探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度逐漸加快，環(huán)境污染的問題也開始日益嚴(yán)重。海洋作為地球表面水資源的集中地點(diǎn)，其污染治理已經(jīng)成為我國目前亟待解決的首要問題之一。海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是海洋污染問題治理的基礎(chǔ)條件，提高其監(jiān)測質(zhì)量對(duì)于海洋治理來講具有非常重要的價(jià)值。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，成為促進(jìn)各領(lǐng)域發(fā)展的重要手段?；诖耍韵挛恼轮泄P者將就在海洋環(huán)境監(jiān)測中如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)做出分析。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境監(jiān)測;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);應(yīng)用

改革開放以后的很長一段時(shí)間內(nèi)，為了能夠獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益，開拓脫貧致富的道路，各種工業(yè)開始飛速發(fā)展著，在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)自然資源大量的索取，生態(tài)環(huán)境遭到破壞[1]。近些年來，隨著環(huán)保理念的提出，海洋環(huán)境的污染問題已經(jīng)得到了高度重視，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用下，不僅能夠加強(qiáng)對(duì)海洋環(huán)境的保護(hù)，還能夠幫助人們更加深入的了解海洋狀況，從而更好的對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行管理。

一、在海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

就目前海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而言，主要有水上監(jiān)控與水下監(jiān)控兩個(gè)部分，同時(shí)應(yīng)用三維結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)，而該傳感網(wǎng)絡(luò)的組成主要包括三個(gè)部分：1.不同類型的海上傳感器;2.水下自動(dòng)探測器;3.固定采集設(shè)備。在區(qū)域、類型不同的區(qū)分下，傳感器也會(huì)按照類型的組成單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)域的傳感器會(huì)對(duì)海洋渾濁度、鹽度、重金屬含量等相關(guān)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行采集，這些采集到的參數(shù)會(huì)經(jīng)過統(tǒng)一的通信協(xié)議向匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，再由匯聚節(jié)點(diǎn)完成各項(xiàng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)工作，最后通過通信、衛(wèi)星技術(shù)傳遞給監(jiān)控中心進(jìn)行分類、存儲(chǔ)，供相關(guān)人員使用，數(shù)據(jù)庫與互聯(lián)網(wǎng)相互連通，當(dāng)有外界用戶想要獲取時(shí)必須要通過身份驗(yàn)證才能獲取到想要了解的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)[2]。在整個(gè)海洋監(jiān)測系統(tǒng)中，各個(gè)監(jiān)控階段是非常重要的組成部分，一般來講，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、供給模塊。

二、無線網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

（一）什么是ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee組網(wǎng)技術(shù)是一種近距離，復(fù)雜度、功耗、速率以及成本均較低的雙向無線通訊技術(shù)。在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，需要確保各種電子設(shè)備之間具有距離短、功耗低且傳輸速率低的特點(diǎn)，這樣該項(xiàng)技術(shù)才能夠完成數(shù)據(jù)傳輸以及典型周期性、間歇性、低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸[3]。對(duì)于海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)耗能時(shí)間短是其使用時(shí)間的重要因素，而在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)具有的3層結(jié)構(gòu)中，其中耗能量最大的單元即為單個(gè)階段內(nèi)數(shù)據(jù)采集、傳輸。而在海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)可在滿足其實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，降低其耗能，因此，目前海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)約定的通信方式，即ZigBee組網(wǎng)技術(shù)。

（二）ZBR的計(jì)算方式

在ZigBee中，按照節(jié)點(diǎn)資源與功能對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，可分為三種類型，即RN（+、-）、RFD，其中RN代表存儲(chǔ)空間，“+”代表充足同時(shí)伴有無線路由功能，“-”代表不足且不伴有無線路由功能，應(yīng)用Cluster-Tree的計(jì)算方式對(duì)信息傳輸至能進(jìn)行計(jì)算，RN（+、-）與RFD的區(qū)別就在于，前者無論存儲(chǔ)空間足或者不足，均可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而后者不具備這種轉(zhuǎn)發(fā)能力，在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，要以父節(jié)點(diǎn)為介導(dǎo)[4]。因此，目前ZBR方式已經(jīng)打破C-T算法的局限性，開始與路由尋址功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部信息高效傳播。就ZigBee而言，地址分發(fā)功能是其自身具備的通信功能，在此基礎(chǔ)上與海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的具體行為相結(jié)合，在以下文章中，將來自于監(jiān)控系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)參數(shù)引入，即1.結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的整個(gè)海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中劃分最大的子節(jié)點(diǎn)數(shù)，以Cm代表;2.在系統(tǒng)中，容納路由器最多數(shù)量，以Rm代表;3.網(wǎng)絡(luò)深度，以Lm代表。

這里我們可以先做一個(gè)設(shè)想，假如在擴(kuò)展監(jiān)控系統(tǒng)探測的前提下，節(jié)點(diǎn)全部應(yīng)用“Node”表示，新帶入節(jié)點(diǎn)加腳標(biāo)“n”，父節(jié)點(diǎn)加腳標(biāo)“k”，各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的地址均用“A”表示，深度應(yīng)用“Depth”表示，當(dāng)已知節(jié)點(diǎn)地址、網(wǎng)絡(luò)層次深度后，最后得出等式應(yīng)當(dāng)為Depth（n-k）=1。

當(dāng)ZigBee通信結(jié)構(gòu)為樹狀結(jié)構(gòu)時(shí)，需要再次引入三個(gè)參數(shù)，即1.在整個(gè)機(jī)構(gòu)中每層容納節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，以Cm1表示;2.每層中路由數(shù)最大，以Rm1表示;3.結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，以Lm1表示。

求樹狀結(jié)構(gòu)中e層節(jié)點(diǎn)時(shí)，按照上層父節(jié)點(diǎn)的地址分配協(xié)議進(jìn)行計(jì)算，得出以下幾種計(jì)算方式。1.假設(shè)n節(jié)點(diǎn)時(shí)該節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)接收的第N個(gè)節(jié)點(diǎn)，且RFD為節(jié)點(diǎn)類型，那么在計(jì)算其分配地址時(shí)，應(yīng)該得出以下等式：n+Cskip（e）×Rm+Ak=An。2.前提條件相同，但節(jié)點(diǎn)類型換為RN（+、-），在計(jì)算分配地址時(shí)的等式應(yīng)該為An= Cskip（e）×（ n-1）+1+Ak。

三、ZigBee協(xié)議軟件流程

（一）網(wǎng)絡(luò)處于初始狀態(tài)

選擇一個(gè)能夠?qū)⒄麄€(gè)海洋監(jiān)測系統(tǒng)歸于初始狀態(tài)的協(xié)調(diào)器，且需要其具備ZigBee 通信功能。RFD在檢查是否有信標(biāo)在周圍節(jié)點(diǎn)中存在時(shí)，先要掃描周圍節(jié)點(diǎn)，然后向節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，確定本節(jié)點(diǎn)可作為初始協(xié)調(diào)器的條件即能夠在周期內(nèi)檢測到，與此同時(shí)，建立相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，將自身信標(biāo)廣播給周圍節(jié)點(diǎn)。再然后，通過信道掃描，找出周圍節(jié)點(diǎn)中適合能量的信道，并根據(jù)路由計(jì)算方式計(jì)算出最有效的信道，以此作為基礎(chǔ)，將傳輸網(wǎng)絡(luò)建立[5]。

（二）在網(wǎng)絡(luò)中加入節(jié)點(diǎn)

在初始化步驟完成后，網(wǎng)絡(luò)仍然不能夠應(yīng)用于實(shí)際工作當(dāng)中，還需要在此網(wǎng)絡(luò)中加入其它傳感器，在選擇加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要先對(duì)上層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描，然后選擇父節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求入網(wǎng)信息，如果網(wǎng)絡(luò)地址能夠通過此節(jié)點(diǎn)成功返回，則能夠作為標(biāo)識(shí)用于傳輸、接收數(shù)據(jù)。

結(jié)束語：

總而言之，對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測并不斷提升監(jiān)測效率，是促進(jìn)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措之一。本文中先對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行簡單論述，然后分析計(jì)算方式，最后對(duì)ZigBee協(xié)議軟件流程進(jìn)行探討，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作帶來有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

王慧娟，女，漢1984年11月30日，碩士物理海洋學(xué)，中國海洋大學(xué)，中級(jí)工程師，海洋環(huán)境。