本发明涉及海洋通信技术领域，尤其涉及一种海洋牧场监测系统。
背景技术：
“海洋牧场”是指在一定海域内，采用规模化渔业设施和系统化管理体制，利用自然的海洋生态环境，将人工放流的经济海洋生物聚集起来，像在陆地放牧牛羊一样，对鱼、虾、贝、藻等海洋资源进行有计划和有目的的海上放养，形成生态系统稳定运行的环境。
海洋牧场为保证生态环境的稳定性，首先需要建设人工鱼礁、大型网箱、海底山丘等环境，改变海流的流向、流速，形成上升流，将海底的营养物质带到表层并形成循环；其次，要根据对应的水文状况进行合适的人工放养，同时吸引更多的海洋生物聚集；再而，通过人工驯化、投饵、放牧等管理方式对牧场的海洋生物进行管理。
随着物联网技术的发展，如何提高海洋牧场管理的智能化和智慧化成为现有技术中亟待解决的技术问题之一。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种海洋牧场监测系统，用以提高海洋牧场管理的智能化和智慧化和海洋牧场监控效率。
本发明实施例提供一种海洋牧场监测系统，包括岸基数据中心、主网络节点和从网络节点，所述主网络节点配置于网箱上，所述从网络节点所布设于水面或水下，布设于水下的从网络节点包括固定从网络节点和移动从网络节点，其中：
所述主网络节点，用于与所述岸基数据中心建立通信连接；以及向所述岸基数据中心发送海洋环境监测信息，所述海洋环境监测信息为根据所述从网络节点采集的水文信息生成的；
所述从网络节点，用于通过搭载的传感器设备采集不同类型的水文信息，以及将不同类型的水文信息发送给所述主网络节点，其中，布设于水面的从网络节点，通过射频网络与所述主网络节点建立通信连接；布设于水下的固定从网络节点，通过有线网络与所述主网络节点建立通信连接；布设于水下的移动从网络节点，通过无线水声网络或者水下光通信网络与所述主网络节点建立通信连接。
在一种实施方式中，所述主网络节点为网关设备，所述网关设备搭载有异构信号处理机，所述异构信号处理机包括用于处理不同类型的水文信息的处理单元；
所述异构信号处理机，用于在接收到从网络节点发送的、不同类型的水文信息之后，选择相应的处理单元处理接收到的水文信息；以及对处理单元输出的信息进行融合得到所述海洋环境监测信息。
在一种实施方式中，部署于水面的从网络节点，还用于接收所述岸基数据中心通过所述主网络节点利用所述射频网络发送的控制指令并执行；
部署于水下的固定从网络节点，还用于接收所述岸基数据中心通过所述主网络节点利用所述有线网络发送的控制指令并执行；
部署于水下的移动从网络节点，还用于接收所述案基数据中心通过所述主网络节点利用所述无线水声网络或者水下光通信网络发送的控制指令并执行。
在一种实施方式中，所述部署于水面的从网络节点包括无人飞行器，所述部署于水下的移动从网络节点包括机器仿生鱼，所述网箱还设置有挂载装置；
所述挂载装置，用于挂载所述无人飞行器和/或机器仿生鱼，其中，所述无人飞行器用于在海洋牧场海面上空进行巡逻，所述无人飞行器用于通过射频网络连接至所述主网络节点；所述机器仿生鱼用于在海洋牧场水面和/或水下进行巡逻，所述机器仿生鱼用于通过无线水声网络连接至所述主网络节点。
在一种实施方式中，所述无人飞行器搭载有第一载荷设备，所述第一载荷设备包括以下至少一种：高清摄像头、生物驱赶装置和饵料投放器；
所述机器仿生鱼搭载有第二载荷设备，所述第二载荷设备包括以下至少一种：第一传感器设备、水下摄像机和鱼群驱赶器，所述传感器设备包括以下至少一种：鱼群探测器、温盐深仪ctd、叶绿素传感器、溶解氧传感器和ph传感器。
在一种实施方式中，所述挂载装置，还用于按照预设的巡检周期确定巡检时间到达或者接收到岸基数据中心发送的巡检指令时，释放所述无人飞行器和/或机器仿生鱼；
所述无人飞行器，用于通过所述高清摄像头采集海洋牧场实时水面图像并通过所述射频网络发送给所述网关设备，由所述网关设备发送给所述岸基数据中心；
所述机器仿生鱼，用于通过所述水下摄像机采集海洋牧场实时水下图像以及通过搭载的传感器设备采集水文信息，将所述实时水下图像和水文信息通过无线水声网络发送给所述网关设备，由所述网关设备发送给所述岸基数据中心。
在一种实施方式中，所述网关设备，还用于利用搭载的异构信号处理机对所述实时水面图像和/或所述实时水下图像和/或所述水文信息进行融合处理得到海洋监测信息；以及将所述异构信号处理机处理得到的所述海洋监测信息发送给所述岸基数据中心。
在一种实施方式中，所述网箱还搭载有第二传感器设备，所述第二传感器设备包括以下至少一种：风速仪、摄像机、验潮仪、水流速仪和波浪监测仪。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明所述的海洋牧场监测系统，采用了固定网络节点与移动网络节点，水下网络节点与水面网络节点相结合的分布式组网方式，其中，水面节点通过射频网络与配置于网箱上的主网络节点建立通信连接，水下固定网络节点通过有线网络与主网络节点建立通信连接，水下移动网络节点通过无线水声网络或者水下光通信网络与主网络节点建立通信连接，实现了水面与水下设备的实时通信，从而可以对海洋牧场进行实时监控，实现了海洋牧场管理的智能化和智慧化管理。
附图说明
图1为根据本发明实施例的海洋牧场监测系统的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的海洋牧场网络规划示意图；
图3为根据本发明实施例的海洋牧场立体管控流程示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
需要说明的是，本发明实施例中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
在本文中提及的“多个或者若干个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
大多数现代化海洋牧场搭建通信网案例的预设，都是通过光电缆、移动蜂窝基站、wifi(无线保真)等设施组成。通过预先埋设光电缆连接水下与水面上的固定节点，其他移动节点则通过移动蜂窝网络或wifi进行通信，所有数据经各自渠道回传至数据中心，再由数据中心融合处理后返回，共同组成海洋牧场的通信网络。经过通信网络，将水下的设备与水面设备互联互通，最后再由人工或者无人设备执行管理，从而搭建海洋牧场运营体系。
上述海洋牧场体系解决了海洋牧场信息交融的问题，能够实现方便快捷的对牧场进行管理，但也存在着不少的缺憾：其一是是大多海洋牧场设立的区域都距岸较远，基础的通信设施覆盖困难，水面蜂窝网络覆盖需要建设大量基站，水下的设备通信需要铺设海底光电缆，成本居高难下；其二是因为海洋牧场本身区域宽广，需要监测的区域虽很多，但是大部分的海域都不需要进行24小时无间断的监测，如果大量的搭建固定式的海底监测节点，容易产生资源浪费；其三是没有考虑到水下的自动化管理方式，水面可以有无人飞行器进行执勤，而有缆连接的水下机器人在面对牧场复杂的水下环境明显力不从心；其四是想要海洋牧场更具智能化，就必须搭载更多设备，然而越来越多的设备存在势必会造成网络的拥堵和信息处理的困难，如此以来则需要更多的成本来建设通信网络设施与数据处理系统。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于跨水面与水下通信模式下的海洋牧场监测系统，包括岸基数据中心、主网络节点和从网络节点，具体实施时，可以利用大型网箱搭载主网络节点，从网络节点布设于水面或者水下，布设于水下的从网络节点包括固定从网络节点和移动从网络节点，主网络节点可以为网关设备，用于与岸基数据中心建立通信连接，从网络节点可以搭载有传感器设备和/或通信模块，不同的传感器设备用于采集不同类型的水文信息。其中，移动从网络节点可以用于搭载移动传感器设备，固定从网络节点可以用于搭载固定传感器设备。具体实施时，还可以利用网络搭载固定传感器设备，例如，风速仪、摄像机、验潮仪、水流速仪和波浪监测仪。
根据从网络节点部署位方式，其可以搭载不同类型的通信模块，并通过相应的通信方式与主网络节点建立通信连接。例如，布设于水面的从网络节点，其可以为无人飞行器，其可以搭载有无线射频通信模块，相应地，无人飞行器可以通过无线射频网络与主网络节点建立通信连接；布设于水下的固定从网络节点，其可以搭载有线通信模块，相应地，固定从网络节点可以通过有线网络与主网络通信节点建立通信连接；布设于水下的移动从网络节点，例如，机器鱼等，其可以搭载有无线水声通信模块或者水下光通信模块，相应地，移动从网络节点可以通过无线水声网络或者水下光通信网络与主网络节点建立通信连接。相应地，主网络节点可以搭载有无线射频模块、有线通信模块和无线水声模块以及水下光通信模块等，以与从网络节点建立相应的通信连接。
利用与主网络节点之间建立的通信连接，从网络节点可以与岸基数据中心实现信息和/或控制指令的传输，从而实现对海洋牧场水下、水面设备实时通信组网与数据信号处理，并丰富牧场的管理方式。
基于此，本发明实施例提供了一种海洋牧场监测系统，如图1所示，包括岸基数据中心11、主网络节点12和从网络节点13，其中，主网络节点12配置于网箱上、从网络节点13布设于水面或者水下，布设于水下的从网络节点13包括固定从网络节点和移动从网络节点，其中：
所述主网络节点12，用于与所述岸基数据中心11建立通信连接；以及向所述岸基数据中心11发送海洋环境监测信息，所述海洋环境监测信息为根据所述从网络节点13采集的水文信息生成的；
所述从网络节点13，用于通过搭载的传感器设备采集不同类型的水文信息，以及将不同类型的水文信息发送给所述主网络节点12，其中，布设于水面的从网络节点13，通过射频网络与所述主网络节点12建立通信连接；布设于水下的固定从网络节点13，通过有线网络与所述主网络节点12建立通信连接；布设于水下的移动从网络节点13，通过无线水声网络或者水下光通信网络与所述主网络节点12建立通信连接。
具体实施时，主网络节点12可以为网关设备，从网络节点可以搭载有通信模块和/或传感器设备，其中传感器设备包括固定传感器设备和移动传感器设备，固定传感器设备可以搭载于固定从网络节点上，也可以搭载于网箱上，移动传感器设备可以搭载于移动从网络节点上或者布设于水面的从网络节点上等，本发明实施例对此不进行限定。
由此，根据本发明实施例，海洋牧场跨域通信网络系统可以由布放在海底、海水中和海面的移动从网络节点和固定从网络节点和配置于网箱上的、与外部通信的网关设备与设置于岸基的数据中心组成的广域网络，通过跨域网络协议，再由异构信号处理机进行信息收发的通信网络系统。
具体地，如图2所示，其为海洋牧场网络一种可能的结构示意图，主网络节点配置于网箱上，用于与岸基数据中心建立通信连接，在一种实施方式中，主网络节点还可以通过移动蜂窝网络，例如，4g网络或者5g网络与岸基数据中心建立通信连接。布设于水面的从网络节点，例如水面浮标或者无人飞行器等，可以通过射频网络与主网络节点建立通信连接，布设于水下的固定从网络节点通过有线网络与主节点建立通信连接，布设于水下的移动从网络节点，例如潜航器或者机器仿生鱼等可以通过无线水声网络或者水下光通信网络与主节点建立通信连接。具体实施时，主网络节点的分布可以呈矩形结构，这种部署方式有利于水面水下通信、导航和定位一体化的实现。
具体实施时，网箱作为基础平台，还可以搭载部分载荷设备，网箱搭载的载荷设备可以包括以下至少一种：风速仪、摄像机、验潮仪、水流速仪和波浪监测仪，用于监测海洋牧场状况。
具体实施时，由于不同类型的传感器设备所采集数据的数据格式、数据类型和数据大小等各不相同，为了实现对各种类型传感器设备所采集的异构信息的处理，本发明实施例中，在网关设备上还可以配置有异构信号处理机，异构信号处理机可以包括用于处理传感器所采集的、不同类型的水文信息的处理单元，这样，针对接收到的不同类型的水文信息，异构信号处理机可以选择相应的处理单元进行处理，并对各处理单元输出的信息进行融合得到海洋监测信息，并通过搭载的通信模块送给岸基数据中心。
岸基数据中心根据接收到的海洋监测信息判断是否需要向海洋传感器设备发送控制指令，如果判断出需要发送控制指令，则通过主网络节点向搭载有相应传感器设备的从网络节点发送该控制指令，传感器设备根据接收到的控制指令执行相应的操作。具体地，部署于水面的从网络节点，可以用于接收所述岸基数据中心通过所述主网络节点利用所述射频网络发送的控制指令并执行；部署于水下的固定从网络节点，可以用于接收所述岸基数据中心通过所述主网络节点利用所述有线网络发送的控制指令并执行；部署于水下的移动从网络节点，可以用于接收所述案基数据中心通过所述主网络节点利用所述无线水声网络或者水下光通信网络发送的控制指令并执行。
本发明实施例中，在水面和水下，分别利用无人飞行器和机器仿生鱼进行管控执行执勤，从而实现了海洋牧场立体管控。其中，无人飞行器用于在海洋牧场海面上空进行巡逻，其可以通过射频网络与主网络节点建立通信连接，机器仿生鱼用于在海洋牧场水面和/或水下进行巡逻，其可以通过无线水声网络或者水下光通信网络与主网络节点建立通信连接。
具体实施时，无人飞行器可以搭载有第一载荷设备，第一载荷设备包括以下至少一种：高清摄像头、生物驱赶装置和饵料投放器；其中，生物驱赶装置，可以位生物/水声生物驱赶装置，用于对飞鸟进行驱赶，饵料投放器用于投放饵料吸引鱼群，高清摄像头，用于对针对海洋牧场采集实时水面图像，根据采集的实时水面图像，如果发现可疑入侵物可疑进行报警。在一种实施方式中，无人飞行器可以预先存储常见入侵物的图像信息，并将采集的实时水面图像与可疑入侵物的图像进行匹配，如果匹配，则确定检测到可疑入侵物。
具体实施时，机器仿生鱼可以搭载有第二载荷设备，第二载荷设备可以包括以下至少一种：署于海面或者海中的传感器设备、水下摄像机和鱼群驱赶器，部署于海面或者海水中的传感器包括以下至少一种：鱼群探测器、ctd(温盐深仪)、叶绿素传感器、溶解氧传感器和ph传感器，机器仿生鱼外形设置为仿生结构，可便于接近鱼群，内部搭载各类海洋监测传感器用于采集相关的水文信息。机器仿生鱼下潜后通过水声通信网络获取导航、定位和控制指令等信息，并将载荷设备采集的水文信息等回传到岸基数据中心。具体地，机器仿生鱼，可以用于将部署于海面或者海中的传感器设备采集的水文信息回传给所述主网络节点；以及接收所述岸基数据中心通过所述主网络节点发送的控制指令。
在一种实施方式中，无人飞行器和机器仿生鱼可以通过挂载装置挂载于网箱上，通过挂载装置进行无人飞行器和机器仿生鱼的投放和回收。在一个实施例中，挂载装置可以用于按照预设的巡检周期确定巡检时间到达或者接收到岸基数据中心发送的巡检指令时，释放所述无人飞行器和/或机器仿生鱼；所述无人飞行器，用于通过所述高清摄像头采集海洋牧场实时水面图像并通过所述射频网络发送给所述主网络节点，由所述主网络节点发送给所述岸基数据中心；所述机器仿生鱼，用于通过所述水下摄像机采集海洋牧场实时水下图像以及通过搭载的传感器设备采集水文信息，将所述实时水下图像和水文信息通过无线水声网络发送给所述主网络节点，由所述主网络节点发送给所述岸基数据中心。
在另一实施方式中，所述网关设备，还用于利用搭载的异构信号处理机对所述实时水面图像和/或所述实时水下图像和/或所述水文信息进行融合处理得到海洋监测信息；以及将所述异构信号处理机处理得到的所述海洋监测信息发送给所述岸基数据中心。
在一个实施例中，当海洋牧场监管人员通过岸基数据中心下发无人飞行器、机器仿生鱼巡检指令，或是定时巡检时间到时，网箱上的无人飞行器与机器仿生鱼挂载装置释放无人飞行器与机器仿生鱼；无人飞行器与机器仿生鱼可通过跨域网络进行联合作业行动，无人飞行器在牧场上空巡视，并通过水面无线网络实时回传影像信息，机器仿生鱼下潜巡视，通过水声网络实时传输影像信息与载荷设备获取的信息数据；回传的数据经过异构信号处理平台进行数据处理与信息融合，回馈至岸基数据中心，由岸基数据中心进行决策；岸基数据中心决策后下发下一步工作指令，无人飞行器与机器仿生鱼再根据指令行动。如图3所示，其为海洋牧场立体管控流程示意图。
本发明实施例提供的海洋牧场监测系统中，采用跨水面水下分布式通信组网结构设计，利用固定节点与移动节点，水上节点与水下节点相结合的分布式网络结构，降低网络冗余度的同时，提升了网络的拓展性，跨域通信网络协议设计，使得海洋牧场水上水下设备实现了互联互通互操作，而海洋牧场异构信号处理机可以实现海洋牧场多体制信息的融合与异构数据的处理，通过无人飞行器和机器仿生鱼构建海洋牧场立体管控系统，实现海洋牧场的智慧化管理和智能化管理，提高了海洋牧场管理效率。
为了更好地理解本发明，以下结合风暴潮前后的海洋牧场监测管理为例对本发明的实施方式进行说明。
一、风暴潮来临前。
(1)岸基数据中心接到气象预报后，发起预警，使牧场切换到灾前模式；
(2)无人飞行器、机器仿生鱼同时出发巡逻，通过跨域网络相互通信，无人飞行器使用摄像机观察牧场海面状况，并通过异构信号处理机处理图像与比对，如有发现破损、异物则抵近观察并通过机器仿生鱼水下观察；机器仿生鱼前往各个区域进行水下观察与水质数据采集，回传数据由异构信号处理机处理与融合后，记录风暴潮前各项数据；
(3)派出无人飞行器投饵引诱或是机器仿生鱼水下驱赶，将鱼群转移至安全级别较高的区域，并触发网箱采取相应的控制手段。
二、风暴潮经历中。
(1)岸基数据中心通过网箱及浮标搭载的海洋监测仪器监测海况，预测风暴潮来临时间，切换牧场为抗灾模式；
(2)风暴潮中网箱及浮标搭载的海洋监测仪器进行数据收集，由异构信号处理机处理后及时回传岸基数据中心，观察海洋牧场在风暴潮中的情况，以及对风暴潮做数据评估，建立模型与历史比对从而应对后续工作。
三、风暴潮结束后。
(1)岸基数据中心通过网箱搭载的海洋监测仪器监测海况，确认风暴潮结束后则发出指令，海洋牧场切换为灾后模式；
(2)无人飞行器、机器仿生鱼同时出发巡逻，模式与风暴潮来临前相同，观察牧场情况，对比风暴潮前后数据；
(3)确认无误后，网箱释放鱼群，并由无人飞行器、机器仿生鱼驱赶或引诱至原区域。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
1.一种海洋牧场监测系统，其特征在于，包括岸基数据中心、主网络节点和从网络节点，所述主网络节点配置于网箱上，所述从网络节点所布设于水面或水下，布设于水下的从网络节点包括固定从网络节点和移动从网络节点，其中：
所述主网络节点，用于与所述岸基数据中心建立通信连接；以及向所述岸基数据中心发送海洋环境监测信息，所述海洋环境监测信息为根据所述从网络节点采集的水文信息生成的；
所述从网络节点，用于通过搭载的传感器设备采集不同类型的水文信息，以及将不同类型的水文信息发送给所述主网络节点，其中，布设于水面的从网络节点，通过射频网络与所述主网络节点建立通信连接；布设于水下的固定从网络节点，通过有线网络与所述主网络节点建立通信连接；布设于水下的移动从网络节点，通过无线水声网络或者水下光通信网络与所述主网络节点建立通信连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主网络节点为网关设备，所述网关设备搭载有异构信号处理机，所述异构信号处理机包括用于处理不同类型的水文信息的处理单元；
所述异构信号处理机，用于在接收到从网络节点发送的、不同类型的水文信息之后，选择相应的处理单元处理接收到的水文信息；以及对处理单元输出的信息进行融合得到所述海洋环境监测信息。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
部署于水面的从网络节点，还用于接收所述岸基数据中心通过所述主网络节点利用所述射频网络发送的控制指令并执行；
部署于水下的固定从网络节点，还用于接收所述岸基数据中心通过所述主网络节点利用所述有线网络发送的控制指令并执行；
部署于水下的移动从网络节点，还用于接收所述案基数据中心通过所述主网络节点利用所述无线水声网络或者水下光通信网络发送的控制指令并执行。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述部署于水面的从网络节点包括无人飞行器，所述部署于水下的移动从网络节点包括机器仿生鱼，所述网箱还设置有挂载装置；
所述挂载装置，用于挂载所述无人飞行器和/或机器仿生鱼，其中，所述无人飞行器用于在海洋牧场海面上空进行巡逻，所述无人飞行器用于通过射频网络连接至所述主网络节点；所述机器仿生鱼用于在海洋牧场水面和/或水下进行巡逻，所述机器仿生鱼用于通过无线水声网络连接至所述主网络节点。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
所述无人飞行器搭载有第一载荷设备，所述第一载荷设备包括以下至少一种：高清摄像头、生物驱赶装置和饵料投放器；
所述机器仿生鱼搭载有第二载荷设备，所述第二载荷设备包括以下至少一种：第一传感器设备、水下摄像机和鱼群驱赶器，所述传感器设备包括以下至少一种：鱼群探测器、温盐深仪ctd、叶绿素传感器、溶解氧传感器和ph传感器。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
所述挂载装置，还用于按照预设的巡检周期确定巡检时间到达或者接收到岸基数据中心发送的巡检指令时，释放所述无人飞行器和/或机器仿生鱼；
所述无人飞行器，用于通过所述高清摄像头采集海洋牧场实时水面图像并通过所述射频网络发送给所述网关设备，由所述网关设备发送给所述岸基数据中心；
所述机器仿生鱼，用于通过所述水下摄像机采集海洋牧场实时水下图像以及通过搭载的传感器设备采集水文信息，将所述实时水下图像和水文信息通过无线水声网络发送给所述网关设备，由所述网关设备发送给所述岸基数据中心。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述网关设备，还用于利用搭载的异构信号处理机对所述实时水面图像和/或所述实时水下图像和/或所述水文信息进行融合处理得到海洋监测信息；以及将所述异构信号处理机处理得到的所述海洋监测信息发送给所述岸基数据中心。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述网箱还搭载有第二传感器设备，所述第二传感器设备包括以下至少一种：风速仪、摄像机、验潮仪、水流速仪和波浪监测仪。
技术总结