海岛智能监控系统.docx

海岛智能监控系统本项目将主要研究以下关键技术：1无线传感器网络监测系统图2 无线传感器网络节点结构图无线传感器网络监测系统主要实现地表水、水质、气候等的检测。图2给出了无线传感器网络节点结构图。整个无线传感器网络监测系统由一般节点、路由器、智能网关等组成无线自组织网络。它使用ZIGBEE协议标准，工作在2.4GHZ的ISM频段。ZIGBEE通信网络为近距离通信，主要通过一般网络节点或者路由器组网，建立ZIGBEE网络服务，控制各个节点的数据采集和传数据传输，实现这些节点的数据汇集和处理。由于监测节点通常距离测控站较远，并且传输的数据量比较大，因此，在智能网关中加入3G/WIFI通信模块，实现智能网关与测控站之间的大数据量、远距离的数据传输。一般节点主要完成地表水、气候等数据采集以及近距离的数据传输，节点中的GPS可以自动为节点定位。路由器节点除了包含一般节点的功能外，还具有为一般节点提供路由的功能，能实现网络连接范围内的传感器节点的采集信息、控制命令的转发。智能网关节点除了具有一般节点的功能外，还具有智能管理网络、远距离中继功能，可以实现水质分析、信息处理和存储、远距离无线数据传输等功能，具有3G、WIFI、ZIGBEE等多种（或者某几种）通信方式。 本项目主要针对分布式处理算法研究，对现有的分布式估计、压缩感知、分布式网络编码、小波压缩等分布式数据处理算法进行对比研究，主要包括：A压缩感知技术研究压缩感知(CS)理论是信号处理领域中的一种全新框架，它突破了Shannon/Nyquist 采样定理的理论极限，仅用少于Shannon/Nyquist 采样率的非相干投影，便可实现宽带信号（假设在某基上是稀疏或可压缩）的低采样速率处理；并把计算复杂度从传感节点转移到融合节点（sink 节点）或后台。CS主要包括信号稀疏化、观测以及重构三个方面。 首先进行信号稀疏化：选用合适的变换基，将信号向量在其上进行投影，得到一个具备大量零系数或接近零的系数的稀疏向量；其次进行观测，选取稳定的观测基，然后将稀疏信号与观测矩阵相乘即可获得信号的线性投影观测。最后，运用重构算法可由观测值及投影矩阵重构原始信号。B分布式编码技术研究 由于传感器节点计算能力和能量受限，根据信道模型设计自身的分级量化理论，考虑水声信道特征进行联合信源信道编码，实现在较低计算复杂度条件下提高抗干扰的能力。让每一个传感器节点在条件熵率下无损通信，而不是它单独的熵率H(X1)、 H(X2)，其特点是总速率超过联合熵率H(X1,X2 )，在编码时传感器之间不需要协商，从而节省节点间宝贵的通信开销。C分布式小波压缩算法研究考虑信号的非平稳性及时变性，可以对信号压缩采用小波包分解后进行熵编码，通过挖掘时间和空间相关性减少冗余数据的传输，以满足水声信号实时传输的要求。用比原始数据更稀疏的小波指数代替节点的测量值，提出基于混合分解的分布式小波变换，利用节点的计算能力减少节点间交换数据产生小波系数的通信开销；提出自适应小波变换，根据小波变换的压缩增益和网络开销自适应确定最优变换级。（4）不同算法的分析与比较 考虑不同算法下多个参数的折中，如能量、精确性、延迟、容错性、稳定性等等。在传感网的应用场景下，从应用条件、协作依赖程度、重构速度、测量域支持等方面进行比较。在基站设计一个基于空间相关性分布式压缩算法，利用节点感知数据的空间和时间相关性，建立稀疏矩阵，以能量有效的方式对数据进行压缩和重构，分析重构误差和观测数据的关系，通过仿真及实测验证其性能。（5）基于分布式数据处理的跨层设计 首先考虑不同的节点配置情况（规则、不规则）和网络拓扑（中心式、分布式），考虑选用不同的压缩方法。 对于中心式拓扑（可视为一个簇单元运行的特例），采用以非协作方式（节点之间不需要进行数据压缩）进行数据采集，从减少数据采集量上考虑节能。每个节点随机决定自己是否进行采样，随机分布将采集到的节点传送到SINK。只要明确节点感知数据是可以压缩的，即在某些正交基上可以稀疏表达，节点侧便可以运行低计算开销的编码算法，SINK侧通过收集节点感知数据的观测向量，运行较为复杂的解码算法，进行数据的压缩和重构。 对于分布式拓扑，由于较难获得全网的数据相关信息，可以考虑局部压缩算法，以部分协作的方式（即节点只与邻居进行信息交换），消除空间和时间上的冗余、最小化节点的通信量。节点发往簇头信息经整理后，以多跳连接的形式送往SINK并进行重构。传送过程中，进行本地压缩和传输代价的折中，结合功率控制、路由选择等问题，综合考虑数据压缩与各协议层之间的关系，并通过线性规划的方法获得网络最小耗能。提出跨层的、能量有效的分布式数据压缩和汇聚方案。2 视频监控子系统 图3给出了视频监控系统组成框图。由图3可见，系统主要由视频采集单元、视频编码器、嵌入式系统、3G/WIFI无线通信模块组成。前端摄像头选用高清CMOS传感器，视频编码采用H.264。嵌入式系统的处理器选用高性能ARM1176JZF-S内核微处理器S3C6410，该处理器在视频媒体编解码、2D/3D图形加速、显示处理和缩放等方面的具有性能优势；使用Linux操作系统。嵌入式系统从摄像头获取视频信息后，采用高压缩率的H.264编码将视频信息压缩处理后通过3G网络或者WIFI网络传输到远程的测控站。视频监控终端采用Web服务器开发，其内嵌TCP/IP协议，可以直接连接到网络，远程的客户端或者监控人员的智能手机可以实时对当前监控点的状态进行实时监测。图3 视频监控系统组成框图 3 潮汐监测装置潮汐的监测拟采用北斗通信导航和GPS双系统高精度定位，结合陀螺仪和3D加速度传感器的推算定位，自主研究算法实现。实时监测的潮汐数据，通过3G网络、微波通信或者WIFI网络传输到远程的测控站。潮汐监测装置组成框图如图4所示。图4 潮汐监测装置组成框图4 远程传输系统 信息远程传输子系统通过WiFi通信接口、3G通信接口、微波通信、卫星通信接口等通信模式实现将数据实时传输到远程监控中心服务器。WiFi（Wireless Fidelity），又称802.11b标准，它的最高带宽为11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米。拟采用低功耗150M USB接口无线高保真W2模块,该模块兼容IEEE802.11b/g/n标准,可以与其它符合该标准的无线设备互相连接通讯,支持最新的64/128位WEP数据加密，支持WPA-PSK/WPA2-PSK,WPA/WPA2安全机制,无线传输速率高达150M，内置全向智能天线，通过外接天线使传输距离更远。 3G（3rd Generation）指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机(2G)，第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度。它有三项技术标准：W-CDMA（Wideband Code Division Multiple Access）它可支持384kbps到2Mbps不等的数据传输速率，CDMA2000亦称CDMA Multi-Carrier，TD-SCDMA：该标准是由中国独自制定的3G标准。3G模块拟采用中兴MU301 TD-HSDPA/EDGE双模自动切换模块，其HSDPA速率: DL2.8Mbps/UL384Kbps, EDGE:236.8Kbps，支持中国移动随e行、ZTE PC侧软件、第三方AT接口软件，支持WindowsXP、WindowsVista、Windows7、Linux操作系统标准的AT命令接口, 支持用户二次开发外接天线。 Inmarsat宽带全球区域网（BGAN）是具有宽带网络接入、移动实时视频直播、兼容3G等多种前卫通信能力的新一代Inmarsat全球卫星宽带局域网的简称。BGAN将对85%的全球陆地面积提供无缝隙网络覆盖， 重量约1-2.5公斤的终端设备承载最高达492Kbps的高速互联网接入、话音、传真、ISDN、短信、语音信箱等多种业务应用模式，在空海通讯中最高可达432Kbps的高速连接。拟采用BGAN探险家TT700设备，该设备将出色的性能与全方位的功能性结合为一种极其灵活、耐用的设计；它使用多个语音和数据接口，包括无线局域网(WLAN) 连通性，可接入到BGAN 网络中的最高带宽。该终端具有可拆卸的耐用型天线，可在室内或室外使用。它非常适合于现场视频应用或者小组在临时办公室环境中共用，而无论气候条件如何。适用多用户的终端，立足于随时随地在恶劣条件下提供高速率通信解决方案。在卫星通信技术方面主要研究：零中频上下变频器，应用于卫星地面站终端设备，采用后可有效减小卫星地面站室外单元体积、功耗、价格。实现的关键技术指标：相位噪声指标，1dB压缩点输出功率指标，接收动态范围指标，输出杂散指标，高稳本振源。技术难点：高稳本振技术、输出杂散技术；创新点：上下变频与本振源一体化技术，模块小型化技术。 本系统可以实现上述三种通信方式的自动切换，优势互补，自动选择最佳的通信方式。5 信息处理与WEB服务子系统 信息处理与WEB服务子系统是系统的数据处理、显示、服务中心，主要由服务器、交换机、卫星通信地面站、移动基站、大屏幕显示、GIS和管理软件平台等组成。系统服务器拟采用DELL R710工业级服务器，数据库采用Oracle,数据处理软件采用.NET环境下C+语言开发，WEB服务器采用PHP开发。系统主要完成以下功能：（1）通过对地表水、水质等数据的收集与处理，形成还海岛水源、水质分析结果，在GIS平台上以可视化的形式显示；（2）根据潮汐、水流、气象数据的实时监测，实时显示潮