信接口和數(shù)據(jù)輸入手段，來獲取 在線水質(zhì)數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)等，經(jīng)過后臺的數(shù)據(jù)處理算法等，將最終的水質(zhì)和藻華等信息通過GIS、 3D 等方式在監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件平臺上進行集中分析、顯示，并作出一定的預(yù)警等。
本發(fā)明的衛(wèi)星遙感、飛機遙感、地基系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)頂層會聚于高層集成監(jiān)控中心。


圖1為湖泊監(jiān)控集成平臺組成示意圖。
圖2為集成平臺的三層無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為集成控制中心結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明包括水面微傳感器網(wǎng)絡(luò)、中程MESH傳感網(wǎng)絡(luò)與高層集成監(jiān)控中心，現(xiàn)敘述如下
A. 水面分簇微傳感器網(wǎng)絡(luò)。
為了實現(xiàn)整個湖泊監(jiān)控，同時減小網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度、提高系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)拓撲可采用分簇組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 把整個湖面化成若干區(qū)域，每個區(qū)域作為一個分簇。在每個區(qū)域設(shè)一個觀測站作為簇頭，在每個簇頭周圍 布設(shè)若干分簇微網(wǎng)傳感節(jié)點，實現(xiàn)對該區(qū)域全面、準確、實時監(jiān)控。
分簇微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須保證簇內(nèi)所有傳感節(jié)點與簇頭能進行通信，同時網(wǎng)絡(luò)還具有抗毀性、睡眠管理 等功能，在相同能源情況下，網(wǎng)絡(luò)具有更長的生存時間。
B. 中程MESH傳感網(wǎng)絡(luò)。
中層Mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)是覆蓋全湖區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)狀網(wǎng)的功能，為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的第二層，其功能主要 有兩個， 一是作為分簇微網(wǎng)的匯聚中心，負責該節(jié)點鄰近范圍內(nèi)水面微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理和傳感數(shù)據(jù)匯集，二 是作為中房Mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，對湖泊進行實時監(jiān)控，并將該簇內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)絡(luò)傳送到 集成控制中心。
C. 集成控制中心。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
集成控制中心負責將所收集的各類信息進行匯集、存儲、處理和挖掘，形成態(tài)勢、文字和圖表等多種 類型的輸出，并要具備一定的預(yù)警功能?？刂浦行牡乃屑蓴?shù)據(jù)是研究人員和管理部門進行水質(zhì)研究和 監(jiān)測的基礎(chǔ)。集成控制中心還要對系統(tǒng)中的多種設(shè)備進行控制，完成系統(tǒng)級別的功能集成，采用B/S結(jié)合 C/S的架構(gòu)，以多種手段呈現(xiàn)，系統(tǒng)具有良好可擴展性，使得信息存在即被感知。
集成控制中心主要包括
1)數(shù)據(jù)存儲、同步及訪問。集成控制中心接收來自包括地面在線檢測、衛(wèi)星遙感、飛機航拍和人工測 量在內(nèi)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，集成不同來源、不同格式、不同時間和不同地點的數(shù)據(jù)信息。并且能根據(jù)數(shù)據(jù)來 源的擴充或修改很有彈性及容易的變更存儲規(guī)則，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換必須支持來自各數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的合并、拆分、 過濾、投影等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換。
地基系統(tǒng)包含多種水質(zhì)探測傳感器，無人值守，實時自動的通過傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?；衛(wèi) 星遙感數(shù)據(jù)每隔一定的時間傳回地面最新的水域衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將同步存儲入數(shù)據(jù)庫；飛機航拍將產(chǎn) 生航拍圖；人工測量是在一定時期，由專業(yè)人員進行水質(zhì)探測，這些數(shù)據(jù)將由人工來輸入到系統(tǒng)中。針對 這些異構(gòu)數(shù)據(jù)源，建立數(shù)據(jù)管理架構(gòu)，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合存儲。針對實時信息和數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)信 息，實現(xiàn)人員的多維訪問技術(shù)，以多種方式呈現(xiàn)給不同的數(shù)據(jù)需求者。2) 數(shù)據(jù)庫管理
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將傳感器信息和數(shù)據(jù)融合結(jié)果進行入庫存儲，并可對數(shù)據(jù)庫表進行錄入、修改、査詢、 刪除等操作，為整個系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫服務(wù)。最終可以將現(xiàn)實世界中的各種信息系統(tǒng)化的組織起來。
在數(shù)據(jù)安全和災(zāi)難恢復(fù)方面，由系統(tǒng)自動定時進行數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的本地備份，即將數(shù)據(jù)和系統(tǒng)自動備份 得到硬盤上。然后通過人工或自動方式實現(xiàn)異地備份，即將備份數(shù)據(jù)拷貝遠程某臺機器上，這樣一旦發(fā)送 災(zāi)難就可以完全恢復(fù)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)恢復(fù)。
3) 預(yù)警
系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是實時的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)字湖泊模型并且參照歷史數(shù)據(jù)信息，研究水質(zhì)變化預(yù)測模型， 建立軟件自動水質(zhì)預(yù)警報警系統(tǒng)，構(gòu)建預(yù)防為主、防治結(jié)合的治理策略。綜合考慮全水域的水質(zhì)狀況，分 析原因和發(fā)展趨勢，做出水質(zhì)變化預(yù)測，提供水質(zhì)惡化預(yù)警功能，提高水質(zhì)惡化突發(fā)事件的應(yīng)對能力，為 事件的處理提供數(shù)據(jù)支持并爭取反應(yīng)時間。
以上描述的僅是本發(fā)明的一個最佳實施例，本發(fā)明的保護范圍并非局限于上述具體實施例，凡本領(lǐng)域 技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所做出的顯而易見的改動均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于無線網(wǎng)的湖泊富營養(yǎng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，其特征在于至少包括三層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)A.水面分簇微傳感器網(wǎng)絡(luò)，水面分簇微傳感器網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最底層，由各種不同功能的傳感器節(jié)點組成，節(jié)點通過分簇的方式把布設(shè)區(qū)域分成若干部分，每個部分作為一個分簇；通過分簇組網(wǎng)，可以對湖面實行多方位、實時、準確的全覆蓋監(jiān)控；B.中程MESH傳感網(wǎng)絡(luò)，中層Mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)是覆蓋全湖區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)狀網(wǎng)的功能，為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的第二層，其功能主要有兩個，一是作為分簇微網(wǎng)的匯聚中心，負責該節(jié)點鄰近范圍內(nèi)水面微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理和傳感數(shù)據(jù)匯集，二是作為中層Mesh傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，對湖泊進行實時監(jiān)控，并將該簇內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)絡(luò)傳送到集成控制中心；C.集成控制中心，集成控制中心負責將所收集的各類信息進行匯集、存儲、處理和挖掘，形成態(tài)勢、文字和圖表等多種類型的輸出，并要具備一定的預(yù)警功能；控制中心的所有集成數(shù)據(jù)是研究人員和管理部門進行水質(zhì)研究和監(jiān)測的基礎(chǔ)；集成控制中心還要對系統(tǒng)中的多種設(shè)備進行控制，完成系統(tǒng)級別的功能集成，采用B/S結(jié)合C/S的架構(gòu)，以多種手段呈現(xiàn)，系統(tǒng)具有良好可擴展性，使得信息存在即被感知。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于無線網(wǎng)的湖泊富營養(yǎng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，其特征在于水面分簇微傳感器網(wǎng) 絡(luò)布設(shè)在中層Mesh網(wǎng)節(jié)點(簇頭)附近區(qū)域的浮標上，負責對該簇內(nèi)區(qū)域進行監(jiān)控；分簇微網(wǎng)節(jié)點間的通 信距離從幾米到幾十米，節(jié)點數(shù)據(jù)可以直接或經(jīng)過多跳傳送到簇頭。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線網(wǎng)的湖泊富營養(yǎng)化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，其特征在于集成控制中心的綜 合信息處理平臺通過多種通信接口和數(shù)據(jù)輸入手段，來獲取在線水質(zhì)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)等， 經(jīng)過后臺的數(shù)據(jù)處理算法模塊等，將最終的水質(zhì)和藻華信息通過GIS、 3D等方式在監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件平臺 上進行集中分析、顯示。
全文摘要
本發(fā)明針對湖泊富營養(yǎng)化，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋整體湖面的監(jiān)控系統(tǒng)平臺，它由三層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中水面微傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于熱點湖面區(qū)域的相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集和處理；中程Mesh結(jié)構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于建立湖面的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并作為微傳感器網(wǎng)絡(luò)和人工監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)絡(luò)；集成監(jiān)控中心主要用于分析、處理各類水質(zhì)，并對湖泊水質(zhì)進行趨勢性預(yù)測。本發(fā)明為湖泊富營養(yǎng)化監(jiān)控提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，為湖泊觀測和成災(zāi)機理的研究提供實驗與驗證途徑，為湖泊防災(zāi)減災(zāi)提供平臺解決方案。
文檔編號G05B19/418GK101308384SQ20081006003
公開日2008年11月19日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者劉海濤, 姚道遠, 杰 沈, 奎 馬, 黃河清 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心