一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的瀕危植物監(jiān)測技術(shù)研究*

林 勇，王 坤

（1.福建工程學(xué)院國脈信息學(xué)院，福建福州 350108;2.福州海峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350014;3.泰州市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)中心，江蘇泰州 225300）

0 引言

遍布全球的許多植物物種正面臨滅絕的危險［1，2］，因此，對于瀕危物種的植物監(jiān)測已迫在眉睫，雖然部分瀕危植物已得到監(jiān)測［3］，但大部分監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測數(shù)據(jù)粗略［4］、監(jiān)測設(shè)備容易對植物及其生存環(huán)境有一定的破壞性［5］等問題。同時具備集成傳感器技術(shù)、遠(yuǎn)程遙測監(jiān)控技術(shù)和數(shù)據(jù)判讀技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展階段，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和瀕危植物監(jiān)測成為國內(nèi)外研究人員追蹤的熱點之一，并已取得一定的研究成果［6～10］。文獻(xiàn)［6，7］對于化學(xué)計量學(xué)、計算機層析、FTIR譜圖解析、大氣污染物空間濃度分布監(jiān)測、被動式遙感監(jiān)測等方面研究成果進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)［8］給出了2種植物不同生命周期的繁殖自動機模型;文獻(xiàn)［9］給出了上海市環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理近期和中期規(guī)劃同時建立質(zhì)量管理信息共享平臺和QC指標(biāo)評定體系;文獻(xiàn)［10］提出了基于模型的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制系統(tǒng)。

但是，以上研究成果仍然存在一些不足。例如:文獻(xiàn)［6，7］忽略了植物所處的生態(tài)環(huán)境發(fā)生突發(fā)事件時的監(jiān)測和處理機制問題;文獻(xiàn)［8，10］主要是研究植物生命周期及其網(wǎng)絡(luò)控制問題，并未涉及植物生命狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測問題。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，參考文獻(xiàn)［9］所給出的QC指標(biāo)評定體系，提出了一種瀕危植物自適應(yīng)實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自組織方式形成由若干個分簇組成的多傳感器網(wǎng)絡(luò)，每一個監(jiān)測傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)判讀功能，而且采用移動代理節(jié)點收集和匯聚監(jiān)測數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層采用基于能量感知的多路徑路由協(xié)議選擇當(dāng)前最優(yōu)路由，提高數(shù)據(jù)匯聚效率同時降低數(shù)據(jù)傳輸能耗，增強監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性，有效改善整個監(jiān)測系統(tǒng)的通信性能。

1 瀕危植物監(jiān)測模型與原理

瀕危植物監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用主要有以下幾方面需求:

1）植物監(jiān)測儀器不能對植物體及其生態(tài)環(huán)境造成破壞。因此，監(jiān)測儀器必須體積足夠小，盡量采用隱蔽形式部署;

2）對于瀕危植物的監(jiān)測可以脫離傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器硬件設(shè)計和節(jié)點部署以及傳感網(wǎng)絡(luò)組織形式;

3）傳感器節(jié)點及其系統(tǒng)設(shè)計需要滿足瀕危植物監(jiān)測數(shù)據(jù)特性。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)采集，并需要具備對于與植物監(jiān)測相關(guān)的突發(fā)事件監(jiān)測和處理功能。

為了滿足以上三方面要求，必須保證瀕危植物監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控系統(tǒng)在部署時能夠覆蓋有效區(qū)域，避免因為遮蔽等自然因素造成的某些盲點區(qū)域的數(shù)據(jù)，且在數(shù)據(jù)傳輸時提供較強的魯棒性和自適應(yīng)能力，以便滿足對不同種類瀕危植物生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息類型的監(jiān)測需求。

因此，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在瀕危植物生態(tài)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域分布式部署一定數(shù)量的多傳感器，自組織形成由若干個分簇組成的物聯(lián)網(wǎng);然后通過移動代理節(jié)點根據(jù)基于能量感知的多路徑路由協(xié)議選擇最優(yōu)路徑，同時根據(jù)節(jié)點能量建立移動管理方案和分簇內(nèi)簇頭節(jié)點競爭機制，保證采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)判讀可以實時、可靠地操作和傳輸。

1.1 瀕危植物監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的瀕危植物監(jiān)測模型［11，12］，主要由四部分組成:部署在瀕危植物生態(tài)環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集的集成傳感器節(jié)點，具有數(shù)據(jù)匯聚和收集的簇頭節(jié)點，移動代理節(jié)點和控制中心。

物聯(lián)網(wǎng)的瀕危植物監(jiān)測系統(tǒng)部署的分簇區(qū)域的自組織多傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計的傳感器節(jié)點中包括水文、氣象、空氣質(zhì)量、土壤、光照強度、圖像、溫度、濕度等組成，并分別部署了具有單獨功能的傳感器節(jié)點，避免傳感器節(jié)點因采集數(shù)據(jù)量達(dá)到一定程度后失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。此外，在傳感器上設(shè)計了無線通信數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。分簇區(qū)域內(nèi)的多傳感器根據(jù)控制中心發(fā)布的監(jiān)測需求采集各種類型的瀕危植物監(jiān)測數(shù)據(jù)后，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到其所處分簇區(qū)域的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點周期性檢測可用通信范圍內(nèi)的移動代理節(jié)點，將收集到的數(shù)據(jù)判讀后匯聚轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心。

傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)過一跳或采用基于能量感知的多路徑路由協(xié)議選擇計算得到當(dāng)前最優(yōu)路由，將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點，而且該節(jié)點加入了突發(fā)事件實時監(jiān)控功能模塊，可以監(jiān)測瀕危植物生態(tài)環(huán)境內(nèi)是否發(fā)生各種突發(fā)現(xiàn)象，并實時將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點，且該操作優(yōu)先級高于一般監(jiān)測數(shù)據(jù)，要求簇頭節(jié)點優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就可以充分滿足瀕危植物監(jiān)測系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境特殊環(huán)境監(jiān)測需求。傳感器節(jié)點監(jiān)測功能部件基于嵌入式技術(shù)，功能模塊有:不同數(shù)據(jù)類型決策模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線發(fā)射模塊、事件實時監(jiān)控模塊以及移動代理監(jiān)測模塊等部件，如圖1所示。

圖1 瀕危植物監(jiān)測傳感器節(jié)點設(shè)計架構(gòu)Fig 1 Design architecture of endangered plant monitoring sensor node

瀕危植物監(jiān)測傳感器節(jié)點根據(jù)來自控制中心監(jiān)測需求自適應(yīng)啟動相應(yīng)類型數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊，其工作流程如下:

1）根據(jù)來自控制中心的瀕危植物監(jiān)測需求啟動相應(yīng)數(shù)據(jù)類型模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)類型有:各種水文、氣象、空氣質(zhì)量、土壤、光照強度、圖像、溫度、濕度數(shù)據(jù)采集模塊等;

2）移動代理檢測模塊周期性廣播消息，若收到來自移動代理節(jié)點的確認(rèn)信息;

3）根據(jù)一跳通信距離擇優(yōu)建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)無線鏈路，并啟動無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;

4）根據(jù)控制中心反饋的控制信息，周期性地啟動突發(fā)事件實時監(jiān)控模塊，若發(fā)現(xiàn)各種突發(fā)現(xiàn)象，則轉(zhuǎn)（3）;

5）若該節(jié)點所處分簇內(nèi)的簇頭節(jié)點失效，則采用監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)中制定的簇頭節(jié)點競爭機制。

從上述分析中可以看出:物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中，瀕危植物生態(tài)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域分為了若干個分簇區(qū)域，每個分簇內(nèi)擁有一個簇頭節(jié)點，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中部署了若干個移動代理節(jié)點，可實時收集各分簇簇頭節(jié)點匯聚的數(shù)據(jù)，若發(fā)生某分簇區(qū)域內(nèi)簇頭節(jié)點失效或該區(qū)域出現(xiàn)隱蔽站現(xiàn)象，將導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)盲點，致使網(wǎng)絡(luò)癱瘓，難以實時監(jiān)測瀕危植物數(shù)據(jù)及其生態(tài)環(huán)境。

1.2 基于能量感知的多路徑路由協(xié)議

雙線地面反射模型是基于幾何光學(xué)的非常有用的傳播模型，不僅考慮了直接路徑，而且考慮了發(fā)射方和接收方之間的地面反射路徑。根據(jù)雙線地面反射模型，簇頭節(jié)點或移動代理節(jié)點作為接收方收到的信號功率為

其中，Pt為發(fā)射方所發(fā)射的信號功率，Gt和Gr分別為發(fā)射方和接收方的天線增益，ht和hr為發(fā)送機和接機的天線高度，d為發(fā)送方和接收方之間的距離，L（L＞1）為與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子，因此，發(fā)送方和接收方之間的距離為

其中的各類參數(shù)值根據(jù)傳感器節(jié)點無線發(fā)送模塊進(jìn)行設(shè)置。一般而言，參數(shù)的默認(rèn)值為:工作頻率為900 MHz（無線電波的波長為 0.3 m），Gt=Gr=1.2，L=1.4，ht=1.8 m，hr=1.8 m。當(dāng)接收到RREQ消息和RREP消息時，節(jié)點根據(jù)公式（2）估計當(dāng)前節(jié)點同上一跳節(jié)點之間的距離。

在RREQ消息和RREP消息的逐跳傳播過程中，中繼節(jié)點根據(jù)通信距離計算上游路徑的權(quán)值w，即

其中，j為路徑，wj為路徑j(luò)的權(quán)值，γ為節(jié)點信號的發(fā)射半徑（200 m），di為鏈路i的長度。為了分析基于能量感知的多路徑路由協(xié)議選擇的最佳路徑的可靠性，源節(jié)點選擇w最大的路徑作為主路徑。如圖2所示，從源節(jié)點S出發(fā)有兩條路徑可以到達(dá)目的節(jié)點D，路徑箭頭上的數(shù)值表示相應(yīng)鏈路的長度。根據(jù)式（3）可得到兩條路徑的權(quán)值w且分別為0.32和0.07。雖然路由1的跳數(shù)比路由2多，但鏈路S→D和B→D距離過長，在對于瀕危植物進(jìn)行監(jiān)測時，其所處生態(tài)環(huán)境中的各種干擾容易使得無線鏈路中斷概率大大增加，所以，源節(jié)點選擇路由1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

為了傳遞權(quán)值信息，能量感知的多路徑路由協(xié)議在AODV協(xié)議基礎(chǔ)上修改了RREQ和RREP消息的結(jié)構(gòu)，分別增加了一個數(shù)據(jù)域且長為4byte。

2 瀕危植物監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)實現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的瀕危植物監(jiān)測系統(tǒng)由以下部分組成:

圖2 路徑的可靠性分析Fig 2 Reliability analysis of path

1）根據(jù)瀕危植物監(jiān)測需求將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干個分簇區(qū)域，每個區(qū)域負(fù)責(zé)一定地理范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)，區(qū)域之間存在一定大小的相交區(qū)域，為了便于實現(xiàn)移動代理管理方案。區(qū)域內(nèi)的各類傳感器節(jié)點采用無線自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

2）若干個分簇之間通過簇頭節(jié)點連接通信，簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)判讀，然后匯聚數(shù)據(jù)等操作;

3）根據(jù)圖1所示，設(shè)計每個分簇區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點，包括瀕危植物各類生態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)無線發(fā)送模塊、突發(fā)事件實時監(jiān)控模塊、移動代理節(jié)點檢測模塊等。

4）分簇內(nèi)節(jié)點周期性向簇頭節(jié)點發(fā)送區(qū)域內(nèi)實時能量和能耗信息，以便實現(xiàn)基于能量感知的多路徑路由協(xié)議，并將數(shù)據(jù)實時更新，出現(xiàn)節(jié)點失效情況時，轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭節(jié)點或移動代理節(jié)點直至控制中心;

5）控制中心可以是一個固定基站或鏈接至互聯(lián)網(wǎng)的控制臺，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收工作，以及向監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各簇頭節(jié)點和移動代理節(jié)點反饋控制信息;此外，如果收到來自各分簇區(qū)域的簇頭節(jié)點或移動代理節(jié)點反饋的實時能量二維表，表明該區(qū)域內(nèi)某節(jié)點即將失效，為了避免出現(xiàn)盲區(qū)導(dǎo)致該分簇區(qū)域無法采集和處理準(zhǔn)確數(shù)據(jù)直至癱瘓，成為監(jiān)測盲區(qū)，控制中心根據(jù)收到的二維表，發(fā)起簇頭節(jié)點競爭機制選擇新的簇頭節(jié)點和移動代理節(jié)點。

3 仿真實驗與評價

本文所提出的瀕危植物監(jiān)測系統(tǒng)記為REPS-IOT，在整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、分簇區(qū)域的吞吐量、平均端到端時延和分組投遞率等方面進(jìn)行性能分析與評價。

瀕危植物監(jiān)測區(qū)域范圍設(shè)定為800 m×800 m，仿真時間為1500 s，隨機部署70個傳感器節(jié)點，每20個傳感器節(jié)點組成一個分簇，故需要5個簇頭節(jié)點，1個控制中心，另外設(shè)定有3個移動代理節(jié)點和2個備用移動代理節(jié)點。仿真實驗中，設(shè)定監(jiān)測傳感器節(jié)點精度:溫度為±（1～2）℃，濕度為±3%RH，風(fēng)速度為±（1%～3%），降雨量為±5%。此外，簇頭節(jié)點和移動代理節(jié)點具有相同的發(fā)射功率。每個分簇由20個傳感器節(jié)點組成，用于采集各種類型的數(shù)據(jù)，通過自組織方式形成一個多傳感網(wǎng)，假設(shè)所有節(jié)點的能量和發(fā)射數(shù)據(jù)的功率均不同。無線鏈路信道速率為1 Mbps，鏈路時延是0.5 μs，傳輸過程中的所有ACK信息和控制信息均為300 bit，且固定不變。

圖3和圖4給出了該系統(tǒng)應(yīng)用于上述監(jiān)測區(qū)域時，1500 s的監(jiān)測過程中仿真實驗和采用REPS-IOT網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量和分簇吞吐量變化情況。發(fā)現(xiàn)，REPS-IOT吞吐量隨著時間先增加，在500 s時開始減小，而且減小幅度較低基本趨于平穩(wěn)，然而仿真實驗統(tǒng)計結(jié)果此時急劇下降，而且很快因為此時發(fā)生有部分簇頭節(jié)點失效現(xiàn)象，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，出現(xiàn)盲區(qū)，即部分節(jié)點無法發(fā)送數(shù)據(jù)。對于REPS-IOT而言，因為采用基于能量的移動代理機制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)簇頭節(jié)點失效，備用節(jié)點移動至該分簇區(qū)域，保持?jǐn)?shù)據(jù)正常通信。

圖3 網(wǎng)絡(luò)吞吐量Fig 3 Network throughput

圖4 分簇吞吐量Fig 4 Clustering throughput

圖5和圖6給出了一個分簇區(qū)域在1500 s的實驗中基于能量感知的多路徑路由協(xié)議時延和分組投遞率變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于REPS-IOT而言，始終保持較低的端到端時延和較高的分組投遞率為監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的無線通信鏈路和路徑，可以在短時間內(nèi)避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓的分簇區(qū)域，重構(gòu)多傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

圖5 平均端到端時延Fig 5 The average end-to-end delay

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的瀕危植物監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)瀕危植物監(jiān)測生存環(huán)境區(qū)域的大小和特征分為若干個分簇，每個分簇采用自組織方式進(jìn)行通信，且每個傳感器節(jié)點具有瀕危植物不同類型數(shù)據(jù)采集部件和數(shù)據(jù)判讀設(shè)備，以及數(shù)據(jù)的采集、存儲、篩選等功能;為了減小監(jiān)測設(shè)備對于植物生存環(huán)境的破壞和避免節(jié)點失效縮短網(wǎng)絡(luò)生存周期，部署移動代理節(jié)點，監(jiān)測系統(tǒng)采用基于能量感知的多路徑路由協(xié)議選擇最優(yōu)路徑，并建立自適應(yīng)移動管理方案。仿真實驗和數(shù)學(xué)分析表明:該技術(shù)可以滿足動態(tài)的監(jiān)測需求，具有部署便捷、能量使用高效和易于維護等特點。

圖6 分組投遞率Fig 6 Packet delivery rate

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