基于物聯(lián)網(wǎng)的湖泊水域岸線及水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)的研究.pdf

1、湖泊監(jiān)控，是湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，具有廣泛的社會(huì)實(shí)用價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)該課題展開了一些相關(guān)的研究，提出了多種湖泊監(jiān)控方法，比如人工監(jiān)控方法、物理化學(xué)生物監(jiān)控方法、電子儀器儀表監(jiān)控方法、湖泊衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法以及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法等，這些方法對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與研究具有十分重要的意義。但是，它們主要集中在湖泊水質(zhì)的監(jiān)控，卻對(duì)湖泊水岸線或者湖泊水域上人們是否會(huì)產(chǎn)生湖泊污染的行為缺乏必要的監(jiān)控技術(shù);同時(shí)，也缺乏對(duì)湖泊整個(gè)流

2、域的水質(zhì)進(jìn)行多站點(diǎn)監(jiān)控技術(shù)。
　　作為研究工作者，本文提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的湖泊水域岸線及水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)方案，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等高科技手段，分別從湖泊水岸線的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、湖泊水域上的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控與湖泊流域水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控三個(gè)方面，對(duì)湖泊水域岸線人的行為進(jìn)行定位和對(duì)湖泊水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)其技術(shù)架構(gòu)和監(jiān)控定位算法展開具體研究，對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、建設(shè)與推廣具有重要的參考價(jià)值。
　　本文主要研究工作如下：<

3、br>　　第一，針對(duì)目前湖泊監(jiān)控技術(shù)中，缺乏湖泊水岸線人的行為是否會(huì)對(duì)湖泊產(chǎn)生污染的監(jiān)控技術(shù)，提出了湖泊水岸線的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其本質(zhì)上，就是對(duì)湖泊岸邊的移動(dòng)物體（人的行為）進(jìn)行精確地定位。針對(duì)傳統(tǒng)的基于RSSI測(cè)距的定位算法中節(jié)點(diǎn)定位精度低的缺點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的RSSI測(cè)距定位算法——湖泊岸邊移動(dòng)物體的定位算法LMOAL。該算法，在測(cè)距階段采用防脈沖干擾的滑動(dòng)平均濾波算法MAF，即通過排序求均值策略減少RSSI平均值與實(shí)際采集RSSI

4、值之間的累積誤差值，應(yīng)用推進(jìn)策略用平均值來(lái)代表某個(gè)相鄰數(shù)據(jù)小區(qū)間中點(diǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果;在定位階段，通過建立的RSSI值與距離Distance之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系模型，計(jì)算出移動(dòng)物體離湖泊岸邊的距離，以此用來(lái)判斷岸邊的移動(dòng)物體是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)、是否有可疑情況的發(fā)生等，從而預(yù)判是否會(huì)對(duì)湖泊產(chǎn)生威脅，并對(duì)其進(jìn)行定位，視頻跟蹤。最后，通過模擬實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)修正前和MAF算法修正后的RSSI值、未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。實(shí)驗(yàn)表明，此改進(jìn)型算法

5、在節(jié)點(diǎn)定位精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)算法。
　　第二，針對(duì)目前湖泊監(jiān)控技術(shù)中，缺乏湖泊水域上人的行為是否會(huì)對(duì)湖泊產(chǎn)生污染監(jiān)控技術(shù)，提出了湖泊水域上的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其本質(zhì)上就是對(duì)湖泊水域上的移動(dòng)物體（人的行為）進(jìn)行精確地定位。針對(duì)傳統(tǒng)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于距離定位算法中聲波傳播遲延大、測(cè)距準(zhǔn)度不高、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位精度低的缺點(diǎn)，提出了一種新型的基于距離定位算法——湖泊水域上移動(dòng)物體的定位算法LMOOL。該算法利用聲吶的測(cè)速與測(cè)距原理，綜合運(yùn)用G

6、PS、視頻識(shí)別技術(shù)，采用模擬假設(shè)策略，建立移動(dòng)物體的測(cè)距模型，計(jì)算出聲吶傳感器節(jié)點(diǎn)同移動(dòng)物體之間的斜距離，以及移動(dòng)物體的行駛速度和距離;然后，根據(jù)湖泊視頻監(jiān)控設(shè)備捕獲到的異常行為，對(duì)湖面上產(chǎn)生漂浮物或漂流物等的行為進(jìn)行定位計(jì)算。通過模擬實(shí)驗(yàn)表明，此改進(jìn)型算法在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位精度上更接近于實(shí)際定位數(shù)據(jù)。最后，為了解決LMOOL定位算法沒有考慮湖底的三維特性以及移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)特性等問題，又設(shè)計(jì)出了一種修正的基于湖底坐標(biāo)系的三維定位算法3DLA

7、，并對(duì)定位誤差進(jìn)行修正。
　　第三，如果當(dāng)湖泊水岸線或者湖泊水域上產(chǎn)生湖泊污染的行為時(shí)，出現(xiàn)定位監(jiān)控死角時(shí)，必定會(huì)對(duì)湖泊水質(zhì)造成影響，那么對(duì)湖泊水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控也就成為必然。針對(duì)目前湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)多采用單站點(diǎn)、人工監(jiān)測(cè)等方法，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)覆蓋范圍小且周期長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)時(shí)反映整個(gè)湖泊流域水質(zhì)的狀態(tài)等缺點(diǎn)，提出了湖泊流域水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。它采用基于多站點(diǎn)面狀的湖泊流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)思想MSPM，在湖泊流域范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，同時(shí)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)

8、時(shí)監(jiān)測(cè)，通過無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行糾正、處理、統(tǒng)計(jì)、生成圖表和報(bào)表等，為管理者提供決策。然后，借助基于IBM公司的IOC平臺(tái)，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)湖泊流域水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)IOW中重要功能模塊進(jìn)行再次地研究設(shè)計(jì)。通過模擬實(shí)驗(yàn)證明，它比傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)范圍廣、周期短，還能夠反映湖泊流域水質(zhì)的整體狀態(tài)。最后，研究湖泊監(jiān)控技術(shù)在環(huán)保教育領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　總之，本文以湖北省武漢市11個(gè)重點(diǎn)湖泊作為實(shí)驗(yàn)對(duì)