基于6LoWPAN的海洋臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

綦聲波，吳學(xué)英

（中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100）

我國(guó)沿海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)、海浪、風(fēng)暴潮、海冰等多種災(zāi)害影響，是世界上海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。開發(fā)沿海環(huán)境數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)并為海洋災(zāi)害預(yù)警提供數(shù)據(jù)資源，已經(jīng)成為海洋開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)等戰(zhàn)略部署和社會(huì)發(fā)展的迫切需要。而沿海海洋自動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)則是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中重要的一環(huán)。

目前海洋臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未形成有效的共享機(jī)制，往往自成體系，實(shí)時(shí)海洋信息監(jiān)測(cè)和智能預(yù)警在國(guó)內(nèi)的研究也相對(duì)滯后。為更好實(shí)現(xiàn)海洋信息數(shù)據(jù)資源共享，王振東[1]基于ARM7+uLinux設(shè)計(jì)了海洋臺(tái)站自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，使用GPRS與監(jiān)測(cè)中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；秦明慧[2]設(shè)計(jì)了一套基于JSP的海洋臺(tái)站數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)發(fā)布系統(tǒng)，較好實(shí)現(xiàn)了海洋氣象數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)發(fā)布。上述研究雖然部分實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，但仍存在著現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、開發(fā)成本高等問題。

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Web數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套可應(yīng)用于海洋臺(tái)站的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由6LoWPAN無線傳感器采集子系統(tǒng)與云數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)組成，利用低速無線個(gè)域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)搭建了數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)，前端結(jié)合PHP，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了海洋信息參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)發(fā)布，而且具有節(jié)點(diǎn)功耗低、成本低、傳感器可動(dòng)態(tài)添加等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

綜合性的海洋臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集海洋監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品對(duì)外發(fā)布于一體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由搭建在海洋臺(tái)站的無線傳感器參數(shù)采集網(wǎng)絡(luò)與通過以太網(wǎng)連接的云服務(wù)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各傳感器由于安裝位置不同，例如，《海濱觀測(cè)規(guī)范》中對(duì)風(fēng)參數(shù)測(cè)量的周邊環(huán)境、安裝高度都有特殊的要求，與潮位、鹽度等水文參數(shù)測(cè)量地點(diǎn)往往距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)布線安裝要求較高。針對(duì)上述問題，選用了6LoWPAN無線個(gè)域網(wǎng)搭建傳感器參數(shù)采集網(wǎng)絡(luò)，這些無線節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于精簡(jiǎn)、低功耗的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之上，上電后自動(dòng)讀取節(jié)點(diǎn)MAC地址，并自動(dòng)配置好所需的IPv6地址。傳感器采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如氣象參數(shù)、水文參數(shù)數(shù)據(jù)等通過多跳組網(wǎng)的方式發(fā)送到邊界路由進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，最后接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，管理用戶與普通用戶可通過Web端訪問。采用上述設(shè)計(jì)方案，不但省去了布線問題，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象水文參數(shù)信息的實(shí)時(shí)共享。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)

6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)與負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的邊界路由節(jié)點(diǎn)組成。基于海洋環(huán)境復(fù)雜多變性與傳感器接口多樣性的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)嵌入式處理器需滿足性能穩(wěn)定、功耗小、處理能力強(qiáng)等需求，本文選用了TI公司的CC2538，該芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具備高達(dá)32 KB的片上RAM和高達(dá)512 KB的片上閃存，提供了2個(gè) UART，2 個(gè) SPI，1 個(gè) I2C 接口，內(nèi)置 2．4 GHz IEEE 802．15．4 兼容 RF 收發(fā)器，在睡眠模式下電流僅為 1．3 μA。

在考慮低成本，低功耗，易拓展等因素之后，傳感器節(jié)點(diǎn)與邊界路由采用模塊化設(shè)計(jì)，以方便針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合自由增減，如圖2所示。節(jié)點(diǎn)由電源模塊，采集模塊與網(wǎng)絡(luò)模塊三部分組成，傳感器節(jié)點(diǎn)與邊界路由節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上基本相同，不同之處在于傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)，故較之邊界路由節(jié)點(diǎn)去掉了網(wǎng)絡(luò)模塊。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)需在無人管理的情況下連續(xù)運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了太陽能電池板與蓄電池供電的電源模塊，保證了傳感器節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間工作，同時(shí)本文還通過降低節(jié)點(diǎn)能耗和傳輸能耗實(shí)現(xiàn)了低功耗。

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)基于Contiki操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)和ProtoThreads輕量級(jí)線程模型和事件機(jī)制完美結(jié)合，ProtoThreads輕量級(jí)線程的使用使得系統(tǒng)占用內(nèi)存極小，而事件驅(qū)動(dòng)內(nèi)核機(jī)制則降低了系統(tǒng)的功耗；MAC層采用ContikiMAC RDC機(jī)制，在該機(jī)制的作用下，節(jié)點(diǎn)工作占空比低于1%，大部分時(shí)間下都處于休眠狀態(tài)，整體上降低了節(jié)點(diǎn)能耗。

（2）傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行6LoWPAN中的精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議棧，可將IPv6頭部壓縮到4 byte，極大地降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸量；網(wǎng)絡(luò)層基于RPL路由協(xié)議，通過使用目標(biāo)函數(shù)和度量集合構(gòu)建一種類似樹形拓?fù)鋱D，確立最優(yōu)路徑，從而減少數(shù)據(jù)在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸能耗[4]。

3 云端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云技術(shù)目前在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已得到廣泛運(yùn)用，云技術(shù)采用分布式架構(gòu)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的規(guī)模來靈活伸縮和擴(kuò)大。在海洋臺(tái)站快速增加時(shí)，可以非常方便地通過增加云服務(wù)器規(guī)模來迅速滿足功能需求。為匹配云服務(wù)系統(tǒng)的可拓展性，服務(wù)器語言架構(gòu)必須具有高度的拓展性，本文選用了純開源，支持分布式部署，能支持?jǐn)?shù)百萬甚至更高的并發(fā)連接的Workerman服務(wù)器框架作為云服務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)棧。

云服務(wù)系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供后端支持，主要功能包括與無線傳感器通訊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，與監(jiān)測(cè)用戶Web端實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)等。本文基于Workerman框架，設(shè)計(jì)了用于監(jiān)聽處理硬件數(shù)據(jù)的UDP服務(wù)器，用于與用戶Web端保持長(zhǎng)連接的Websocket服務(wù)器，用于之前實(shí)現(xiàn)發(fā)布-訂閱的推送服務(wù)器，服務(wù)器架構(gòu)如圖3所示。Master Workerman服務(wù)是Workerman框架中的主進(jìn)程，以守護(hù)進(jìn)程的形式運(yùn)行，自動(dòng)檢查服務(wù)器環(huán)境，創(chuàng)建并管理自定義的UDP、WebSocket、推送服務(wù)器。

圖3 云服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感器通訊方案設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)為了達(dá)到低功耗需求，需長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，無法采用長(zhǎng)連接的方式，因此選用了UDP數(shù)據(jù)傳輸方式。云服務(wù)器接收無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)，搭建了UDP服務(wù)器進(jìn)程來實(shí)時(shí)監(jiān)聽端口，以便數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)能及時(shí)接收。UDP數(shù)據(jù)包在傳輸過程中有可能丟失或者錯(cuò)誤，在數(shù)據(jù)接收之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確定數(shù)據(jù)包的完整性，校驗(yàn)正確之后進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。基于上述設(shè)計(jì)，關(guān)鍵偽代碼如下：

$udp=new UDP(udp://localhost');

//創(chuàng)建UDP服務(wù)

$udp-＞port=9090;

//指定UDP端口

$ws_worker-＞onMessage($data)

{

//當(dāng)有UDP數(shù)據(jù)包到來時(shí)調(diào)用

Check($data)//數(shù)據(jù)校驗(yàn)

Dump($data)//數(shù)據(jù)解析

}

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

接收并解析無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包之后，將數(shù)據(jù)按照一定的格式及時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中便于后續(xù)使用?；跀?shù)據(jù)分析可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的報(bào)表顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)走勢(shì)曲線、實(shí)時(shí)預(yù)警等功能。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)兩個(gè)字段（TYPE與ID）來區(qū)分不同傳感器類型與不同地區(qū)的同類傳感器。為了減小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)被整合為一條字符串。為節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)開支，根據(jù)數(shù)據(jù)包到達(dá)服務(wù)器的時(shí)間，服務(wù)器以時(shí)間戳的方式存儲(chǔ)到達(dá)時(shí)間?；谏鲜雒枋?，數(shù)據(jù)字符串設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)字符串設(shè)計(jì)

字段以逗號(hào)隔開，DATA中不同參數(shù)以‘|’分割，以西安中銘電氣有限公司的WXA100-06M六合一氣象傳感器為例，一條典型的數(shù)據(jù)如下：

0x0A,0x00,22．6|30．3|10．7|244．2|957．7|101．9,1477550996

在接收到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后，云服務(wù)器首先需要調(diào)用與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接，然后將數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)。關(guān)鍵偽代碼如下：

//數(shù)據(jù)解析之后

$con-＞connect(mysql)

//云服務(wù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)

mysql-＞query(insert$data)

//執(zhí)行插入數(shù)據(jù)庫(kù)語句

$con-＞disconnect()

//操作完畢后關(guān)閉連接

3.3 監(jiān)測(cè)用戶端通訊方案設(shè)計(jì)

3．3．1 Websocket服務(wù)器設(shè)計(jì) WebSocket是 HTML5一種新的協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)了瀏覽器與服務(wù)器全雙工通信，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)。而且該協(xié)議具有實(shí)時(shí)性，可以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用戶的實(shí)時(shí)使用。為保證監(jiān)測(cè)用戶端與服務(wù)器保持長(zhǎng)連接，服務(wù)器建立了一個(gè)監(jiān)聽接口，來管理Websocket客戶端的連接。通訊方案實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵偽代碼如下：

$ws=new ws("ws://localhost");

//建立 WebSocket服務(wù)

$ws-＞port=9292

//指定WebSocket監(jiān)聽端口

$ws-＞onWebSocketConnect()

//有連接時(shí)進(jìn)行連接握手

$ws-＞onMessage()

//連接上后進(jìn)行其他操作

用戶端發(fā)出查詢數(shù)據(jù)請(qǐng)求，WebSocket服務(wù)器根據(jù)用戶發(fā)送來的查詢指令通過數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢，并將結(jié)果反饋給用戶。關(guān)鍵偽代碼如下：

$con-＞connect(mysql)

//云服務(wù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)

mysql-＞query(selecet$data)

//執(zhí)行查詢數(shù)據(jù)庫(kù)語句并返回?cái)?shù)據(jù)

$con-＞disconnect()

//操作完畢后關(guān)閉連接

3．3．2 長(zhǎng)連接的斷線重連心跳機(jī)制 本文引入了心跳機(jī)制用于解決長(zhǎng)時(shí)間連接過程中意外發(fā)生的斷線與斷線重連問題，以保證用戶意外斷線后系統(tǒng)能夠自動(dòng)重連恢復(fù)工作?？蛻舳硕〞r(shí)給服務(wù)器發(fā)送固定心跳包，避免連接由于長(zhǎng)時(shí)間沒有通訊而被某些節(jié)點(diǎn)的防火墻關(guān)閉導(dǎo)致連接斷開的情況發(fā)生。服務(wù)端可以通過心跳包來判斷客戶端是否在線，如果客戶端在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)來任何心跳包，就認(rèn)定客戶端意外下線，發(fā)起重連。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵偽代碼如下：

//設(shè)置心跳間隔25 s

$HEARTBEAT_TIME=25

//設(shè)置一個(gè)lastMTime，用來記錄上次收到消息的時(shí)間

$connection-＞lastMTime=time()

//記錄時(shí)間

//進(jìn)程啟動(dòng)后設(shè)置一個(gè)每秒運(yùn)行一次的定時(shí)器

$ws-＞onStart($connection)

{

//若該connection還沒收到過消息，則lastMTime設(shè)置為當(dāng)前時(shí)間

if(empty($connection-＞lastMTime))

{

$connection-＞lastMTime=$time_now;continue;

}

//上次通訊時(shí)間間隔大于心跳間隔，則認(rèn)為客戶端已經(jīng)下線，關(guān)閉連接

if($time_now-$connection-＞lastMTime

＞HEARTBEAT_TIME)

{

$connection-＞close();

}

}

3．3．3 推送服務(wù)器設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)推送服務(wù)器負(fù)責(zé)保持與UDP和Websocket服務(wù)器的長(zhǎng)連接，Websocket服務(wù)器向推送服務(wù)器訂閱UDP服務(wù)器“消息到達(dá)”的事件，當(dāng)UDP服務(wù)器接收到氣象數(shù)據(jù)時(shí)，向訂閱服務(wù)器發(fā)布“消息到達(dá)”消息，推送服務(wù)器將該消息推送給Websocket服務(wù)器。通過上述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)與用戶的實(shí)時(shí)通訊。關(guān)鍵偽代碼如下：

Chanel_Server=new ChannelServer();//創(chuàng)建推送服務(wù)器

ChannelServer()::on{}

//收到廣播后向訂閱該事件的客戶端發(fā)送

ChannelClient::on($udp){}

//收到無線傳感器端的數(shù)據(jù)后向推送服務(wù)器廣播

ChannelClient::on($ws){}

//訂閱“收到無線傳感器端的數(shù)據(jù)”事件

//當(dāng)收到無線傳感器端數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)收到來自推送服務(wù)器的廣播

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，搭建包含水文參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)和氣象參數(shù)節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備實(shí)物如圖4所示。

以上節(jié)點(diǎn)通過多跳組網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器同步推送至Web端，此時(shí)瀏覽器顯示界面如圖5所示。當(dāng)用戶點(diǎn)擊主界面的左側(cè)按鈕選擇“表層海水溫度”一項(xiàng)，將進(jìn)入下一層菜單（即為該單一數(shù)據(jù)的詳細(xì)界面）。在“表層海水溫度”單一界面中，用戶可選擇查看當(dāng)天數(shù)據(jù)、最近7 d數(shù)據(jù)、最近1個(gè)月數(shù)據(jù)、最近1 a數(shù)據(jù)等內(nèi)容，Web端會(huì)根據(jù)用戶需求通過服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取對(duì)應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)顯示在表層海水溫度單一數(shù)據(jù)折線圖6中。

圖4 設(shè)備實(shí)物圖

圖5 多節(jié)點(diǎn)Web端顯示界面

圖6 表層海水溫度單一數(shù)據(jù)折線圖

用戶可以通過具體時(shí)間區(qū)間的折線圖，直觀地觀察海洋平臺(tái)附近海水表層溫度的變化趨勢(shì)。同時(shí)，數(shù)據(jù)折線圖底部也支持拖動(dòng)來縮放時(shí)間軸，用戶可以操作并獲得更短時(shí)間內(nèi)海水表層溫度的變化趨勢(shì)，保證所需數(shù)據(jù)在某一時(shí)間段的精確性和適用性。

上述圖示結(jié)果證明本系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地接收傳感器數(shù)據(jù)，并同步推送至Web端，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)添加以及數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)發(fā)布及數(shù)據(jù)處理。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于6LoWPAN的近海環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)目前海洋臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共享渠道差，現(xiàn)場(chǎng)搭建成本較高等問題，將低速無線個(gè)域網(wǎng)的成本低、組網(wǎng)靈活、易拓展的優(yōu)點(diǎn)引入到環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中，提出了一種可行的解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的有效性。

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