基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法技术

本发明专利技术提供了一种基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，包括以下步骤：建立混合能源充电的近海海域监测系统模型；将水下传感器节点的全局唯一标识符注册上传到区块链中，用来验证所述水下传感器节点的身份认证信息；验证通过后，所述水下传感器节点收集周围海洋数据并向所述海上浮标设备节点传输数据；所述海上浮标设备节点接收并对所述水下传感器节点传输的数据中的传感器电池能量信息进行分析；所述海上浮标设备节点接收数据并采用一种基于

【技术实现步骤摘要】
基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法


[0001]本专利技术涉及海洋监测网络领域，尤其是指一种基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法
。

技术介绍

[0002]海洋监测网络作为海洋信息网络的重要组成部分可提供多种观监测应用，是汇聚海洋空间
、
环境
、
资源等各类数据的重要平台
。
随着全天候
、
实时的海洋灾害监测
、
海洋信息传输，海上生产作业以及海洋军事等活动的开展，对海洋监测网络支持低时延高可靠的观监测应用提出了极高的要求
。
随着物联网技术的发展，海洋监测网络的终端设备对于低时延高可靠的应用需求随之增加，需要全新的数据处理方式以满足相关应用需求
。
利用边缘计算技术，将部分数据处理任务下沉至网络边缘，设备的请求可以就近执行，而不是通过远程云端的回程来满足，可以实现高效的海上通信
。
因此，将边缘计算关键技术引入海洋监测网络以满足低时延
、
高效的海事应用需求具有极高的研究意义和应用价值
。
[0003]但是传统的海洋监测网络中，海上设备与水下传感器设备，难以补充能量
。
由于设备的有限尺寸，很难为设备配备一个容量大的电池，同时也经常无法频繁地为电池充电或者是更换电池
。
现有传感网大多数是数据收集方面的研究，对于传感器节点能量补充方面的研究很少
。
为解决这个问题，本专利技术提出将无线能量传输技术
(Wireless Power Transmission
，
WPT)
与海洋监测网络系统相结合，并且利用水下可移动无人潜航器为水下传感器节点充电
。
本专利技术提出的基于混合能源充电的近海海域监测方法和利用无人潜航器
(Autonomous Underwater Vehicle
，
AUV)
辅助水下传感器节点无线充电的方法可以保证近海岸的在线监测能够长期稳定地监测海洋数据，可以自动化与智能化的进行海洋监测，实现对近海水质
、
温度
、
酸碱度等参数的连续
、
实时
、
自动监测，与现有的近海监测系统相比，该系统稳定性强，功能更加完善
。
近海岸在线监测系统由近海采集数据的浮标边缘节点，水下无线传感器，陆地基站组成
。
[0004]由于海洋监测网络系统的水下无线传感器节点
(Underwater Wireless Sensor Node
，
UWSN)
在开放性的环境中部署，节点容易被捕获，变成网络内部的恶意节点，无法保障网络系统的安全
。
区块链技术采用去中心化的分布式账本技术，将数据分散存储在众多节点中，因此需要一个中心化的认证机构或者存储器来维护所有节点的认证信息，从而降低了单点攻击的风险
。
并且相对于单纯使用公钥密码学进行身份认证，区块链技术可以保证身份信息和认证结果不被篡改，在区块链上注册的身份信息和认证结果是不可更改的，因此可以有效防止身份冒用和欺诈行为
。
[0005]有鉴于此，确有必要提供一种基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，以解决上述问题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种能够延长监测系统的生命周期及提高安全性的近海海
域监测方法
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，应用于近海海域监测系统，包括以下步骤：
[0008]步骤
1、
建立混合能源充电的近海海域监测系统模型，包括陆地基站节点
、
海上浮标设备节点和水下传感器节点；
[0009]步骤
2、
将水下传感器节点的全局唯一标识符注册上传到区块链中，验证所述水下传感器节点的身份认证信息；
[0010]步骤
3、
验证通过后，所述水下传感器节点收集周围海洋数据并向所述海上浮标设备节点传输数据，传输的数据包括所述水下传感器节点的电池能量信息以及所述水下传感器节点的监测数据；
[0011]步骤
4、
所述海上浮标设备节点接收并对所述水下传感器节点传输的数据中的传感器电池能量信息进行分析，当所述水下传感器节点的电池能量降至能量阈值
E
thr
时，所述海上浮标设备节点向无人潜航器发送充电请求，无人潜航器接收到充电请求后，移动到需要充电的水下传感器节点的位置进行无线充电；
[0012]步骤
5、
所述海上浮标设备节点接收数据并采用一种基于
LSTM
的深度强化学习算法解决计算卸载问题
。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤1中的近海海域监测系统模型具体包括：
[0014]一个陆地基站，
n
个海上浮标设备，海上浮标设备集合表示为
N
＝
{1
，2，
…
，
n}
，
s
个水下传感器节点，水下传感器节点集合表示为
S
＝
{1
，2，
…
，
s}
；水下传感器节点收集数据并转发给海上浮标设备，海上浮标设备通过本地处理任务或者上传给陆地基站进行存储以及处理；将海上浮标设备的卸载决策构建为二进制
01
模型，采用向量
X
＝
{x1，
x2，
…
，
x
n
}
表示海上浮标设备的卸载方案，
x
i
为1代表设备
i
将任务卸载至基站服务器执行，
x
i
为0时，表示设备
i
将任务在本地执行，集合
H
＝
{h1，
h2，
…
，
h
n
}
表示每个海上浮标设备至陆地基站服务器之间的信道条件
。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤1还包括：
[0016]步骤
11、
所述陆地基站收集可再生能源，并将能源存储于所述陆地基站的电池中；
[0017]步骤
12、
若
t
时间段内的能量收集阶段电量小于
E
max
，触发电力网络为其补充能量，
E
max
为陆地基站服务器在无线能量传输阶段开始时的电力存储量
。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤
11
还包括：
[0019]步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，应用于近海海域监测系统，其特征在于，所述基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法包括：步骤
1、
建立混合能源充电的近海海域监测系统模型，包括陆地基站节点
、
海上浮标设备节点和水下传感器节点；步骤
2、
将水下传感器节点的全局唯一标识符注册上传到区块链中，验证所述水下传感器节点的身份认证信息；步骤
3、
验证通过后，所述水下传感器节点收集周围海洋数据并向所述海上浮标设备节点传输数据，传输的数据包括所述水下传感器节点的电池能量信息以及所述水下传感器节点的监测数据；步骤
4、
所述海上浮标设备节点接收并对所述水下传感器节点传输的数据中的传感器电池能量信息进行分析，当所述水下传感器节点的电池能量降至能量阈值
E
thr
时，所述海上浮标设备节点向无人潜航器发送充电请求，无人潜航器接收到充电请求后，移动到需要充电的水下传感器节点的位置进行无线充电；步骤
5、
所述海上浮标设备节点接收数据并采用一种基于
LSTM
的深度强化学习算法解决计算卸载问题
。2.
根据权利要求1所述的基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，其特征在于，所述步骤1中的近海海域监测系统模型具体包括：一个陆地基站，
n
个海上浮标设备，海上浮标设备集合表示为
N
＝
{1
，2，
…
，
n}
，
s
个水下传感器节点，水下传感器节点集合表示为
S
＝
{1
，2，
…
，
s}
；水下传感器节点收集数据并转发给海上浮标设备，海上浮标设备通过本地处理任务或者上传给陆地基站进行存储以及处理；将海上浮标设备的卸载决策构建为二进制
01
模型，采用向量
X
＝
{x1，
x2，
…
，
x
n
}
表示海上浮标设备的卸载方案，
x
i
为1代表设备
i
将任务卸载至基站服务器执行，
x
i
为0时，表示设备
i
将任务在本地执行，集合
H
＝
{h1，
h2，
…
，
h
n
}
表示每个海上浮标设备至陆地基站服务器之间的信道条件
。3.
根据权利要求1所述的基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，其特征在于，所述步骤1还包括：步骤
11、
所述陆地基站收集可再生能源，并将能源存储于所述陆地基站的电池中；步骤
12、
若
t
时间段内的能量收集阶段电量小于
E
max
，触发电力网络为其补充能量，
E
max
为陆地基站服务器在无线能量传输阶段开始时的电力存储量
。4.
根据权利要求3所述的基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，其特征在于，所述步骤
11
还包括：步骤
111、
基于天气条件的移动加权平均算法来预测未来时间的平均太阳照射强度设定环境中的随机不透明因子
γ
v
∈(0.5
，
1)
，太阳能能量收集节点的能量收集效率
e
v
，
a
v
为太阳能电池板尺寸，所述陆地基站平均能量收集能力为太阳的入射功率表示为
P
solar
，在
t
时间段收集的太阳能能量为：步骤
112、
考虑的输出风速用
P
wind
表示
t
时间段内的平均功率，则有
其中，
ρ
wind
表示空气密度，
v
i
表示风速，
S
表示单位时间内气流流过垂直于风速的截面积，
n
表示在
t
时间段内的记录次数，则风能在
t
时间段内收集的能量为：
E
wind
(t)
＝
P
wind
t
；设
E
arrive
(t)
和
E
harvest
(t)
为第
t
个时间段内能源到达所述陆地基站的服务器的能量和第
t
个时间段开始时电池的状态量，
E
arrive
(t)
＝
E
solar
(t)+E
wind
(t)
，因此，所述陆地基站的服务器在任务计算阶段能量状态的计算公式如下所示：
E
harvest
(t)
＝
E
arrive
(t)+E
ele
(t)。5.
根据权利要求1所述的基于区块链的辅助混合能源充电的近海海域监测方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：步骤
21、
需要向海上浮标设备节点对水下传感器进行注册，所述海上浮标设备节点会为申请注册的所述水下传感器节点发放密钥对；步骤
22、
所述海上浮标设备节点生成区块，并将生成的区块发布到区块链上，区块包括时间戳
TimeStamp、
区块的
ID、
此前区块的
HashPre、
现在区块的
HashCur、
注册节点的
UID、
注册节点的验证信息
W
s
以及所述水下传感器节点的位置信息
D
s
；步骤
23、
所述海上浮标设备节点收到并验证所述水下传感器节点的身份认证请求，通过公钥解密验证信息
W
s
，解密出传感器节点的
UID
，验证传感器的
UID
是否在区块链中注册；步骤
24、
验证通过后，所述水下传感器节点发送数据给所述海上浮标设备节点
。...

【专利技术属性】
技术研发人员：许斌，柴金铭，刘丹，崔秋兰，李思齐，陈佳乐，亓晋，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：