一种基于物联网的海洋环境监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于物联网的海洋环境监测系统及方法，包括多个海洋数据监测设备，物联网数据分析服务器，数据监控平台，监控终端；海洋数据监测设备包括主采集设备、辅采集设备、电池管理系统、MCU、物联网传输设备以及内部通信总线；物联网数据分析服务器包括数据异常判断模块、设备异常判断模块、时间窗划分模块、采集频率调节模块、上传频率调节模块。本发明专利技术能根据海洋数据监测设备采集的数据即可分析数据是否异常，并判断设备是否异常，提高了数据采集的可靠性。本发明专利技术还提出一种完整的频率调节机制，基于采集的第一数据的变化情况以及电量信息，动态地调整数据采集和上传的频率，有效降低功耗，保证了长时间持续采集和观测海洋数据。测海洋数据。测海洋数据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于物联网的海洋环境监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及物联网数据监测
，尤其涉及一种基于物联网的海洋环境监测系统及方法。

技术介绍

[0002]随着科技水平的提升，海洋资源被被不断开发，而海洋环境监测是海洋资源开发的重要依据。科研人员通过设置各种类型的监测设备来采集和观测海洋环境数据，再将采集到的数据上传至监控中心进行分析处理，从而实现远程监控海洋环境。
[0003]但是海洋环境恶劣复杂，随着海洋环境监测数据种类和量级的不断增加，监测数据质量控制的重要性日益突出。若监测设备出现异常而导致监测数据健康度下降，从而产生大量不可信数据，则会直接影响对海洋环境的综合评估、生态保护、灾害预警、管理决策和资源开发等。因此，如何能够及时判断出监测数据的异常以及监测设备的异常，决定了海洋数据的准确性和可靠性，具有重要的科学意义和社会价值。另一方面，海洋监测区域范围广阔，监测设备通常处于无人区域，其电能供应问题是必须直面的难题，由于难以更换电池，若监测设备能耗过高则导致设备难以保证实时采集和上传的电量，因此，如何能够节省监测设备的能源消耗是必须解决的技术问题。
[0004]专利技术专利CN112650116B提出一种基于物联网的海洋环境监测系统，其获取海上作业平台的作业范围，将海上作业平台的作业范围内预计通行的交通器材与物联网器械记为采集终端，获取采集终端的采集值，选取通行起始时间与通行结束时间相同区间段内采集值最大的采集终端为优选采集终端，向优选采集终端发送采集信号并完成采集，监测平台将海上作业平台实时监测数据与优选采集终端采集的数据进行对比，完成辅助验证，防止海上作业平台内检测模块失效，解决了海上作业平台在远程检测时缺乏辅助监测的问题。但是，该专利技术专利的技术方案过于依赖海上作业平台附近的交通工具，而实际应用中的海上作业平台常常布置在偏远海域，其附近通行的交通工具甚少，因此难以使用该专利技术专利的进行辅助监测，无法及时检测出故障，无法保证监测数据的可靠性。
[0005]专利技术专利CN108106741B提出一种变周期海水温度采集和传输方法及系统，其根据待监测海水水域的具体情况，选定海水温度采集装置的个数和放置位置；多方式改变海水温度的传输周期，实现海水温度变周期采集和传输；监测电池状态信息，并予以反应。该专利技术根据海水温度的变化情况来改变采集和传输的周期，降低了能耗。但是，该专利技术并没有揭示采集和传输周期调节的具体逻辑，即，在何时增大或减小周期，是同时调节采集和传输周期，还是单独调节二者之一。并且，该专利技术仅仅根据相邻两个温度采样值的差来判断是否需要改变周期，没有考虑数据的可信度，这种判断方式误差较大，容易误判而导致漏采关键数据。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种基于物联网的海洋环境监测系统及方
法。
[0007]技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提出一种基于物联网的海洋环境监测系统，包括：
[0009]多个海洋数据监测设备，物联网数据分析服务器，数据监控平台，监控终端；
[0010]优选地，海洋数据监测设备包括主采集设备、辅采集设备、电池管理系统、MCU、物联网传输设备以及内部通信总线，通过物联网传输设备向物联网数据分析服务器上传主采集设备采集的第一数据、辅采集设备采集的第二数据、以及电池管理系统的电量信息；
[0011]其中，主采集设备的数据采集频率大于辅采集设备的数据采集频率；
[0012]物联网数据分析服务器包括数据异常判断模块、设备异常判断模块、时间窗划分模块、采集频率调节模块、上传频率调节模块；
[0013]其中，数据异常判断模块根据第一时间窗内的第一数据和第二数据判断第一数据是否异常，设备异常判断模块分析判断异常数据是否为偶然异常数据以及判断海洋数据监测设备是否出现故障，采集频率调节模块和上传频率调节模块用于根据第一数据和电量信息调节数据采集频率和数据上传频率。
[0014]优选地，所述数据异常判断模块根据第一时间窗内的第一数据和第二数据判断第一数据是否异常包括：
[0015]时间窗划分模块在海洋监测数据序列中划分第一时间窗，令第一时间窗的长度为1/f
B
，移动步长为1/f
B
；
[0016]数据异常判断模块根据第一时间窗内前(n
‑
1)个第一数据预估第n个第一数据的值；
[0017]数据异常判断模块判断第n个第一数据的值与第一时间窗内的相对应的第二数据的值进行比较分析，判断两者之差是否在阈值范围内，其中n＝f
A
/f
B
；
[0018]若在阈值范围内则判断第一时间窗内的第一数据无异常，令第一时间窗向后滑动继续判断；
[0019]若超出阈值范围则判断第一时间窗内的第一数据异常，则通过设备异常判断模块分析判断海洋数据监测设备是否出现故障。
[0020]优选地，所述设备异常判断模块分析判断异常数据是否为偶然异常数据以及判断海洋数据监测设备是否出现故障包括：
[0021]时间窗划分模块对于第一数据异常的第一时间窗，取出相邻的前向第一时间窗的数据，构成目标分析数据序列，在目标分析数据序列中设置第二时间窗，第二时间窗的长度为1/f
B
，移动步长为1/f
A
；
[0022]设备异常判断模块根据第二时间窗内前(n
‑
1)个第一数据预估第n个第一数据的值；判断第n个第一数据的值与第二时间窗内的相对应的第一数据的实测值进行比较分析，判断两者之差是否在阈值范围内；若超出阈值范围则判断为异常数据；
[0023]设备异常判断模块滑动第二时间窗直至对第一时间窗中的所有第一数据完成判断，统计异常数据所占比例，若低于预设比例则判断异常数据为偶然异常数据，若高于预设比例，则判断海洋数据监测设备出现故障。
[0024]优选地，所述采集频率调节模块和上传频率调节模块用于根据第一数据和电量信息调节数据采集频率和数据上传频率包括：
[0025]删除第一时间窗中的偶然异常数据，求取第一时间窗中的剩余的第一数据的标准差σ，则调节主采集设备的数据采集频率f
A
和辅采集设备的数据采集频率f
B
分别为：
[0026][0027]f
B
＝f
A
/n；
[0028]其中σ0为预设标准差参考值，β为预设标准差修正值，f0为默认主采集频率；
[0029]如果电量小于50％，则降低上传频率f
UL
，电量降至20时停止上传，即：
[0030][0031]其中E为海洋数据监测设备的电量，E的范围为[20，50)，f
U
为默认上传频率；
[0032]如果电量小于30％，则增大n的值至n0，从而保持主采集设备的数据采集频率不变的情况下降低辅采集设备的数据采集频率；
[0033]如果电量小于1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物联网的海洋环境监测系统，包括多个海洋数据监测设备，物联网数据分析服务器，数据监控平台，监控终端；其特征在于，海洋数据监测设备包括主采集设备、辅采集设备、电池管理系统、MCU、物联网传输设备以及内部通信总线，通过物联网传输设备向物联网数据分析服务器上传主采集设备采集的第一数据、辅采集设备采集的第二数据、以及电池管理系统的电量信息；其中，主采集设备的数据采集频率大于辅采集设备的数据采集频率；物联网数据分析服务器包括数据异常判断模块、设备异常判断模块、时间窗划分模块、采集频率调节模块、上传频率调节模块；其中，数据异常判断模块根据第一时间窗内的第一数据和第二数据判断第一数据是否异常，设备异常判断模块分析判断异常数据是否为偶然异常数据以及判断海洋数据监测设备是否出现故障，采集频率调节模块和上传频率调节模块用于根据第一数据和电量信息调节数据采集频率和数据上传频率。2.根据权利要求1所述的基于物联网的海洋环境监测系统，其特征在于，所述数据异常判断模块根据第一时间窗内的第一数据和第二数据判断第一数据是否异常包括：时间窗划分模块在海洋监测数据序列中划分第一时间窗，令第一时间窗的长度为1/f
B
，移动步长为1/f
B
；数据异常判断模块根据第一时间窗内前(n
‑
1)个第一数据预估第n个第一数据的值；数据异常判断模块判断第n个第一数据的值与第一时间窗内的相对应的第二数据的值进行比较分析，判断两者之差是否在阈值范围内，其中n＝f
A
/f
B
；若在阈值范围内则判断第一时间窗内的第一数据无异常，令第一时间窗向后滑动继续判断；若超出阈值范围则判断第一时间窗内的第一数据异常，则通过设备异常判断模块分析判断海洋数据监测设备是否出现故障。3.根据权利要求2所述的基于物联网的海洋环境监测系统，其特征在于，所述设备异常判断模块分析判断异常数据是否为偶然异常数据以及判断海洋数据监测设备是否出现故障包括：时间窗划分模块对于第一数据异常的第一时间窗，取出相邻的前向第一时间窗的数据，构成目标分析数据序列，在目标分析数据序列中设置第二时间窗，第二时间窗的长度为1/f
B
，移动步长为1/f
A
；设备异常判断模块根据第二时间窗内前(n
‑
1)个第一数据预估第n个第一数据的值；判断第n个第一数据的值与第二时间窗内的相对应的第一数据的实测值进行比较分析，判断两者之差是否在阈值范围内；若超出阈值范围则判断为异常数据；设备异常判断模块滑动第二时间窗直至对第一时间窗中的所有第一数据完成判断，统计异常数据所占比例，若低于预设比例则判断异常数据为偶然异常数据，若高于预设比例，则判断海洋数据监测设备出现故障。4.根据权利要求3所述的基于物联网的海洋环境监测系统，其特征在于，所述采集频率调节模块和上传频率调节模块用于根据第一数据和电量信息调节数据采集频率和数据上传频率包括：删除第一时间窗中的偶然异常数据，求取第一时间窗中的剩余的第一数据的标准差σ，则调节主采集设备的数据采集频率f
A
和辅采集设备的数据采集频率f
B
分别为：
f
B
＝f
A
/n；其中σ0为预设标准差参考值，β为预设标准差修正值，f0为默认主采集频率；如果电量小于50％，则降低上传频率f
UL
，电量降至20时停止上传，即：其中E为海洋数据监测设备的电量，E的范围为[20，50)，f
U
为默认上传频率；如果电量小于30％，则增大n的值至n0，从而保持主采集设备的数据采集频率不变的情况下降低辅采集设备的数据采集频率；如果电量小于10％，则降低主采集设备的数据采集频率至0.2倍的f
A
，则相应的辅采集设备的数据采集频率也随之降低至0.2倍的f
B
；如果电量小于5％，则暂停采集与上传，此时进入休眠状态仅存储历史数据。5.一种应用于权利要求1
‑
4中任一项所述基于物联网的海洋环境监测系统的基于物联网的海洋环境监测方法，其特征在于，该方法包括：步骤A、预先设置海洋数据监测设备的数据采集频率和数据上传频率，包括设置主采集设备的数据采集频率和辅采集设备的数据采集频率，其中，主采集设备的数据采集频率f
A
远大于辅采集设备的数据采集频率f
B
；优选地，f
A...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冬冬，刘志清，宋励奋，李润贞，裘建宇，马玉楼，
申请(专利权)人：江苏憬知梦蓝科技有限公司，
类型：发明
国别省市：