低功耗海洋监测浮标网络关键技术研究与实现

作     者：马云飞 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑轶

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：海洋监测浮标 低功耗 数据采集 通信网络 

摘      要：我国作为一个海洋大国,拥有丰富的自然资源和巨大的经济潜力。近年来,我国海洋经济蓬勃发展,沿海经济活动对海洋环境造成了严重影响,海洋生态问题日益凸显,我国面临严峻的海洋灾害影响。因此,持续、实时的海洋环境监测网络对及时发现海洋环境变化,并采取有效措施保护近岸海域水质和相关海洋经济产业至关重要。 海洋监测网络当前面临着采集和通信系统功耗高,网络监测范围小的问题。本文针对海洋监测浮标网络所面临的不足,从低功耗海洋多元环境信息采集系统和低功耗海洋监测浮标网络通信系统两个维度进行研究与实现。 首先对两个系统的功能、原理及涉及的技术进行研究分析。 其次针对低功耗海洋多元环境信息采集系统进行研究和设计,从硬件和软件两个角度的多个方面展开低功耗分析与设计,使系统实现对传感器及浮标状态信息的采集、处理、传输和储存等功能。 然后针对海洋监测浮标网络通信系统中存在的问题,提出了一种链式拓扑结构的通信网络,采用低功耗的Lo Ra技术与北斗短报文通信技术相结合的通信方式进行数据传输。根据浮标网络的数据上传要求,设计逐级上传的远距离数据传输方式;根据上位机对浮标的控制要求,提出了一种基于GPS的远距离数据传输方式。通过构建低功耗、远距离的浮标监测网络,实现海洋环境监测数据的物联网化。 最后对本文研究与设计的两个系统关键技术进行功能、功耗进行实验室及海上实际测试与验证。通过测试表明各项数据均能够周期性的正常采集,实验室条件下16个节点的链式网络通信丢包率小于1%,系统在待机时电流仅为45u A。这使浮标网络在缺乏光照的环境下,也能依靠波浪能纳米发电机正常工作,并实现大范围的海洋环境监测和数据的网络化传输。