一种基于Lora通信的海洋监测系统和方法

一种基于lora通信的海洋监测系统和方法
技术领域
1.本发明涉及海洋监测技术领域，具体涉及一种基于lora通信的海洋监测系统和方法。


背景技术：

2.近年来，在各国探索和可持续利用海洋矿产、生物、空间等资源的过程中，海洋监测技术是必不可少的手段。例如：对海洋能源进行开发时，需要提供及时准确的观测预报服务；建立海洋牧场、对海洋环境进行治理时，需要对海洋生态环境和气象环境进行监测。可见，海洋监测技术的进步对相关行业的发展具有重要意义。随着人工智能技术、控制技术、导航定位技术的飞速发展，无人监测船在海洋监测中得到了推广，具有灵活性高、功能多、成本低、安全性高的优点。
3.目前，基于无人监测船的海洋监测方法是通过搭载各种环境监测传感器的无人船，对海洋生态环境进行实时监测，并由远程上位机对指定区域进行监督和检查。无人监测船与岸端上位机的通信方式通常是gprs，或者使用在2.4g频段的远程通讯，如zigbee、蓝牙和wifi技术等，但实际应用中，这些通讯方式存在功耗较高，或覆盖距离有限的问题，不能满足实际应用中能量补给困难的远距离监测场景。一旦需要对远距离水域进行监测，可能会由于电量限制无法完成任务，或在船舶与岸端距离过大时，岸端上位机收不到信号，无法知晓无人监测船的情况，导致船舶路径偏离，甚至发生船只碰撞事故。
4.因此，需要提出一种基于lora通信的海洋监测系统和方法，能够解决现有技术中，由于无人监测船与岸端上位机通常使用gprs或2.4g频段的远程通信方式，设备的功耗高、覆盖距离有限，导致无人监测船出现路径偏航或安全事故的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于lora通信的海洋监测系统和方法，用以解决现有技术中无人监测船与岸端上位机通信存在功耗高、覆盖距离有限，导致无人监测船出现路径偏航或安全事故的技术问题。
6.为了解决上述问题，本发明提供一种基于lora通信的海洋监测系统，包括多个无人监测船、lora网关和岸端上位机；
7.所述无人监测船，用于获取海洋环境数据和所述lora网关发送的配置信息，根据所述配置信息将海洋环境数据实时传输给所述lora网关；
8.所述lora网关，用于向每个所述无人监测船发送配置信息，接收所述无人监测船发送的海洋环境数据，根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；
9.所述岸端上位机，用于接收所述lora网关发送的封装数据，对所述封装数据进行解析，对解析后的数据进行数据分析，将分析结果进行上传。
10.进一步的，所述lora网关包括配置模块、数据封装模块和数据发送模块；
11.所述配置模块，用于根据所述无人监测船的空间地址和编号信息对所述无人监测船进行网络配置；
12.所述数据封装模块，用于对所述海洋环境数据进行预处理，并根据预设规则对预处理后的海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据；
13.所述数据发送模块，用于对所述封装数据进行调制、扩频调制和射频调制后发送给所述无人监测船。
14.进一步的，所述配置模块包括信道配置模块；
15.所述信道配置模块用于根据所述无人监测船的空间地址和编号信息分配第一信道和第二信道；所述第一信道用于实时获取所述无人监测船实时发送的海洋环境数据；所述第二信道用于发送配置指令；
16.其中，第一信道和第二信道的网络频段不同。
17.进一步的，所述配置指令包括数据时间戳、所述无人监测船发送数据对应的时间窗以及数据传输速率。
18.进一步的，所述预设数据格式包括：前导码、数据报头、有效负载数据、前向纠错码率和校验码。
19.进一步的，所述lora网关模块还包括加密模块，所述岸端上位机包括解析模块；
20.所述加密模块，用于根据预设的加密方法对所述封装数据进行加密，得到加密数据，并将所述加密数据传输给所述数据发送模块；
21.所述解析模块，用于对所述加密数据进行解析。
22.进一步的，所述预设的加密方法包括：基于对称加密方法对所述封装数据进行加密。
23.进一步的，所述岸端上位机包括提取模块、监测模块以及判断模块；
24.所述提取模块用于提取所述封装数据中的有效负载数据；
25.所述监测模块用于根据所述有效负载数据确定监测水域、监测类型和监测数值；
26.所述判断模块用于根据所述监测类型和监测数值判断所述监测水域是否存在异常或突发情况。
27.进一步的，所述系统还包括中继lora节点；
28.所述中继节点用于对所述无人监测船发送的海洋环境数据进行二次转发至所述岸端上位机。
29.本发明还提供一种基于lora通信的海洋监测方法，采用上述技术方案任一所述的基于lora通信的海洋监测系统，所述方法包括：
30.通过lora网关向每个无人监测船发送配置信息；
31.通过所述无人监测船获取海洋环境数据，接收所述lora网关发送的配置信息，并根据所述配置信息将海洋环境数据实时传输给所述lora网关；
32.通过所述lora网关接收所述无人监测船发送的海洋环境数据，根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；
33.通过所述岸端上位机接收所述lora网关发送的封装数据，对所述封装数据进行解析，对解析后的数据进行数据分析和存储，将分析结果进行上传。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过无人监测船实时获取海洋环境数据，并基于lora通信方式将海洋环境数据实时传输给lora网关；所述lora网关根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；通过岸端上位机对数据进行解析和分析，将分析结果进行上传。本发明提供的系统中，无人监测船与岸端上位机通过lora通信方式进行传输，功耗低、传输距离远，且部署简单、可扩展性强，适用于远距离水域的海洋数据实时在线监测。此外，由于lora可利用全球免费频段进行通信，还具有成本低、抗电磁干扰能力强的优点；通过预设数据格式对海洋环境数据进行封装，提高了数据的安全性和传输效率。
附图说明
35.图1为本发明提供的基于lora通信的海洋监测系统一实施例的结构示意图；
36.图2为本发明提供的lora网关一实施例的结构示意图；
37.图3为本发明提供的基于lora通信的海洋监测方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
39.在实施例描述之前，首先对本技术的相关术语进行说明。
40.lora，long range radio远距离无线电，是一种基于线性扩频调制技术的远距离、低功耗无线传输技术，由美国semtech公司于2013年推出。lora采用的调制解调技术可将原始信号进行展宽处理，在不改变发射功率的前提下，可实现提高接受灵敏度、增加传输距离、增加链路预算，并可使无线信号的抗干扰能力和通信性能大大增强。
41.下面对本技术的发明构思进行说明。
42.现有技术中，利用无人监测船对海洋进行监测时，无人船和岸端的通信方式通常是gprs，或者使用在2.4g频段的远程通讯，存在功耗较高、覆盖距离有限的问题，无法满足实际应用中能量补给困难的远距离监测场景。因此存在对远距离水域监测时，出现由于上位机收不到传输信号而导致的船舶路径偏离、船舶碰撞等危险状况。
43.本发明提供一种基于lora通信的海洋监测系统和方法，无人监测船和岸端上位机基于lora通信方式进行实时通信，根据预设数据格式对海洋环境数据进行传输，能够使无人监测船在远距离水域中进行安全监测，避免发生船舶路径偏离或船只碰撞等危险情况。
44.本发明实施例提供了一种基于lora通信的海洋监测系统100，如图1所示，图1是所述基于lora通信的海洋监测系统的结构示意图，包括多个无人监测船101、lora网关102和岸端上位机103；
45.所述无人监测船101，用于获取海洋环境数据和所述lora网关102发送的配置信息，根据所述配置信息将海洋环境数据实时传输给所述lora网关102；
46.所述lora网关102，用于向每个所述无人监测船101发送配置信息，接收所述无人监测船101发送的海洋环境数据，根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机103；
47.所述岸端上位机103，用于接收所述lora网关102发送的封装数据，对所述封装数
据进行解析，对解析后的数据进行数据分析，将分析结果进行上传。
48.本实施例提供的基于lora通信的海洋监测系统，通过无人监测船实时获取海洋环境数据，并基于lora通信方式将海洋环境数据实时传输给lora网关；所述lora网关根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；通过岸端上位机对数据进行解析和分析，将分析结果进行上传。本实施例提供的系统中，无人监测船与岸端上位机通过lora通信方式进行传输，功耗低、传输距离远，且部署简单、可扩展性强，适用于远距离水域的海洋数据实时在线监测。此外，由于lora可利用全球免费频段进行通信，还具有成本低、抗电磁干扰能力强的优点；通过预设数据格式对海洋环境数据进行封装，提高了数据的安全性和传输效率。
49.作为一个具体的实施例，所述海洋环境数据包括水域的水质信息、化学要素信息和气象信息；其中，所述水质信息至少包括水深、水温、盐度、海冰、海发光等；所述化学要素信息包括溶解氧、总碱度、活性硅酸盐、活性磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐等；所述气象信息海流、波浪、水色、透明度等。通过每一艘无人监测船对海洋环境数据进行全方位的监测，可以高效地为海洋能源开发、海洋环境治理等不同行业提供数据支撑，提高海洋监测效率。
50.作为优选的实施例，如图2所示，图2为所述lora网关102的结构示意图，所述lora网关102包括配置模块201、数据封装模块202和数据发送模块203；
51.所述配置模块201，用于根据所述无人监测船101的空间地址和编号信息对所述无人监测船进行网络配置；
52.所述数据封装模块202，用于对所述海洋环境数据进行预处理，并根据预设规则对预处理后的海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据；
53.所述数据发送模块203，用于对所述封装数据进行调制、扩频调制和射频调制后发送给所述无人监测船。
54.作为一个具体的实施例，由于无人监测船在对海洋进行监测的过程中会变换船舶所在位置，若只考虑无人船编号信息对应的lora设备基本信息，而不考虑船舶与岸端上位机的实际距离，会导致lora网关对信号发射功率等信息的配置出现偏差。因此，所述配置模块201根据无人监测船的空间地址，将船舶的实际位置考虑在内，从而确定船舶与网关和岸端上位机的距离，对设备基本信息和位置信息进行综合分析，能够对无人监测船进行更贴合实际的网络配置，提高数据传输效率。
55.作为一个具体的实施例，所述数据封装模块202首先对海洋环境数据进行预处理，具体包括：对信号进行去噪、平滑和压缩等操作，能够提高数据质量，方便后续对有效信息的传输。
56.作为一个具体的实施例，所述数据发送模块203对所述封装数据进行调制、扩频调制和射频调制，通过使用扩频调制技术，设置扩频编码，进而扩宽传输带宽来实现扩频，使信号可以得到更好的隐藏，降低数据传输过程中的频谱密度，外界截获信号的难度变大，提高了安全性。同时，随着信号传输频带扩宽，信噪比增大，灵敏度高，且抗干扰性能增强。
57.作为优选的实施例，所述配置模块包括信道配置模块；所述信道配置模块用于根据所述无人监测船的空间地址和编号信息分配第一信道和第二信道；所述第一信道用于实时获取所述无人监测船实时发送的海洋环境数据；所述第二信道用于发送配置指令；
58.其中，第一信道和第二信道的网络频段不同。
59.需要说明的是，lora通信主要在全球免费频段运行(即非授权频段)，包括433、868、915mhz等。本实施例使用410-441mhz频段进行数据传输。
60.作为优选的实施例，所述配置指令包括数据时间戳、所述无人监测船发送数据对应的时间窗以及数据传输速率。
61.由于所述lora网关需要实时接收所述无人监测船的监测数据，因此lora网关和无人监测船的时间同步尤为重要。作为一个具体的实施例，所述lora网关记录每次收到无人监测船的时刻，从该时刻起，经过预定的时长，周期性地重新下发时钟同步指令，确保lora网关和无人监测船的时间同步。在网络状况较差、数据出现延时的情况下，通过时间戳对数据传输的准确时间进行标记，提高了数据传输的准确性。将实时数据信息和指令信息通过两个不同的信道进行分别传输，达到了定时数据上传和实时数据响应的效果。
62.作为优选的实施例，所述配置指令还包括功率配置和速率配置。功率配置中，lora网关最大支持33dbm，最小17dbm，功率可逐级递降配置；速率配置中，可支持0.3/1.2/2.4/4.8/9.6/19.2/38.4/62.5kbps等通信速率的选择。
63.作为优选的实施例，所述预设数据格式包括：前导码、数据报头、有效负载数据、前向纠错码率和校验码。
64.作为一个具体的实施例，如表1所示，表1展示了所述预设数据格式的具体数据包结构。其中，校验码为crc校验码；所述有效负载数据包括监测水域、监测类型、监测数值、无人船电量信息等，对检测信息和船舶信息进行实时上报，方便岸端上位机及时进行调控。
65.表1预设数据格式
66.前导码数据报头前向纠错码率有效负载数据校验码
67.作为优选的实施例，所述lora网关模块还包括加密模块，所述岸端上位机包括解析模块；
68.所述加密模块，用于根据预设的加密方法对所述封装数据进行加密，得到加密数据，并将所述加密数据传输给所述数据发送模块；
69.所述解析模块，用于对所述加密数据进行解析。
70.作为优选的实施例，所述预设的加密方法包括：基于对称加密方法对所述封装数据进行加密。
71.作为一个具体的实施例，所述对称加密算法包括des，3des，aes以及rc4等。
72.作为优选的实施例，所述岸端上位机包括提取模块、监测模块以及判断模块；
73.所述提取模块用于提取所述封装数据中的有效负载数据；
74.所述监测模块用于根据所述有效负载数据确定监测水域、监测类型和监测数值；
75.所述判断模块用于根据所述监测类型和监测数值判断所述监测水域是否存在异常或突发情况。
76.作为一个具体的实施例，在水质监测中，若溶解氧、总碱度、活性硅酸盐、活性磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐等化学要素中的一种或多种超过预设的阈值，则确定所述监测水域水质存在异常；在气象信息监测中，若海流、波浪、水色和透明度中的一种或多种超过历史同年份的相关指标的均值，则确定所述监测水域存在异常情况。当出现异常情况时，向云端服务器进行上报，并发送报警信息，实现了对水域的有效监测。
77.为了进一步提升数据远程传输距离，作为优选的实施例，所述系统还包括中继
lora节点；
78.所述中继节点用于对所述无人监测船发送的海洋环境数据进行二次转发至所述岸端上位机。
79.本实施例还提供了一种基于lora通信的海洋监测方法，采用上述技术方案任一所述的基于lora通信的海洋监测系统，如图3所示，图3为本实施例提供的一种基于lora通信的海洋监测方法的流程示意图，所述方法包括：
80.步骤s301：通过lora网关向每个无人监测船发送配置信息；
81.步骤s302：通过所述无人监测船获取海洋环境数据，接收所述lora网关发送的配置信息，并根据所述配置信息将海洋环境数据实时传输给所述lora网关；
82.步骤s303：通过所述lora网关接收所述无人监测船发送的海洋环境数据，根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；
83.步骤s304：通过所述岸端上位机接收所述lora网关发送的封装数据，对所述封装数据进行解析，对解析后的数据进行数据分析和存储，将分析结果进行上传。
84.本发明公开的一种基于lora通信的海洋监测系统和方法，通过无人监测船实时获取海洋环境数据，并基于lora通信方式将海洋环境数据实时传输给lora网关；所述lora网关根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；通过岸端上位机对数据进行解析和分析，将分析结果进行上传。
85.本实施例提供的系统中，无人监测船与岸端上位机通过lora通信方式进行传输，功耗低、传输距离远，且部署简单、可扩展性强，适用于远距离水域的海洋数据实时在线监测。此外，由于lora可利用全球免费频段进行通信，还具有成本低、抗电磁干扰能力强的优点；通过预设数据格式对海洋环境数据进行封装，提高了数据的安全性和传输效率。
86.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，包括多个无人监测船、lora网关和岸端上位机；所述无人监测船，用于获取海洋环境数据和所述lora网关发送的配置信息，根据所述配置信息将海洋环境数据实时传输给所述lora网关；所述lora网关，用于向每个所述无人监测船发送配置信息，接收所述无人监测船发送的海洋环境数据，根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；所述岸端上位机，用于接收所述lora网关发送的封装数据，对所述封装数据进行解析，对解析后的数据进行数据分析，将分析结果进行上传。2.根据权利要求1所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述lora网关包括配置模块、数据封装模块和数据发送模块；所述配置模块，用于根据所述无人监测船的空间地址和编号信息对所述无人监测船进行网络配置；所述数据封装模块，用于对所述海洋环境数据进行预处理，并根据预设规则对预处理后的海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据；所述数据发送模块，用于对所述封装数据进行调制、扩频调制和射频调制后发送给所述无人监测船。3.根据权利要求1所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述配置模块包括信道配置模块；所述信道配置模块用于根据所述无人监测船的空间地址和编号信息分配第一信道和第二信道；所述第一信道用于实时获取所述无人监测船实时发送的海洋环境数据；所述第二信道用于发送配置指令；其中，第一信道和第二信道的网络频段不同。4.根据权利要求3所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述配置指令包括数据时间戳、所述无人监测船发送数据对应的时间窗以及数据传输速率。5.根据权利要求1所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述预设数据格式包括：前导码、数据报头、有效负载数据、前向纠错码率和校验码。6.根据权利要求1所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述lora网关模块还包括加密模块，所述岸端上位机包括解析模块；所述加密模块，用于根据预设的加密方法对所述封装数据进行加密，得到加密数据，并将所述加密数据传输给所述数据发送模块；所述解析模块，用于对所述加密数据进行解析。7.根据权利要求6所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述预设的加密方法包括：基于对称加密方法对所述封装数据进行加密。8.根据权利要求1所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述岸端上位机包括提取模块、监测模块以及判断模块；所述提取模块用于提取所述封装数据中的有效负载数据；所述监测模块用于根据所述有效负载数据确定监测水域、监测类型和监测数值；所述判断模块用于根据所述监测类型和监测数值判断所述监测水域是否存在异常或
突发情况。9.根据权利要求1所述的一种基于lora通信的海洋监测系统，其特征在于，所述系统还包括中继lora节点；所述中继节点用于对所述无人监测船发送的海洋环境数据进行二次转发至所述岸端上位机。10.一种基于lora通信的海洋监测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9任一所述的基于lora通信的海洋监测系统，所述方法包括：通过lora网关向每个无人监测船发送配置信息；通过所述无人监测船获取海洋环境数据，接收所述lora网关发送的配置信息，并根据所述配置信息将海洋环境数据实时传输给所述lora网关；通过所述lora网关接收所述无人监测船发送的海洋环境数据，根据预设数据格式对所述海洋环境数据进行数据封装，得到封装数据，并将所述封装数据传输至所述岸端上位机；通过所述岸端上位机接收所述lora网关发送的封装数据，对所述封装数据进行解析，对解析后的数据进行数据分析和存储，将分析结果进行上传。

技术总结
本申请公开了一种基于Lora通信的海洋监测系统和方法，该系统包括多个无人监测船、Lora网关和岸端上位机；所述无人监测船用于获取海洋环境数据和配置信息，根据所述配置信息将海洋环境数据实时传输给Lora网关；所述Lora网关用于向每个所述无人监测船发送配置信息，根据预设数据格式对海洋环境数据进行数据封装；所述岸端上位机用于接收所述Lora网关发送的封装数据，对所述封装数据进行解析，对解析后的数据进行数据分析，将分析结果进行上传。本发明提供的系统中，无人监测船与岸端上位机通过Lora通信方式进行传输，功耗低、传输距离远，且部署简单、可扩展性强，适用于远距离水域的海洋数据实时在线监测。的海洋数据实时在线监测。的海洋数据实时在线监测。


技术研发人员：李晓彬 胡宏涛 陈威 宋召军 李勇华 潘晋 乐京霞 邓义斌 范泽清 刘航
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/18