陳作聰

(瓊州學(xué)院電子信息工程學(xué)院,海南 三亞 572022)

應(yīng)用技術(shù)

海洋環(huán)境實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳作聰

(瓊州學(xué)院電子信息工程學(xué)院,海南 三亞 572022)

為了避免和減少海洋環(huán)境生態(tài)受污染的風(fēng)險(xiǎn)逐漸加劇而導(dǎo)致海洋災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生,設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和3G通信技術(shù)的海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng).首先,設(shè)計(jì)了海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖,將系統(tǒng)分為感知層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層,然后將監(jiān)測(cè)區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)按照層次型路由協(xié)議劃分為簇,對(duì)簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)、簇成員傳感器節(jié)點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)、簇成員傳感器節(jié)點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軟件流程設(shè)計(jì)．實(shí)驗(yàn)表明文中方法能對(duì)海洋環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,具有成本低、功耗低以及布設(shè)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)．

物聯(lián)網(wǎng);監(jiān)控;3G通信;海洋環(huán)境

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,人類對(duì)海洋的開發(fā)利用也越來越大,海洋環(huán)境生態(tài)受污染的風(fēng)險(xiǎn)和程度也逐漸加劇,這導(dǎo)致海洋災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生,當(dāng)海洋災(zāi)難發(fā)生時(shí)不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響,同時(shí)可能導(dǎo)致生命安全受到威脅[1]．因此,對(duì)海洋環(huán)境生態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控具有重要意義[2-3]．

目前已有的對(duì)海洋環(huán)境生態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的研究主要有:文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),在系統(tǒng)中引入了嵌入式計(jì)算、3G通信、GIS空間信息處理以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),實(shí)時(shí)了海洋環(huán)境狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)．文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的淺海海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),將移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的海洋環(huán)境信息通過發(fā)送到基站,并通過全球定位系統(tǒng)(GPS)定位移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的真實(shí)地理位置．文獻(xiàn)[6]針對(duì)海洋監(jiān)控系統(tǒng)中,由于節(jié)點(diǎn)能量有限不能及時(shí)得到補(bǔ)充,而影響的網(wǎng)絡(luò)生命周期問題,設(shè)計(jì)了一種基于二叉樹的壓縮編碼算法實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)壓縮,并通過差分編碼降低數(shù)據(jù)誤碼率．

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)[7]是一種實(shí)現(xiàn)物與物相連、人與物相連以及人與人相連的重要方式,ITU將物聯(lián)網(wǎng)定義為通過一系列信息感知設(shè)備或技術(shù),如二維碼識(shí)別設(shè)備、射頻(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、激光掃描技術(shù)、無線通信技術(shù)和GPS等,并通過約定的協(xié)議,實(shí)現(xiàn)任意物體與互聯(lián)網(wǎng)的連接,從而實(shí)現(xiàn)任意信息之間的信息交換以及智能化識(shí)別、監(jiān)控、定位、跟蹤和管理[8-14]．

因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3G通信和的海洋環(huán)境動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控,同時(shí)具有能耗低、布線方便和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)．

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

按照物聯(lián)網(wǎng)[15]所具有全面感知、可靠傳遞和智能處理的3個(gè)特征,將文中設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)和3G通信技術(shù)的海洋生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,見圖1.

從圖1中可以看出,文中系統(tǒng)主要包含下列幾個(gè)部分.

(1)感知層:由布置在海洋環(huán)境的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,它們通過無線自組織的方式組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),并通過層次式的分簇協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)劃分為簇,以最大限度地降低能耗和提高網(wǎng)絡(luò)生命周期．

(2)網(wǎng)絡(luò)層:主要是由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換,即實(shí)現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,以及3G網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換．

(3)應(yīng)用層：主要是指開發(fā)的監(jiān)控中心軟件,用戶和相關(guān)監(jiān)測(cè)部分可以通過移動(dòng)電話、個(gè)人PC授權(quán)訪問監(jiān)控中心軟件,以對(duì)海洋環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行查看和分析．

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件

由于監(jiān)測(cè)區(qū)域中的感知網(wǎng)絡(luò)采用自組織的分簇層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),因此,將整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域分為若干子區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域可以看作一個(gè)簇,一個(gè)簇包含簇頭節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn),簇成員節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集數(shù)據(jù)或者接受命令,并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收所在簇的簇成員發(fā)送的數(shù)據(jù)或者接受物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)命令,對(duì)接收的簇頭數(shù)據(jù)進(jìn)行融合再通過無線射頻模塊發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)．

位于海洋監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件主要包含存儲(chǔ)器、微控制器、傳感器、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊,見圖2.

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件

傳感器節(jié)點(diǎn)的感知單元即傳感器主要采集海洋中的各類信息如溫度、pH值、重金屬含量、有機(jī)污染物、磷化合物等信息.因此,海洋信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)需要配備不同類型傳感器以實(shí)現(xiàn)不同信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器采用TI公司的采用ZigBee無線通信協(xié)議的并符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的第2代CC2531片上系統(tǒng)芯片,其內(nèi)部集成了8051控制器,當(dāng)傳感器采集了海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息后經(jīng)過ADC通信通道采樣,再經(jīng)過8051控制器進(jìn)行處理和存儲(chǔ),然后通過CC2531片上系統(tǒng)芯片的2.4 GHz RF射頻收發(fā)器將信息采用無線通信方式發(fā)送所在區(qū)域的簇頭節(jié)點(diǎn),當(dāng)簇頭收集完一個(gè)周期的數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)．

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)即基站,主要是實(shí)現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及互聯(lián)網(wǎng)與3G網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,接收簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理,去除冗余信息,然后將其通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)服務(wù)器．

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件組成包含微控制器、存儲(chǔ)器、無線接口、有線接口以及能量供應(yīng)模塊,見圖3.

圖3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件

Fig.3 Hardware frame for internet of things gateway

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)由于負(fù)責(zé)進(jìn)行3種協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換,因此,其包含3個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口:有線的以太網(wǎng)模塊、無線的無線射頻器和3G模塊．

以太網(wǎng)芯片采用支持IEEE802.3x全雙工流量控制和半雙工流量控制的DM9000,支持8位、18位以及32位的內(nèi)部存儲(chǔ)器訪問接口,物理協(xié)議層采用完全符合IEEE 802.3u規(guī)格的10 Mbps的下3類、4類和5類非屏雙絞線和100 Mbps的非屏蔽雙絞線．

3G模塊采用華為公司開發(fā)的MU103,它支持GPRS/EDGE和TD-SCDMA/HSDPA 2種模式之間進(jìn)行自動(dòng)切換,支持UMTS2100/900和GSM/GPRS 850/900/1800/1900頻段,1路USIM卡接口和2路ADC接口,2路UART接口和接口速率高達(dá)3.25 Mbps．

微控制器采用三星公司推出的16/32位微處理器,采用ARM920t的內(nèi)核和0.13 μm的CMOS的存儲(chǔ)單元,具有功耗低、價(jià)格低和性能高的優(yōu)點(diǎn),并實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA#BUS和HARVARD的高速緩沖體系結(jié)構(gòu)．

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以分為2類:即簇成員節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)．

簇成員節(jié)點(diǎn)的主要功能是周期性地采集海洋環(huán)境中的溫度、pH值、重金屬含量、有機(jī)污染物、磷化合物等信息,然后將其發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn),引入節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制,即節(jié)點(diǎn)在沒有接到簇頭節(jié)點(diǎn)的命令時(shí),進(jìn)入低功耗模式即周期性地休眠和主動(dòng)喚醒,當(dāng)接收到簇頭節(jié)點(diǎn)的命令后被動(dòng)喚醒進(jìn)入工作階段,接受簇頭節(jié)點(diǎn)的控制命令,然后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集直至休眠又重新開始進(jìn)入低功耗模式,見圖4.

簇頭節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,并通過無線射頻模塊發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),同時(shí)接收由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送的控制命令,并將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給簇成員節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)的軟件流程見圖5.

3.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件流程設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及互聯(lián)網(wǎng)與3G網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,并對(duì)不同的通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換,具體工作流程為不斷監(jiān)聽串口,見圖6.

如果接收到上位機(jī)的控制命令請(qǐng)求,則接收控制命令請(qǐng)求,并對(duì)該控制命令進(jìn)行解析,通過無線射頻模塊發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn).

圖4 簇成員節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖5 簇頭節(jié)點(diǎn)軟件流程

圖6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件流程設(shè)計(jì)

如果接收到簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求,則接收簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī),將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)服務(wù)器中．

4 系統(tǒng)測(cè)試

上位機(jī)服務(wù)器采用IIS,上位機(jī)軟件采用C/S模式,開發(fā)環(huán)境為VS2010,編程語言為C#,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用SQL Server 2012,當(dāng)用戶通過授權(quán)即用戶名和密碼登錄后,可以對(duì)當(dāng)前1周內(nèi)的每個(gè)精確的時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)采集指標(biāo)進(jìn)行查看,同時(shí)還可以對(duì)歷史上的各個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)以及決策信息進(jìn)行查看,用于作為當(dāng)前決策的參考,對(duì)于id 為1～5的節(jié)點(diǎn),其采集的部分信息如磷化合物含量和pH值在某個(gè)小時(shí)內(nèi)的平均值和真實(shí)值見表1,2.

從表1和表2可以看出,文中設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)和3G的海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的信息監(jiān)控,當(dāng)精度和維度相同時(shí),采集值和真實(shí)值之間的誤差較小,pH值的誤差為3.23%,磷化合物的誤差為1.17%,測(cè)量精度較高,而具有很強(qiáng)實(shí)用性．

表1 磷化合物含量監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 pH值監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 語

為了實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集,設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和3G通信技術(shù)的海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),首先設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體框圖,然后將傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn),分別對(duì)簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述,同時(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)表明文中方法能對(duì)海洋環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,具有成本低、功耗低以及布設(shè)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn),具有重大的意義．

[1] 姚泊.海洋環(huán)境概論[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[2] 卜志國.海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成與應(yīng)用研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2010.

[3] 張權(quán),王燕,韓海東,等. 物聯(lián)網(wǎng)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展[J].海洋技術(shù),2012,31(3):86-89.

[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] 孔祥洪,郭陽雪,楊渭,等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的近海環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用, 2012,31(12):30-32.

[6] 何世鈞,白凡,周文君. 海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)差分壓縮算法[J]. 測(cè)控技術(shù), 2013,32(8):36-38.

[7] Jeremy E, Lewis G, Deborah E. Fine-grained Network Time Synchronization Using Reference Boradcasts[C]//Fifth Symposium Operating Systems Design and Implementation, Boston： Massaehusetts, USA, 2001:1-2.

[8] 嚴(yán)萍, 張興敢, 柏業(yè)超, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安居系統(tǒng)[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué), 2012,48(1):26-32.

[9] 楊廣學(xué), 李鳳嬌, 慕香永,等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2010, 30(s2):300-302.

[10] 王偉, 王華奎.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工廠安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011,19(3):736-739.

[11] 柳平增, 畢樹生, 薛新宇, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011,19(9):2154-2156.

[12] 劉唐, 彭艦, 楊進(jìn), 等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通流探測(cè)技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2011,38(9): 67-70.

[13] 雷文禮, 邵婷婷. 基于ZigBee的污水無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水電能源科學(xué), 2011, 29(4):158-160.

[14] 孟德軍,林志貴,鐘晴晴.污水處理控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,30(1):84-88.

[15] 劉強(qiáng),崔莉,陳海明. 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010,37(6):1-10.

(責(zé)任編輯 蘇曉東)

Design of Real-time Monitoring System of Ocean Environment Based on Internet of Things

CHEN Zuo-cong

(College of Electronics and Information Engineering, Qiongzhou University, Sanya 572022, China)

Aiming at avoiding and reducing the ocean disasters owing to the higher risk of pollutions to the ocean, a real-time monitoring system of ocean environment based on internet of things and 3G communication technology is proposed. The system framework is designed and the system is divided into the sensor layer, the network layer and the application layer, network is organized as clusters Hardware frame is designed for the software cluster head sensor node, cluster member sensor node and internet of things gateway, and software flow is described for cluster head sensor node, cluster member sensor node and internet of things gateway. The system test shows that the present approach can monitor the ocean environment information in real time, and has the advantages of low cost, low energy consumption and simple arrangement.

internet of thing; monitoring; 3G communication; ocean environment

1004-8820(2015)04-0308-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.04.014

2014-11-10

三亞市院地科技合作項(xiàng)目(2014YD11)．

陳作聰(1975- ),男,海南樂東人,教授, 碩士, 研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)．

TP393

A