丁曉波，吳 凡，龔國強

（三峽大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

水利設(shè)施和水電工程等人類活動對河流中的魚類生存繁衍產(chǎn)生了巨大的影響，為了有效地保護(hù)野生魚類資源，以及開展相關(guān)研究，需要對野外的魚類活動進(jìn)行監(jiān)測和追蹤，掌握其活動軌跡，從而有針對性地開展研究和保護(hù)工作。魚類標(biāo)識和追蹤技術(shù)經(jīng)歷了傳統(tǒng)的魚鰭夾片、冷凍貼標(biāo)、編碼金屬標(biāo)、噴涂標(biāo)記等方式，發(fā)展到現(xiàn)代無線電標(biāo)簽、聲學(xué)標(biāo)簽、射頻標(biāo)簽等信息技術(shù)手段。目前信息化監(jiān)測手段雖然在監(jiān)測方式上實現(xiàn)了非接觸的自動獲取，但由于監(jiān)測點分散，仍然采用設(shè)備獲取數(shù)據(jù)本地化保存，人工讀取數(shù)據(jù)再分析的工作模式。這種模式下，科研人員工作強度大、系統(tǒng)實時性差、效率低下，難以滿足科研工作的需要，不利于對魚類研究和保護(hù)工作的深入開展。

造成這一問題的主要原因在于，野外魚類監(jiān)測的通信條件和供能條件都難以保證數(shù)據(jù)交換需要，信息處理的方式還沒有從單機模式轉(zhuǎn)變到聯(lián)網(wǎng)運行的模式上來。本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，重點解決野外環(huán)境下RFID 魚類監(jiān)測設(shè)備適應(yīng)性和靈活性問題，研制具有更好滿足野外復(fù)雜條件下部署的RFID 監(jiān)測設(shè)備，采用LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)，設(shè)計滿足野外大范圍數(shù)據(jù)傳輸要求的轉(zhuǎn)發(fā)策略，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上報到互聯(lián)網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)平臺，打通魚類監(jiān)測點與科研人員之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，構(gòu)建完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，有效地滿足了野外魚類監(jiān)測研究和保護(hù)數(shù)據(jù)的多監(jiān)測點、大數(shù)據(jù)量、位置相關(guān)、時間相關(guān)、實時性等需求，為魚類監(jiān)測與保護(hù)等研究提供了有效的技術(shù)手段，也為物聯(lián)網(wǎng)在野外條件的監(jiān)測應(yīng)用提供了典型案例。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵問題

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)按照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的架構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。

（1）感知層，主要是采用RFID 技術(shù)，將微型RFID 標(biāo)簽通過注射方式注入到待監(jiān)測的魚體內(nèi)，登記相關(guān)信息后，將魚放回待監(jiān)測水域，然后在不同監(jiān)測點部署標(biāo)簽監(jiān)測讀取設(shè)備。通過監(jiān)測設(shè)備的地理位置、時間以及監(jiān)測到的標(biāo)簽信息等作為魚類活動的感知數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層，主要負(fù)責(zé)完成感知數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)，由于在野外缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)施作為支撐，從感知層接入互聯(lián)網(wǎng)的通信過程需要由感知設(shè)備通過一定的轉(zhuǎn)發(fā)方案發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入點，從而完成感知層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)連接。

（3）應(yīng)用層，主要對野外相關(guān)水域各監(jiān)測點上傳的魚類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和存儲，并根據(jù)監(jiān)測點相關(guān)參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和整理，從而形成待監(jiān)測流域或區(qū)間的魚類活動數(shù)據(jù)集，為進(jìn)一步開展行為分析和應(yīng)用研究提供支持。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 需要解決的關(guān)鍵問題

由于野外環(huán)境下不同水體的監(jiān)測條件區(qū)別很大，不同環(huán)境下部署天線的截面積、引線長度、周圍環(huán)境的干擾、水體的流動、魚類的聚集和游速等，都會對RFID 設(shè)備工作產(chǎn)生較大的影響。目前能夠采購到的相關(guān)RFID 設(shè)備在大尺寸天線支持、調(diào)諧便捷性等方面很難滿足要求，因此對于感知層設(shè)備，需要針對野外的監(jiān)測環(huán)境，研發(fā)專用的魚類監(jiān)測裝備。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層主要完成數(shù)據(jù)傳輸功能，由于對魚類進(jìn)行監(jiān)測的地點是在野外，最具有可用性的就是移動通信網(wǎng)絡(luò)，但移動通信網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋的范圍往往只能在近郊區(qū)域或水壩附近區(qū)域，難以滿足更廣闊區(qū)域的通信需要。因此，還要解決野外環(huán)境下數(shù)據(jù)的傳輸問題，以便能夠?qū)⒈O(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)及時可靠地接入互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而傳送給應(yīng)用層平臺。系統(tǒng)應(yīng)用層功能主要包括兩方面：一是完成數(shù)據(jù)的收集和存儲；二是對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地分析。從而形成對魚類行為的描述和特征表達(dá)，為科學(xué)研究和魚類保護(hù)提供依據(jù)。但由于監(jiān)測點較多、通信路徑復(fù)雜、野外條件下的設(shè)備工作穩(wěn)定性難以保證等因素，使得獲取的數(shù)據(jù)存在一些質(zhì)量問題，如噪聲、數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)錯誤、數(shù)據(jù)重復(fù)、數(shù)據(jù)不完整等，需要根據(jù)地點、時間、重復(fù)性等多方面手段進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和整理，從而為更高效數(shù)據(jù)分析提供有價值的數(shù)據(jù)支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 魚類專用RFID 監(jiān)測設(shè)備研發(fā)

RFID 監(jiān)測設(shè)備包括魚身體里注射的標(biāo)簽、監(jiān)測點的閱讀器、相應(yīng)的電源模塊三部分。其中標(biāo)簽通過與天線的電感耦合完成與閱讀器的能量和數(shù)據(jù)交互，通過標(biāo)簽的ID號來標(biāo)識被注射該標(biāo)簽的魚，并結(jié)合環(huán)境參數(shù)、地理位置參數(shù)等生成相應(yīng)活動記錄數(shù)據(jù)。監(jiān)測設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

閱讀器是監(jiān)測設(shè)備的核心。當(dāng)魚類進(jìn)入天線的電感耦合范圍后，魚類身體中注入的標(biāo)簽通過射頻載波獲取能量，并通過這些能量與閱讀器進(jìn)行交互，將其自身標(biāo)簽編號發(fā)送給閱讀器，閱讀器收到數(shù)據(jù)后結(jié)合其地理位置、時間、氣溫、水溫以及工作狀態(tài)參數(shù)等形成一次完整的數(shù)據(jù)采集。閱讀器主要包括以下部件：射頻前端、天線及諧振器、控制器，環(huán)境傳感器、通信模塊、串行通信、電源部件。射頻前端是射頻信號產(chǎn)生并進(jìn)行射頻信號交換的重要部件，采用了TI 公司的RI-RFM-007B 射頻模塊，該模塊可通過控制接口進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)交換，并提供了諧振狀態(tài)的檢測接口。

天線是閱讀器與標(biāo)簽交換能量和信息的通道，由于野外河道或魚道的尺寸千差萬別，因此要根據(jù)監(jiān)測點的實際情況來繞制天線，同時還得滿足射頻系統(tǒng)的諧振參數(shù)要求，需要根據(jù)天線電感量的不同串聯(lián)相應(yīng)的諧振電容。為了保證天線諧振電路的靈活性，系統(tǒng)采用多諧振電容串、并聯(lián)方式組成調(diào)諧部件，該部件的電容參數(shù)可通過跳線的方法進(jìn)行調(diào)整，并在電路中設(shè)置可微調(diào)的電感，從而在滿足監(jiān)測點天線尺寸要求的同時，保證了與系統(tǒng)的諧振頻率匹配。

控制器是閱讀器管理和交換數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，本文采用STM32F103 微處理器作為控制器核心部件，控制器包含了環(huán)境檢測、電源檢測、地理位置檢測、數(shù)據(jù)交換接口等部件，主要完成對相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)、地理位置信息的收集，以及控制射頻前端完成對魚類射頻標(biāo)簽監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取。

電源部件為閱讀器提供所需的工作電壓支持，同時也對電源進(jìn)行監(jiān)測和參數(shù)獲取，主要完成電源模塊從12 V 電壓到控制器部分5 V、3.3 V 的電壓轉(zhuǎn)換。

外部的電源模塊為監(jiān)測設(shè)備提供電力支持，主要包括三個部分：蓄電池、充放電控制器和太陽能充電板。為保證系統(tǒng)供電的統(tǒng)一性，電源模塊采用12 V 鋰電池作為系統(tǒng)的供電核心，通過充放電控制器提供給閱讀器使用。由于監(jiān)測設(shè)備需要實現(xiàn)24 小時不間斷工作，為了保護(hù)其工作的連續(xù)性，在電源模塊中通過50 W 光伏發(fā)電板來進(jìn)行電能補充，白天光伏板為監(jiān)測設(shè)備供能的同時，還能夠為鋰電池進(jìn)行充電，夜間則完全由鋰電池為設(shè)備提供電能。

2.2 通信手段及策略

監(jiān)測設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)需要通過一定的通信手段傳送到數(shù)據(jù)處理平臺。該數(shù)據(jù)傳送過程中首先需解決監(jiān)測設(shè)備如何將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)的問題。在野外最便捷連接互聯(lián)網(wǎng)的方式是利用移動基站提供的3G 信號等移動廣域網(wǎng)信號接入，但當(dāng)設(shè)備處于基站信號無法覆蓋的區(qū)域時，則需要采取更加靈活的接入方式。

本文利用基于擴頻通信的LPWAN 技術(shù)LoRa 通信模塊作為非基站信號條件下的數(shù)據(jù)交換通道，當(dāng)監(jiān)測設(shè)備無法連接到基站信號時，通過點對點的通信方式與其鄰近的監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行通信，再由鄰近設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)給下一臺設(shè)備。通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)最終將數(shù)據(jù)送到移動信號可覆蓋的監(jiān)測點，完成數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)的功能。由于魚類監(jiān)測設(shè)備沿河道或魚道進(jìn)行部署，數(shù)據(jù)傳輸過程已具有一定的順序性，采用多跳結(jié)構(gòu)符合實際應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，能夠滿足實際應(yīng)用的需要。其通信方式如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸通信策略示意圖

圖中監(jiān)測設(shè)備編號為1 ～5，其中1 ～3 號設(shè)備可以直接通過基站接入互聯(lián)網(wǎng)，而設(shè)備4、5 則因距離太遠(yuǎn)，無法連接通信基站，只能通過鄰近的3 號監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺接入

物聯(lián)網(wǎng)平臺主要用于接收感知層獲取的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲和管理，然后為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)支持。目前可以采用服務(wù)器自建平臺方式或采用公共物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行定制的方式來完成相關(guān)環(huán)境的建設(shè)。本項目以O(shè)NENET 公共物聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行設(shè)備接入和數(shù)據(jù)接收存儲管理，然后通過該平臺的應(yīng)用開發(fā)接口實現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用程序的接入和數(shù)據(jù)處理。

在ONENET 平臺上，可以使用MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和接入，數(shù)據(jù)包根據(jù)上報數(shù)據(jù)串中的坐標(biāo)點和編號為依據(jù)進(jìn)行分類存儲，以保證無論數(shù)據(jù)是直接通過NB-IoT 方式上傳到平臺，還是通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式上傳到平臺，都能夠正確地識別和管理。

3 系統(tǒng)測試與評價

3.1 測試環(huán)境搭建

為了便于進(jìn)行相關(guān)功能和數(shù)據(jù)測試，在模擬的人工魚道環(huán)境進(jìn)行了測試工作，人工魚道內(nèi)寬60 cm，水深30 cm。測試對象為人工養(yǎng)殖15 ～20 cm 的小草魚活體，采用注射方式分別在魚體內(nèi)注入了不同編號的標(biāo)簽，用手持閱讀器讀取魚體內(nèi)標(biāo)簽，記錄標(biāo)簽編碼和對應(yīng)魚的特征后將魚苗投入人工魚道。監(jiān)測設(shè)備的天線在魚道中以垂直水面方式部署，天線采用1.5 mm2的多股絕緣線按60 cm×30 cm 的尺寸繞制3 圈，電感量約23 μH，通過調(diào)整與天線串聯(lián)的調(diào)諧模塊，使得天線達(dá)到諧振工作點。利用鋰電池給監(jiān)測設(shè)備提供電源支持，并通過光伏充電板作為輔助為電池提供充電和工作，在監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測串口接入計算機，觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取和傳輸?shù)认嚓P(guān)情況。

3.2 相關(guān)測試情況

保持外部環(huán)境的平穩(wěn)，調(diào)整魚道中水流速度為1 m/s，使魚在魚道中自由活動狀態(tài)較平穩(wěn)。啟動監(jiān)測設(shè)備，并通過計算機串口觀察固定在魚道中的RFID 天線數(shù)據(jù)讀取和物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)接收情況，通過NB-IoT 方式將設(shè)備直接接入ONENET 平臺，經(jīng)過48 小時測試，記錄試驗情況，見表1 所列。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)讀取情況

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及設(shè)備連續(xù)工作測試

取掉監(jiān)測設(shè)備通信模塊上的NB-IoT 模塊的SIM 卡，模擬NB-IoT 掉線狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信，利用LoRa 接收模塊的點對點通信，并記錄獲取的數(shù)據(jù)情況，同樣進(jìn)行48 小時測試，記錄試驗情況，見表2 所列。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)發(fā)情況

3.4 測試結(jié)果分析

由表1 和表2 的測試結(jié)果可以看到，監(jiān)測設(shè)備能夠完成連續(xù)的魚類監(jiān)測和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并在平臺上能夠正確獲取數(shù)據(jù)，證明系統(tǒng)具備連續(xù)工作的能力和可用性。雖然監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸后會存在一定的數(shù)據(jù)損失，但均小于數(shù)據(jù)總量的5%，而且丟失數(shù)據(jù)多為連續(xù)讀取時的數(shù)據(jù)，并未對數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生明顯影響。從兩表的數(shù)據(jù)丟失率看，數(shù)據(jù)直接由NB-IoT 傳送到平臺或者通過轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸至平臺，數(shù)據(jù)丟失率基本相同，因此通過轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)上報具有較好可用性。綜上證明了系統(tǒng)能夠滿足對野外魚類監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集、傳輸和應(yīng)用需要。

4 結(jié) 語

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在野外環(huán)境下的魚類監(jiān)測應(yīng)用為目標(biāo)，分析討論了現(xiàn)有分散式數(shù)據(jù)采集方式存在的主要問題，以及通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采用和應(yīng)用分析的優(yōu)勢。本文從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知、傳輸、應(yīng)用等三個層面分析了針對魚類監(jiān)測應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的解決方案。通過設(shè)備開發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)策略設(shè)計與系統(tǒng)搭建，實現(xiàn)了完整的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)模擬環(huán)境測試，系統(tǒng)能夠較穩(wěn)定地獲取監(jiān)測點的各類環(huán)境參數(shù)和魚體中的RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT 通信方式或轉(zhuǎn)發(fā)方式將數(shù)據(jù)上傳至ONENET 物聯(lián)網(wǎng)平臺，解決了野外環(huán)境下魚類監(jiān)測和數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺的問題。未來還需要在數(shù)據(jù)的本地化存儲、異步數(shù)據(jù)交換、多監(jiān)測天線支持、遠(yuǎn)程觸發(fā)和多設(shè)備協(xié)同監(jiān)測等方面開展深入研究工作，以解決多跳轉(zhuǎn)發(fā)過程的數(shù)據(jù)沖突和溢出丟失等問題，包括采用高效的重傳機制和存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略，更好地保障野外條件下監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效傳輸，減少數(shù)據(jù)丟失，確保系統(tǒng)的可用性。