基于物聯(lián)網(wǎng)的紫外線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

張金良++擁措

摘 要：文中設(shè)計(jì)選擇韓國(guó)UVM-30A紫外線傳感器，通過ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紫外線數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)的傳播。通過比較蟻群-粒子群優(yōu)化群智能結(jié)合的路由算法與AODVjr算法和Cluster-Tree路由算法，使得紫外線采集數(shù)據(jù)能選擇最優(yōu)路由路徑傳遞，從而延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命。遠(yuǎn)程傳輸選擇SIM800作為GPRS模塊，GPRS模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，并且在上位機(jī)的顯示界面上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，蟻群-粒子群優(yōu)化智能群算法的收斂時(shí)間更短，更具有普適性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；紫外線傳感器；GPRS模塊；遠(yuǎn)程傳輸

中圖分類號(hào)：TP802 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種新興技術(shù)，已快速占領(lǐng)了諸多領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)以無線傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來[1]，未來可幫助人類解決更多的問題，更好地為人類服務(wù)。國(guó)際電信聯(lián)盟在2005年的世界互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度報(bào)告中提出《物聯(lián)網(wǎng)》，報(bào)告詳細(xì)地介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義并給出美國(guó)等一些國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)案例的研究和發(fā)展戰(zhàn)略。2009年，美國(guó)IBM公司提出了“智慧地球”的目標(biāo)，同時(shí)中國(guó)也提出了“感知中國(guó)”戰(zhàn)略。預(yù)計(jì)到2035年，中國(guó)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端將達(dá)到千億個(gè)，而到2050年，傳感器將占據(jù)人們的生活。而這就是物聯(lián)網(wǎng)中智能設(shè)備的規(guī)模效應(yīng)。

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳感器的普遍應(yīng)用以及移動(dòng)通信和衛(wèi)星定位技術(shù)等日益完善、相互結(jié)合，極大地促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)有狹義和廣義之分，狹義的定義是將海量電子設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)的大規(guī)模虛擬網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)；而廣義則是無所不含的信息服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的核心和本質(zhì)是互聯(lián)網(wǎng)，是物與物相連，同時(shí)還應(yīng)用了識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線傳輸技術(shù)等，物聯(lián)網(wǎng)還包括物與物之間的介質(zhì)、信息共享和智能感知[2，3]。物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展帶來了一次新的產(chǎn)業(yè)變革。無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容也包含在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)。現(xiàn)有的對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的研究和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)改變了人們的生活。

在紫外線的“日盲區(qū)”，由于軍事攻擊目標(biāo)的紫外線輻射強(qiáng)于太陽(yáng)的紫外線輻射，因此目標(biāo)很容易暴露，可將該基于物聯(lián)網(wǎng)的紫外線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的預(yù)警[4， 5]。由于西藏大學(xué)環(huán)境物理研究所的太陽(yáng)紫外線觀測(cè)站在日喀則，而目前采取的紫外線數(shù)據(jù)采集方法是把紫外線接收器放到要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，定期去當(dāng)?shù)夭杉贤饩€傳感器接收的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)從接收器中下載到電腦上。這樣不僅消耗了大量的人力物力，還不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紫外線數(shù)據(jù)，尤其在監(jiān)測(cè)過程中無法及時(shí)得知儀器的損壞情況。對(duì)于以上問題，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的紫外線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用紫外線傳感器來接收紫外線數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee自組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳遞到ZigBee協(xié)調(diào)器，再通過ZigBee協(xié)調(diào)器的GPRS模塊傳遞到上位機(jī)，在上位機(jī)上能時(shí)刻監(jiān)測(cè)到紫外線的動(dòng)態(tài)，并且有助于研究所對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這樣既能夠減少紫外線數(shù)據(jù)采集所需的人力和物力，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紫外線的動(dòng)態(tài)。本文的重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的采集、傳輸與存儲(chǔ)以及在ZigBee自組網(wǎng)中路由最優(yōu)路徑的選擇算法比較。

1 傳統(tǒng)路由尋優(yōu)算法

1.1 AODVjr路由算法

AODV是一種按需路由協(xié)議。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要傳遞信息到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，則必須先以多播的形式發(fā)出RREQ（路由請(qǐng)求）報(bào)文，RREQ報(bào)文中記錄著發(fā)起點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，距離近的節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求后先判斷自己是否為目的節(jié)點(diǎn)，若是則停止傳輸，并且發(fā)送一個(gè)路由回應(yīng)；若不是，則在路由表中查找目的地址。如果有，則單播回復(fù)到源節(jié)點(diǎn)，否則繼續(xù)發(fā)送路由請(qǐng)求。無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）是應(yīng)用于無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（也稱作無線Mesh網(wǎng)絡(luò)）中進(jìn)行路由選擇的路由協(xié)議，它能夠?qū)崿F(xiàn)單播和多播路由。AODV協(xié)議是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中按需生成路由方式的典型協(xié)議，它是反應(yīng)式路由協(xié)議，當(dāng)先發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)開始在網(wǎng)絡(luò)中查找目的節(jié)點(diǎn)路由。相反的，一般的因特網(wǎng)都是先驗(yàn)式的，并不依賴于路徑上的節(jié)點(diǎn)發(fā)包，而是通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表來查找路由路徑。節(jié)點(diǎn)間不斷交換路由信息使得對(duì)于自身的路由表能及時(shí)更新，可與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓恢?，也能在路由路徑尋?yōu)時(shí)很好的進(jìn)行尋址。通過協(xié)議的名稱我們能很直觀的了解到，無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議是一種平面距離矢量路由協(xié)議。

在AODV協(xié)議中，只有需求建立連接時(shí)才能激活處于靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，使其運(yùn)作起來。需要建立連接時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)連接請(qǐng)求，緊鄰的其它AODV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求信息，同時(shí)在自己的路由表中記錄源節(jié)點(diǎn)和回到源節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)路由。當(dāng)連接請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，這個(gè)路由信息就會(huì)被連接的臨時(shí)路由發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)通過由其它節(jié)點(diǎn)發(fā)回的目的節(jié)點(diǎn)路由來選擇最優(yōu)的路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)連接的路由路徑斷掉后，路由會(huì)報(bào)錯(cuò)給源節(jié)點(diǎn)，然后源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起路由查找的功能。

AODV協(xié)議的路由算法是AODVjr算法，其特點(diǎn)為支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只有目的節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送路由應(yīng)答包，通信效率高，同時(shí)刪除了路由錯(cuò)誤包、前驅(qū)列表以及周期性發(fā)送的Hello包來規(guī)避廣播風(fēng)暴。只有在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)建立路由過程。

1.2 Cluster-Tree算法

Cluster-Tree算法是應(yīng)用在以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為根的樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不包含路由表，只有樹的末葉才是終端設(shè)備，其余都是全功能設(shè)備。當(dāng)終端設(shè)備要傳遞信息到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需先把數(shù)據(jù)包傳遞到父節(jié)點(diǎn)，由父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由路徑的查找。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址要通過網(wǎng)絡(luò)深度節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，要先確定目的節(jié)點(diǎn)是否為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址的下屬節(jié)點(diǎn)，若是，則直接進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，下一跳就是目的網(wǎng)絡(luò)地址的節(jié)點(diǎn)；若不是，則這個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址節(jié)點(diǎn)要先把數(shù)據(jù)包傳遞給父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)以自己的名義進(jìn)行路由路徑的查找。

Cluster-Tree算法為樹型結(jié)構(gòu)，可分層遍歷節(jié)點(diǎn)，能夠很快的找到目的節(jié)點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)在于可以很好的減少數(shù)據(jù)的冗余度和源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，缺點(diǎn)是距離根節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的大量轉(zhuǎn)發(fā)，因此功耗很大，而且算法不具有自適應(yīng)能力，不能自我調(diào)整，所以這種算法選擇的路由路徑不一定最優(yōu)。

1.3 AODVjr算法和Cluster-Tree算法結(jié)合

本設(shè)計(jì)采用將樹簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、AODVjr算法和Cluster-Tree算法相結(jié)合的方法。為提高紫外線傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在采集點(diǎn)布置大量的傳感器，按照樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置紫外線傳感器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)與其它無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比有很強(qiáng)的自組織能力、很好的穩(wěn)定性以及極高的可靠性。網(wǎng)絡(luò)預(yù)先給加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，由協(xié)調(diào)器來決定是否讓新的無線傳感器加入網(wǎng)絡(luò)，成功加入后可獲得唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，以此來與別的節(jié)點(diǎn)區(qū)分。路由節(jié)點(diǎn)所能分配的地址空間Mskip（a）滿足公式（1）和公式（2）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本設(shè)計(jì)模擬選擇100個(gè)硬件設(shè)備，ZigBee組網(wǎng)采用樹簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過比較數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間和準(zhǔn)確性來比較兩種路由算法。通過比較得出，在數(shù)據(jù)到達(dá)最終協(xié)調(diào)器時(shí)，蟻群和粒子群算法相結(jié)合形成的優(yōu)化群智能算法要比AODVjr算法和Cluster-Tree算法相結(jié)合的時(shí)間短。總體而言，優(yōu)化群智能算法的結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)傳遞更有優(yōu)越性。兩種路由算法的比較結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，不同的組合算法收斂時(shí)間不一樣。可由圖看出，蟻群與粒子群算法結(jié)合的收斂速度快，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，優(yōu)勢(shì)更明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)結(jié)合西藏特殊的地理環(huán)境和氣候，基本完成了對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的紫外線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。前期準(zhǔn)備工作查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并和西藏大學(xué)太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)室的老師深入了解了紫外線采集的方式和用處，最終選擇采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)紫外線采集的遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)測(cè)。

ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了紫外線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的短距離傳輸和遠(yuǎn)程傳輸。經(jīng)比較，紫外線傳感器選用UVM-30A，ZigBee模塊選擇CC2530核心板，GPRS模塊選擇SIM800模塊，由此實(shí)現(xiàn)了紫外線數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能。

參考文獻(xiàn)

[1]孫繼平.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（11）：1546-1549.

[2]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]李曉維，徐勇軍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007：1-5.

[4]何世鈞，陳中華，張雨，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（3）：13-15.

[5]朱曉榮，孫君，齊麗娜，等.物聯(lián)網(wǎng)與泛在通信技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6]付云朋，王宏力，候青劍.基于改進(jìn)蟻群算法的故障樹最優(yōu)檢測(cè)次序的研究[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2009，11（6）：23-25.

[7]Dorigo M， Gambardella L M. Ant Colony System： A Cooperative Learning Approach to the Traveling Salesman Problem[J]. IEEE Transactions on Evolutionary Computations， 1997， 1（1） ： 53-66.