海水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸研究

黃旭紅,陳燕毅

(1.福建理工大學(xué) 電子電氣與物理學(xué)院,福建 福州 350014;2.福建理工大學(xué) 智慧海洋與工程研究院,福建,福州 350014)

0 引言

海上養(yǎng)殖是我國海洋發(fā)展戰(zhàn)略的一大經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。海上養(yǎng)殖分布廣且遠(yuǎn)離陸地,單靠人工巡測的方式不能很好地保證海上養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率和安全。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需布線,節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多且可隨機(jī)分布,用于海水養(yǎng)殖的監(jiān)測,可以很好地適應(yīng)海上養(yǎng)殖分布面廣、不便布線等特點(diǎn)。

國外對海上養(yǎng)殖監(jiān)測的研究主要從海洋氣象、海水質(zhì)量、養(yǎng)殖對象的狀態(tài)等方面進(jìn)行[1-3]。2018年埃克塞特大學(xué)的研究人員設(shè)計分散點(diǎn)的低成本自主浮標(biāo)系統(tǒng),用于沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖和水質(zhì)監(jiān)測[2]。2022年希臘的西馬其頓大學(xué)研究了與雙殼類生物和文化有關(guān)的歷史海洋學(xué)和氣象數(shù)據(jù),建立預(yù)警系統(tǒng)[1]。2023年,Palconit等[3]將目標(biāo)檢測算法應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖,提出了一種針對大黃魚的監(jiān)測方法,包括異常行為的檢測和跟蹤。國內(nèi)海水養(yǎng)殖的監(jiān)測目前大多以人工監(jiān)測為主,研究輔助傳統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測的智能方法、單點(diǎn)的海水養(yǎng)殖自動檢測[4-5]。

單分散點(diǎn)的海上養(yǎng)殖自動檢測對大面積分布的“海水牧場”無法兼顧各處。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò),可以解決海上養(yǎng)殖分布面積大的問題。但海面上要實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要比陸地相對穩(wěn)定的環(huán)境要復(fù)雜。同時,在海面上更換電池不便,其他電源設(shè)施分布不易或價格成本較高,這使得海水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能問題更加突出。本文提出一種適合于海水養(yǎng)殖的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,同時采用不同數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,降低傳輸數(shù)據(jù)量,進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化。

1 海水養(yǎng)殖監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

本文提出的海水養(yǎng)殖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)由各參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))、中心節(jié)點(diǎn)電源模塊、水下攝像機(jī)、通信模塊、陸地監(jiān)控攝像機(jī)、監(jiān)控中心主機(jī)組成,如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)部分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分。

圖1 海水養(yǎng)殖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)組成

陸地攝像機(jī)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大,與監(jiān)控中心的主機(jī)以有線連接傳輸,不在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)。監(jiān)控中心處理數(shù)據(jù)并給出指令,同時存儲數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)設(shè)置采取安全保密措施后進(jìn)行云共享,以提供大數(shù)據(jù)分析和研究。

數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)由無線海水養(yǎng)殖監(jiān)測器構(gòu)成,將采集的信息和接收到的信號進(jìn)行處理、儲存,并在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的控制下,將得到的數(shù)據(jù)傳往中心節(jié)點(diǎn)。此外數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)還具有路由功能。中心節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息和水下攝像機(jī)傳來的信息,將接收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理、匯聚融合、儲存,并將處理得到的數(shù)據(jù)傳給通信模塊。通信模塊將中心節(jié)點(diǎn)處理好的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。中心節(jié)點(diǎn)、水下攝像機(jī)、通信模塊由中心節(jié)點(diǎn)電源模塊供電,中心節(jié)點(diǎn)電源模塊配備太陽能電池。水下攝像機(jī)所需的電能較大,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也大,所以直接與中心節(jié)點(diǎn)連接,也由中心節(jié)點(diǎn)電源模塊供電。

2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸

在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗分布中射頻電路的能量消耗量最大[6]。射頻電路主要用于數(shù)據(jù)傳輸,有研究表明傳輸1位數(shù)據(jù)所消耗的能量約是執(zhí)行1個指令所消耗能量的800倍,因此減少傳輸數(shù)據(jù)量能大幅度減少無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗,延長使用壽命。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制可采用時間驅(qū)動型,也可以采用事件驅(qū)動型、事件觸發(fā)型。時間驅(qū)動型是傳感器預(yù)先設(shè)定一定時長的時間間隔,按該時間間隔周期性地將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果時間驅(qū)動型所預(yù)先設(shè)定的時間間隔較小的話,數(shù)據(jù)發(fā)送頻率高,總的傳輸數(shù)據(jù)量就會很高;如果所預(yù)先設(shè)定的時間間隔較大的話,總的傳輸數(shù)據(jù)量雖然減小了,但會錯過異常數(shù)據(jù)的詳細(xì)情況。事件驅(qū)動型是傳感器采樣到目標(biāo)事件就發(fā)送,不按時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)。事件觸發(fā)型是傳感器所采集的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時,觸發(fā)發(fā)送狀態(tài),將數(shù)據(jù)發(fā)送出去[7]。事件驅(qū)動型事件數(shù)據(jù)發(fā)送頻率比時間驅(qū)動型低。觸發(fā)型可關(guān)聯(lián)異常數(shù)據(jù),但卻忽略了正常數(shù)據(jù)的實時報送。海水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對應(yīng)于正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù),結(jié)合驅(qū)動模式和事件觸發(fā)模式,采用不同的時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù),降低總傳輸數(shù)據(jù)量,進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化。

普通節(jié)點(diǎn)通過單跳傳輸數(shù)據(jù)給簇首,簇首經(jīng)過多跳傳輸數(shù)據(jù)至中心節(jié)點(diǎn)[8]。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)數(shù)據(jù)從普通的數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)D發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)C的發(fā)送成功率為PDC。設(shè)節(jié)點(diǎn)D采樣到目標(biāo)事件到下一次采樣的間隔時間為T,發(fā)送數(shù)據(jù)時間間隔為t,那么T時間內(nèi)發(fā)送次數(shù)n=T/t。

普通的事件驅(qū)動型為保證T時間內(nèi)一定傳送成功,t?T,T時間內(nèi)發(fā)送次數(shù)n就相對大。設(shè)n次發(fā)送成功率為PT,其計算式如下[7]:

PT=PDC+PDC(1-PDC)+PDC(1-PDC)2+…+PDC(1-PDC)n=1-(1-PDC)n

(1)

當(dāng)n足夠大時,那么在T時間內(nèi)一定會發(fā)送成功,即PT趨向與1。設(shè)期望發(fā)送成功的成功率為Pex, 1>Pex>0,那么:

PT≥Pex

(2)

將式(1)代入式(2),得:

1-(1-PDC)n≥Pex

(3)

式(3)兩邊取ln,得[7]:

ln(1-Pex)≥nln(1-PDC)

整理得:

(4)

設(shè)發(fā)送成功所需的最多發(fā)送次數(shù)為nmax,則:

(5)

在T時間內(nèi),節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量設(shè)為LT,則[7]:

LT=nL

(6)

當(dāng)n超過nmax時,即已發(fā)送成功后再發(fā)送時,其發(fā)送的數(shù)據(jù)為冗余數(shù)據(jù),冗余數(shù)據(jù)量表示為LRe,則[7]:

LRe=(n-nmax)L

(7)

3 自適應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸

本文為適應(yīng)海水養(yǎng)殖提出一種自適應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。監(jiān)測系統(tǒng)中各個數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)采用時間驅(qū)動的周期性喚醒模式,節(jié)點(diǎn)喚醒后從低功耗模式轉(zhuǎn)入活動模式,采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)養(yǎng)殖對象的特點(diǎn),對各參數(shù)預(yù)先設(shè)定閾值,如果所采集的數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi),則判斷為正常數(shù)據(jù),超出閾值范圍就判斷為異常數(shù)據(jù),例如,鮑魚養(yǎng)殖的適宜溫度為23 ℃～30 ℃,就將閾值設(shè)為23 ℃和30 ℃,當(dāng)采集的溫度大于23 ℃且小于30 ℃時,判斷為正常數(shù)據(jù);當(dāng)采集的溫度小于23 ℃或大于30 ℃時,判斷為異常數(shù)據(jù)。如果是正常數(shù)據(jù),喚醒簇首,將自己的網(wǎng)絡(luò)信息和數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送后,數(shù)據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài),即節(jié)點(diǎn)D采樣到目標(biāo)事件的狀態(tài)持續(xù)時間T內(nèi)只發(fā)送一次。發(fā)送給簇首的喚醒包中帶有節(jié)點(diǎn)信息、事件信息。簇首節(jié)點(diǎn)收到喚醒包廣播后,接收數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的信息融合和分離后轉(zhuǎn)發(fā)給中心節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)發(fā)送后,簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。這時網(wǎng)絡(luò)消耗的總能量就較小。當(dāng)異常數(shù)據(jù)發(fā)生時,采用事件驅(qū)動型傳送數(shù)據(jù),立即向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒包,傳送數(shù)據(jù)信息,并將數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔調(diào)為小于T。數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)再按t時間間隔周期性地將數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送成功后,進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)回到正常值時,再回到T時間內(nèi)只發(fā)送一次。這樣即降低了網(wǎng)絡(luò)能耗,又能保證正常數(shù)據(jù)的實時報送和異常數(shù)據(jù)的詳細(xì)報送。

設(shè)每次所采集的數(shù)據(jù)為Xi。當(dāng)Xi超出閾值范圍,為異常數(shù)據(jù)時,采用以上所述的普通的事件驅(qū)動型數(shù)據(jù)傳輸。為保證發(fā)送成功率,發(fā)送次數(shù)取值n≥nmax。設(shè)異常數(shù)據(jù)時,在T時間內(nèi),節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為LTO,冗余數(shù)據(jù)量為LReO,則:

LTO=nL,LReO=(n-nmax)L

[16] R.Dozy et M.J.De Goeje，Description De L'Afrique Et De L'Espagne.imprimeur de Université[M].1866,P10.

當(dāng)Xi在閾值范圍,為正常數(shù)據(jù)時,不需要太頻繁發(fā)送,在T時間內(nèi)只發(fā)送一次。當(dāng)n≥nmax時,經(jīng)過n×T時間的發(fā)送,可大概率地發(fā)送成功,所產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)量為(n-nmax)L。設(shè)在發(fā)送成功的情況下,在T時間內(nèi)發(fā)送正常數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為LTI,平均冗余數(shù)據(jù)量為LreI,則:

LTI=L

(8)

(9)

設(shè)出現(xiàn)異常的概率為Pout;設(shè)自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制在T時間內(nèi),節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)量為LT總,平均冗余數(shù)據(jù)量為LRe總,則:

LT總=L(1-Pout)+nL×Pout=(1+(n-1)Pout)L

(10)

(11)

當(dāng)Pout=1時,LT總=nL=LT

因為0

當(dāng)Pout=1時,LRe總=(n-nmax)L=LRe

因為0

4 仿真實驗結(jié)果與分析

采用MATLAB2018對自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行仿真,并與普通的事件驅(qū)動型數(shù)據(jù)傳送機(jī)制進(jìn)行比較。

仿真中,Pex值取0.99,所得的發(fā)送成功所需的最多發(fā)送次數(shù)nmax值曲線如圖3所示。

圖3 nmax值曲線

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的防碰撞協(xié)議中,吞吐量最小的為18.4%。若PDC值取0.18,根據(jù)圖4曲線,nmax約為23.2。n大于nmax,取值25。

圖4 LT總隨Pout值變化曲線

當(dāng)0

PDC值分別取1、0.8、0.6、0.4、0.2。當(dāng)0

圖5 LRe隨Pout值變化曲線

當(dāng)Pout=1時,LT總=LT,LRe總=LRe,即此時兩數(shù)值為普通的事件驅(qū)動型數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)值。從圖5和圖6中,可以看出相同PDC取值時,對比2種不同傳送體制,自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸中節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)量LT總比普通的事件驅(qū)動型數(shù)據(jù)傳輸中節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)量LT小。而且隨著Pout值越小,自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸中節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)量減小得越多,能耗降低得越多。同樣,自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸中節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的平均冗余數(shù)據(jù)量LRe總比普通的事件驅(qū)動型數(shù)據(jù)傳輸中冗余數(shù)據(jù)量LRe的比較也是如此,即Pout值越小,自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制的傳輸效率提高得越多。另外,在相同的Pout值時,不同的PDC取值對比,PDC越小,LRe總和LRe之間的差距越大,即在信道傳輸質(zhì)量比較差的情況下,自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送效率提升越多。

5 結(jié)語

本文根據(jù)海上養(yǎng)殖監(jiān)測的特點(diǎn),提出一種適合于海水養(yǎng)殖的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,分別對應(yīng)正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。仿真結(jié)果表明,自適應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制降低了總傳輸數(shù)據(jù)量,優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)能耗,同時提高了傳輸效率,滿足海水養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用要求。在信道傳輸質(zhì)量比較差的情況下,自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制提高傳輸效率更明顯,說明其在惡劣的通信條件下,能改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。