基于物聯(lián)網(wǎng)的濕地?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陳雨佳 劉亞秋 景維鵬

摘要：針對當前濕地監(jiān)測系統(tǒng)存在的人力浪費嚴重、部署不靈活等問題，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于ZigBee和GPRS的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的濕地?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)。該設(shè)計將ZigBee技術(shù)低功耗、易組網(wǎng)的特點與GPRS技術(shù)遠距離通信的特點相結(jié)合，成功的運用到濕地監(jiān)測上，建立遠程濕地?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)；該系統(tǒng)將Cluster-Tree路由算法和AODVjr路由算法相結(jié)合，在數(shù)據(jù)傳輸過程中有效的防止了RREQ的泛洪，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?。通過以黑龍江扎龍自然保護區(qū)濕地為實驗區(qū)進行實時監(jiān)測，結(jié)果表明：此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對濕地的遠程實時無線監(jiān)測，具有功耗低、成本小、誤包率低等優(yōu)點，對濕地的監(jiān)測保護具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：濕地監(jiān)測；ZigBee；GPRS；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：S776；TP274

文獻標識碼：A

文章編號：1001-O05X（2015）04-0077-06

濕地是重要的國土資源和自然資源，是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一。但是，隨著人類無限制的向自然索取，使周期性的植物優(yōu)勢在衰退，底層濕土水源趨減，甚至有被污染的威脅，濕地已潛伏著生態(tài)危機。因此，加大對濕地的實時監(jiān)測刻不容緩。

物聯(lián)網(wǎng)（Intemet of things）是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)將是下一個推動世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”，是繼通信網(wǎng)之后的另一個萬億級市場。因其注重“全面感知一穩(wěn)定傳輸一智能應(yīng)用”為一體，而成為眾多領(lǐng)域的應(yīng)用的新寵。目前，物聯(lián)網(wǎng)在智能監(jiān)測、監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也為實現(xiàn)濕地的無線監(jiān)測提供了重要的技術(shù)支持。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，濕地監(jiān)測正在向自動化、智能化發(fā)展。文獻提出了一種基于ARM +WLAN的濕地?zé)o線監(jiān)測的方法，由于目前的WLAN的覆蓋范圍多數(shù)集中在城市中，并且ARM設(shè)備與WLAN之間的通信功耗較大，對于濕地環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用可實施性不強；文獻基于遙感技術(shù)提出了濕地監(jiān)測與生態(tài)評估的方法，此方法從宏觀方向上，對濕地的植被情況進行了監(jiān)測，這種基于3S技術(shù)的監(jiān)測不具有實時性；文獻提出了一種基于視聽一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)濕地監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)集成了專業(yè)的相機、麥克風(fēng)設(shè)備和Wi-Fi模塊，來對濕地的植被和動物進行長時間的監(jiān)測，這種監(jiān)測系統(tǒng)用到了圖像監(jiān)測技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)，由于圖像監(jiān)測只可對于有辨識度的事物進行監(jiān)測，對于像水質(zhì)情況、濕地的溫、濕度等濕地指標不能夠進行直接監(jiān)測，另外，此系統(tǒng)中用到的Wi-Fi是需要自己設(shè)立發(fā)射基站，成本高、功耗大，對于濕地的全方位實時監(jiān)控具有局限性?；谝陨喜蛔悖驹O(shè)計充分的利用了ZigBee技術(shù)的易組網(wǎng)、低功耗、短距離無線通信等特點和GPRS的低成本、遠距離無線通信的特點，提出了一種基于ZigBee和GPRS技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)濕地?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)。由于濕地環(huán)境中蘆葦?shù)戎参锏母叩?、稀疏稠密度不一致等情況，直接的影響到監(jiān)測節(jié)點之間的通信質(zhì)量，Cluster-Tree路由算法采用非自適應(yīng)的路由選擇，決定了其選擇的路由可能不是最佳的；AODV路由算法易產(chǎn)生鏈路故障，從而增加網(wǎng)路的開銷，單一路由算法已經(jīng)不能滿足濕地環(huán)境節(jié)點通信的需要，本系統(tǒng)采用了Cluster-Tree算法和AODV的改進算法AODVjr算法相結(jié)合的路由算法，實現(xiàn)了監(jiān)測節(jié)點的組網(wǎng)與相互之間的通信，實現(xiàn)了實時、高效、準確的濕地監(jiān)測，對濕地的防護和監(jiān)測有著重大的的意義。

1 系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的濕地監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計主要可以分為四個部分：終端監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計、網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計、路由算法的設(shè)計和遠程服務(wù)器端管理系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計中的終端監(jiān)測節(jié)點選用了SHT71溫、濕度傳感器、201T-S塑殼pH/ATC三復(fù)合電極和D0500溶解氧傳感器，來對濕地的地表溫、濕度和濕地的水質(zhì)的pH值、溶解氧量進行數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)關(guān)節(jié)點選用了SAMSUNG公司的ARM920T為核心的S3C2440A來作為處理器，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口直接與網(wǎng)關(guān)節(jié)點相連，GPRS模塊采用了Sie-mens公司的MC391模塊，以此來實現(xiàn)與控制中心的數(shù)據(jù)傳輸功能；本設(shè)計的路由算法將Cluster-Tree算法與ADOVjr算法相結(jié)合，運用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中；遠程服務(wù)器端管理系統(tǒng)采用了web技術(shù)實現(xiàn)對濕地數(shù)據(jù)的管理。濕地?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點、路由節(jié)點、和協(xié)調(diào)器組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用CC2430作為核心芯片，該芯片支持ZigBee和IEEE802.15.4等多種標準。各個節(jié)點的供電模塊采用蓄電池供電，以此來提高節(jié)點的易部署的特點。

2.1 終端節(jié)點的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點采用201T-S塑殼pH/ATC三復(fù)合電極來監(jiān)測濕地水質(zhì)的pH值，測量范圍-2.00～19.99pH，精度0.0110.1pH，基本誤差：±0.01pH；采用D0500來監(jiān)測濕地水質(zhì)的溶解氧，測量范圍0 N200. 0%，精度0.1/1qo，示值誤差+0.30mg/L，這兩個傳感器均可以沒入濕地水環(huán)境中，且測量值較敏感，精確度高。對于濕地地表的溫、濕度的數(shù)據(jù)采集模塊使用Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器SHT71，此芯片的特性如下：濕度測量范圍：0～100%；溫度測量范圍：-40～123.8℃；濕度的測量的精度：±3.0%；溫度的測量精度：±0.4℃；接口為I2C總線；工作電流550μA，待機電流0.3μA。有上述參數(shù)可知，SHT71為數(shù)字型的傳感器，可以經(jīng)I2C總線直接與CC2430處理器相連接，而pH復(fù)合電極和溶解氧復(fù)合電極可直接與CC2430的PO口相連接，利用CC2430內(nèi)部的ADC來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

GPRS模塊通過TCP/IP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)連接，從而與服務(wù)器端完成通信，通過串口與網(wǎng)關(guān)節(jié)點相連，網(wǎng)關(guān)處理器在GPRS完成初始化后，等待服務(wù)器端的命令，當接收到組網(wǎng)命令后，將組網(wǎng)命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，進入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，若數(shù)據(jù)來自GPRS，則從所接受的數(shù)據(jù)中解析出控制命令，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器；若數(shù)據(jù)來自協(xié)調(diào)器，則直接通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS；接收完成數(shù)據(jù)，繼續(xù)進入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)處理器的程序流程圖如圖4所示。

3 ZigBee路由算法

ZigBee技術(shù)是有ZigBee聯(lián)盟推出的一種基于IEEE802. 15.4標準的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的新型無線通訊技術(shù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用了ZigBee2006協(xié)議結(jié)構(gòu)，多個傳感器節(jié)點之間的通信采用“接力”的方式進行，從而可以達到高的通信效率。

濕地環(huán)境中蘆葦?shù)戎参锏母叩?、稠密度不同，以及地勢的?fù)雜性等特點，給ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測節(jié)點的通信可靠性帶來了極大的干擾，給原本采用單一路由算法的通信機制帶來了制約，針對這種濕地的特殊的環(huán)境特點，本設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)的路由算法采用了Cluster-Tree與AODVjr相結(jié)合的路由算法。其中Cluster-Tree算法是消息沿著樹形拓撲進行傳輸?shù)乃惴ǎ庆o態(tài)的，無需存儲路由表；而AODVjr算法是Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)按需距離矢量路由算法的改進，比AODV算法更節(jié)能，應(yīng)用性更強。本設(shè)計終端采集節(jié)點采用Cluster-Tree路由算法進行通信，非終端節(jié)點使用AODVjr路由算法去發(fā)現(xiàn)路由，直接將消息發(fā)送到它可以到達的其他的路由節(jié)點，以此來提高網(wǎng)絡(luò)效率。

Cluster-Tree路由協(xié)議又稱樹狀路由協(xié)議，當路由節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)以后，路由節(jié)點會得到自己的地址，并且每個路由節(jié)點都會為子節(jié)點預(yù)留地址空間，樹狀路由協(xié)議不需要存儲路由表，數(shù)據(jù)的傳輸按照樹的方向在父節(jié)點與子節(jié)點之間進行簡單的傳輸。

ZigBee中規(guī)定深度為d的父節(jié)點分配的地址之間的偏移量是Cskip（d），C_m是最大子節(jié)點個數(shù)，R_m是子節(jié)點中最大的路由節(jié)點個數(shù)，L_m是最大網(wǎng)絡(luò)深度。假設(shè)父節(jié)點的地址是A_f，如果新加入的節(jié)點是終端節(jié)點，說明該節(jié)點不可以為其它節(jié)點分配地址，且該終端節(jié)點是其父節(jié)點的第n個終端節(jié)點，則父節(jié)點為子節(jié)點分配的地址A為：

如果新加入的節(jié)點是父節(jié)點的非終端節(jié)點，且為第n個，此節(jié)點有可能為其它的節(jié)點分配地址，父節(jié)點為此節(jié)點分配的地址A為：

通過這種路由分配機制，每個具有路有功能的節(jié)點可以為其子節(jié)點分配應(yīng)有的地址塊。規(guī)定目的節(jié)點的地址是D，根據(jù)目的節(jié)點D來判斷目的節(jié)點是否是該節(jié)點的子節(jié)點，如果滿足公式（4），則此節(jié)點是該節(jié)點的子節(jié)點。

如果目的節(jié)點不是該節(jié)點的子節(jié)點，則將此數(shù)據(jù)包向上傳送至父節(jié)點；若是該節(jié)點的子節(jié)點，則其下一跳的地址為：

AODVjr路由算法是基于AODV路由算法改進的，AODV路由算法易產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，AODVjr算法取消了目的節(jié)點序列號，使命令幀更加簡化，簡化路由過程，AODVjr算法通過取消HELLO數(shù)據(jù)包的發(fā)送，節(jié)點僅通過接收到的數(shù)據(jù)包來更新鄰近路由表，從而極大的減小了控制的開銷。

本設(shè)計中的路由算法通過采用Cluster-Tree與AODVjr相結(jié)合的路由算法，極大的增加了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性，減少了傳輸控制的路由開銷，為監(jiān)測節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

4 結(jié)果與分析

4.1 實驗結(jié)果

本設(shè)計首先在實驗室進行了軟硬件的設(shè)計開發(fā)和調(diào)試，在系統(tǒng)的調(diào)試趨于穩(wěn)定后，進行了濕地的現(xiàn)場測試?，F(xiàn)場測試的地點選在了黑龍江扎龍濕地保護區(qū)，在保護區(qū)東口子水域部署了1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，3個路由器節(jié)點，每個路由器節(jié)點下面有兩個終端節(jié)點組成樹狀結(jié)構(gòu)。部署時，pH復(fù)合電極和溶解氧復(fù)合電極沒入水中，SHT71溫濕度傳感器固定到約與地面距離0.5m處，終端節(jié)點與各自的路由節(jié)點之間的距離約80m，數(shù)據(jù)的采集周期設(shè)為每30min采集一次，每完成一次采集向濕地監(jiān)測中心發(fā)送一次數(shù)據(jù)，設(shè)備啟動后lmin之內(nèi)完成組網(wǎng)，在服務(wù)器端可以查詢監(jiān)測節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖5所示。

4.2 可靠性測試

根據(jù)對終端采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包和網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計，可以計算出數(shù)據(jù)包發(fā)送的成功率，用公式（6）進行計算。

式中：P為數(shù)據(jù)包發(fā)送的成功率；R為網(wǎng)關(guān)正確接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)；S為各個終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的總個數(shù)。本設(shè)計將終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的距離由20m移動到150m時，設(shè)置不同的間距，通過終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包與協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)來計算數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率。測試結(jié)果見表1。

從表l可以看出，數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率隨著距離的增大而逐漸降低，在終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器的距離在120m之內(nèi)時，其發(fā)送成功率在90%以上，可以滿足數(shù)據(jù)通信需要。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，監(jiān)測節(jié)點之間的距離大于80m后，實驗的數(shù)據(jù)的發(fā)送成功率低于了95%，針對本實驗的數(shù)據(jù)的丟包率較高，所以本設(shè)計在扎龍自然保護區(qū)實地測量時，節(jié)點間的距離設(shè)置為80m時，這樣可以很好的達到實驗的要求。

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的濕地?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)充分利用了ZigBee技術(shù)的短距離、低功耗、易組網(wǎng)的特點和GPRS技術(shù)的遠距離通信的特點，建立了低功耗的扎龍濕地遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對扎龍濕地自然保護區(qū)濕地環(huán)境的地表溫度、濕度、濕地水資源的pH值和溶解氧濃度的實地測量，并對實驗結(jié)果進行了分析，本系統(tǒng)具有功耗低、成本小、誤包率低等優(yōu)點，在濕地?zé)o線監(jiān)測方面具有重要的參考價值。同時，由于本系統(tǒng)是基于通用性設(shè)計，稍加擴展，便可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的其他領(lǐng)域，如水文、氣象等，因此，具有廣泛的應(yīng)用前景。由此可見，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能監(jiān)測中的應(yīng)用，必將加速傳統(tǒng)監(jiān)測方式向現(xiàn)代智能監(jiān)測方式的轉(zhuǎn)變，提升我國濕地監(jiān)測和發(fā)展的水平，對濕地監(jiān)測具有重要的意義。