基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统，包括海上传感器节点、集合节点、UAV节点和岸基监测中心；所述传感器节点间通过无线多跳方式将数据上传给集合节点存储，所述UAV节点以固定速度依次访问所有集合节点，所述集合节点通过无线传输方式将存储的数据上传至UAV节点，UAV节点移动到岸基监测中心时通过无线方式将数据上传至岸基监测中心。本实用新型专利技术设备结构简单、成本低，保障海面监测数据的采集与传输的可靠性及稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统
本技术属于传感器网络
，具体的说，本技术涉及一种海上无线传感器网络，特别是涉及一种基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统
技术介绍
“21世纪海上丝绸之路”的国家政策对中国海洋科研发展来说是巨大的机遇。因此构建海洋监测系统，尤其是海面环境的监测系统，对海洋边界区域的环境监测，是十分重要的。海面监测系统可以在一些海上重要的区域，例如港口、海洋保护区、航道等得到应用，可极大提高对海洋环境、海洋资源的实时监测，有效地进行海洋环境资源的监测和保护。目前海面监测主要依靠卫星，舰船或浮标等海上驻留仪器进行定期检测，这些方法十分昂贵。近些年由于无线传感器网络通信的发展，使得海上监测成本变得低廉。在海上部署自组织的无线传感器网络节点进行监测，可以对近海进行大面积覆盖，而UAV(旋翼无人机)可以有效地将大规模数据运载到岸基监测中心，UAV在传感区域移动并采集节点数据，并在规定的时限内返回到监测中心，将有利于扩大海洋监测的区域范围。但是现有海上传感器网络的传输方案存在一定的问题，第一，如果UAV在航行中遍历所有节点，则UAV航行路径过长，能耗过大会导致成本过高，如何减少UAV航行距离以延长续航时间，是一个重要问题。第二，海洋上部分监测区域由于重要性程度高，需要采集图像或视频等大量级数据，其余部分区域仅需采集温度湿度盐度风速等小量级数据，如何搭配不同类型传感器节点，兼顾不同规模数据的采集有待解决。第三，海上传感器节点一直在随波逐流，位置在持续缓慢的改变，造成网络拓扑结构的频繁改变；同时海上时常出现各种障碍，如船只遮挡或节点故障等问题，如何解决这种复杂环境下的网络路由问题，维护海上网络传输环境的稳定，是十分重要的。因此目前亟需提供一种方法能实现海上传感器网络数据的大规模快速采集，同时实现海上网络传输环境的稳定，以便使海上传感器网络在现实中得到更充分的应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本技术提供一种基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统。为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是：基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统，包括密集布放在海面的采集小量级数据的海上传感器节点、稀疏布放在海面的采集大量级数据并存储的集合节点、UAV节点和岸基监测中心；所述传感器节点间通过无线多跳方式将数据上传给集合节点存储，所述集合节点以浮标为载体，设有GPS模块，所述UAV节点以UAV无人机为载体，以固定速度依次访问所有集合节点，UAV节点移动到集合节点附近时，集合节点通过无线传输方式将存储的数据上传至UAV节点，UAV节点移动到岸基监测中心时通过无线方式将数据上传至岸基监测中心。其中，传感器节点和集合节点均在海面漂浮且位置随波浪及环流会有缓慢移动。进一步的，所述的集合节点由UAV均匀布放在海上的传感器网络区域内，各个集合节点与其通信范围内的传感器节点组网形成双层的集合结构，集合内的传感器节点通过多跳接力的方式将采集的数据无线发送给集合节点进行存储。进一步的，所述的传感器节点包括传感器节点本体、设置于传感器节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的无线发射接收模块、温湿度传感器、盐度传感器、环境光传感器、波浪传感器、风速传感器、风向标、三轴加速度计、EEPROM存储器、可充电电池、太阳能电板、切换开关、LED灯、按键；切换开关的触头接通太阳能电板时由太阳能电板供电，切换开关的触头接通可充电电池时由可充电电池供电；所述环境光传感器实时检测周围环境光线强弱，光线强烈时，中央控制单元控制切换开关的触头接通太阳能电板，由太阳能电池板供电；光线微弱时，中央控制单元控制切换开关的触头接通可充电电池，由可充电电池供电。其中，所述的传感器节点由于成本限制，无需GPS模块，只需通过集心环机制的路由方法来将数据多跳转发到集合节点，有利于节省传感器节点的成本。进一步的，所述集合节点包括集合节点本体、设置于集合节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的摄像头模块、无线发射接收模块、GPS模块、温湿度传感器、盐度传感器、环境光传感器、波浪传感器、三轴加速度计、Flash存储模块、EEPROM存储器、可充电电池、太阳能电板、切换开关、LED灯、按键；切换开关的触头接通太阳能电板时由太阳能电板供电，切换开关的触头接通可充电电池时由可充电电池供电；所述环境光传感器实时检测周围环境光线强弱，光线强烈时，中央控制单元控制切换开关的触头接通太阳能电板，由太阳能电池板供电；光线微弱时，中央控制单元控制切换开关的触头接通可充电电池，由可充电电池供电。进一步的，所述UAV节点包括UAV节点本体、设置于UAV节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的无线发射接收模块、GPS模块、陀螺仪、三轴加速度计、释放器、摄像头、EEPROM存储器、Flash存储模块、可充电电池、LED灯、按键。进一步的，所述传感器节点采集的小量级数据通过传感器节点的无线发射接收模块发送，集合节点的无线发射接收模块接收传感器节点上传的小量级数据，并存储至Flash存储模块，所述集合节点采集的大量级数据存储至Flash存储模块，所述Flash存储模块存储的数据通过集合节点的无线发射接收模块发送至UAV节点，UAV节点的无线发射接收模块转发至岸基监测中心。进一步的，所述集合节点将故障信息通过无线方式传输至UAV节点，UAV节点通过释放器释放新的集合节点。进一步的，所述岸基监测中心发出更换集合节点的控制命令信息至UAV节点；UAV节点通过释放器释放新的集合节点。与现有技术相比，本技术优点在于：(1)本技术设计的海上集合结构网络，可以减少各个传感器节点将数据多跳传输到UAV节点的路径距离，由性能更高的集合节点来汇集集合内传感器节点多跳转发的数据，从而有效平衡网络能耗。(2)本技术大部分传感器节点只采集温湿度盐度等小量级数据，仅少数集合节点分布在重点区域采集视频图像等大量级数据，有利于节省网络能耗的同时增大网络覆盖范围。(3)本技术仅集合节点需要GPS定位，传感器节点无需GPS模块，只用通过集心环机制的路由方法将采集的数据多跳发送给集合节点即可，有利于简化设备结构，节省传感器节点的成本和能耗。(4)本技术对网络形状没有特殊要求，可适用于各种不规则的网络形状。(5)本技术的网络中集合节点发生故障时，可由UAV节点来释放新的集合节点取代该集合节点，有利于维护网络传输环境的稳定。(6)本技术采用基于集心环的路由选择机制被用于维护网络中的数据传输路由，能够自适应海上移动传感器网络拓扑结构的频繁变化，以便快速有效的维护在恶劣海上环境下的移动传感网的数据采集及传输环境，从而维护网络的高鲁棒性，保障海面监测数据采集和传输的可靠性和稳定性。附图说明图1为本技术一个实施例中的海上UAV数据采集与监测系统的传感器节点电路原理图；图2为本技术一个实施例中的海上UAV数据采集与监测系统的集合节点电路原理图；图3为本技术一个实施例中的海上UAV数据采集与监测系统的UAV节点电路原理图；图4为本技术一个实施例中的各节点数据转发方向和节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统，其特征在于：包括密集布放在海面的采集小量级数据的海上传感器节点、稀疏布放在海面的采集大量级数据并存储的集合节点、UAV节点和岸基监测中心；所述传感器节点间通过无线多跳方式将数据上传给集合节点存储，所述集合节点以浮标为载体，并设有GPS模块，所述UAV节点以UAV无人机为载体，以固定速度依次访问所有集合节点，集合节点通过无线传输方式将存储的数据上传至UAV节点，UAV节点移动到岸基监测中心时通过无线方式将数据上传至岸基监测中心；所述的传感器节点包括传感器节点本体、设置于传感器节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的无线发射接收模块、温湿度传感器、盐度传感器、环境光传感器、波浪传感器、风速传感器、风向标、三轴加速度计、EEPROM存储器、可充电电池、太阳能电板、切换开关、LED灯、按键；切换开关的触头接通太阳能电板时由太阳能电板供电，切换开关的触头接通可充电电池时由可充电电池供电；所述环境光传感器实时检测周围环境光线强弱，光线强烈时由太阳能电池板供电，光线微弱时由可充电电池供电；所述集合节点包括集合节点本体、设置于集合节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的摄像头模块、无线发射接收模块、GPS模块、温湿度传感器、盐度传感器、环境光传感器、波浪传感器、三轴加速度计、Flash存储模块、EEPROM存储器、可充电电池、太阳能电板、切换开关、LED灯、按键；切换开关的触头接通太阳能电板时由太阳能电板供电，切换开关的触头接通可充电电池时由可充电电池供电；所述环境光传感器实时检测周围环境光线强弱，光线强烈时由太阳能电池板供电，光线微弱时由可充电电池供电；所述UAV节点包括UAV节点本体、设置于UAV节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的无线发射接收模块、GPS模块、陀螺仪、三轴加速度计、释放器、摄像头、EEPROM存储器、Flash存储模块、可充电电池、LED灯、按键。...

【技术特征摘要】
1.基于无线传感器网络的海上UAV数据采集与监测系统，其特征在于：包括密集布放在海面的采集小量级数据的海上传感器节点、稀疏布放在海面的采集大量级数据并存储的集合节点、UAV节点和岸基监测中心；所述传感器节点间通过无线多跳方式将数据上传给集合节点存储，所述集合节点以浮标为载体，并设有GPS模块，所述UAV节点以UAV无人机为载体，以固定速度依次访问所有集合节点，集合节点通过无线传输方式将存储的数据上传至UAV节点，UAV节点移动到岸基监测中心时通过无线方式将数据上传至岸基监测中心；所述的传感器节点包括传感器节点本体、设置于传感器节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的无线发射接收模块、温湿度传感器、盐度传感器、环境光传感器、波浪传感器、风速传感器、风向标、三轴加速度计、EEPROM存储器、可充电电池、太阳能电板、切换开关、LED灯、按键；切换开关的触头接通太阳能电板时由太阳能电板供电，切换开关的触头接通可充电电池时由可充电电池供电；所述环境光传感器实时检测周围环境光线强弱，光线强烈时由太阳能电池板供电，光线微弱时由可充电电池供电；所述集合节点包括集合节点本体、设置于集合节点本体上的中央控制单元以及分别通过线路与中央控制单元相连接的摄像头模块、无线发射接收模块、GPS模块、温湿度传感器、盐度传感器、环境光传感器、波浪传感器、三轴加速度计、Flash存储模块、EEPROM存储器、可充电电池、太阳能电板、切换开关、LED灯、按键；切换开关的触头接通太阳能电板时由太阳能电板供电，切换开关的触头接通可充电电池时由可充电电池供电；所述环境光传感器实时检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡一帆，刘海林，郑轶，李晔，项顼，崔浩，巩小东，王振，毛宇峰，倪秀辉，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：新型
国别省市：山东,37