陳作聰

(瓊州學院電子信息工程學院,海南 三亞 572022)

應用技術

海洋環(huán)境實時物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設計

陳作聰

(瓊州學院電子信息工程學院,海南 三亞 572022)

為了避免和減少海洋環(huán)境生態(tài)受污染的風險逐漸加劇而導致海洋災害經(jīng)常發(fā)生,設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術和3G通信技術的海洋環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng).首先,設計了海洋環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖,將系統(tǒng)分為感知層、應用層和網(wǎng)絡層,然后將監(jiān)測區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡按照層次型路由協(xié)議劃分為簇,對簇頭傳感器節(jié)點、簇成員傳感器節(jié)點和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關節(jié)點均進行了硬件設計,同時對簇頭傳感器節(jié)點、簇成員傳感器節(jié)點和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關節(jié)點進行了軟件流程設計．實驗表明文中方法能對海洋環(huán)境信息進行實時監(jiān)控,具有成本低、功耗低以及布設簡單優(yōu)點．

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

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高,人類對海洋的開發(fā)利用也越來越大,海洋環(huán)境生態(tài)受污染的風險和程度也逐漸加劇,這導致海洋災害經(jīng)常發(fā)生,當海洋災難發(fā)生時不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響,同時可能導致生命安全受到威脅[1]．因此,對海洋環(huán)境生態(tài)進行實時有效的監(jiān)控具有重要意義[2-3]．

目前已有的對海洋環(huán)境生態(tài)進行監(jiān)控的研究主要有:文獻[4]設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),在系統(tǒng)中引入了嵌入式計算、3G通信、GIS空間信息處理以及無線傳感器網(wǎng)絡等技術,實時了海洋環(huán)境狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測．文獻[5]設計了一個基于移動傳感器節(jié)點的淺海海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),將移動傳感器節(jié)點采集到的海洋環(huán)境信息通過發(fā)送到基站,并通過全球定位系統(tǒng)(GPS)定位移動傳感器節(jié)點的真實地理位置．文獻[6]針對海洋監(jiān)控系統(tǒng)中,由于節(jié)點能量有限不能及時得到補充,而影響的網(wǎng)絡生命周期問題,設計了一種基于二叉樹的壓縮編碼算法實現(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備或技術,如二維碼識別設備、射頻(RFID)裝置、紅外感應器、激光掃描技術、無線通信技術和GPS等,并通過約定的協(xié)議,實現(xiàn)任意物體與互聯(lián)網(wǎng)的連接,從而實現(xiàn)任意信息之間的信息交換以及智能化識別、監(jiān)控、定位、跟蹤和管理[8-14]．

因此,本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術、3G通信和的海洋環(huán)境動態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng),實驗證明該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境的實時監(jiān)控,同時具有能耗低、布線方便和成本低廉的優(yōu)點．

1 系統(tǒng)總體設計框圖

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個特征,將文中設計的基于物聯(lián)網(wǎng)和3G通信技術的海洋生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層,見圖1.

從圖1中可以看出,文中系統(tǒng)主要包含下列幾個部分.

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

(2)網(wǎng)絡層:主要是由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關構成,主要實現(xiàn)協(xié)議轉換,即實現(xiàn)3G網(wǎng)絡與監(jiān)測區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換,以及3G網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)之間的協(xié)議轉換．

(3)應用層：主要是指開發(fā)的監(jiān)控中心軟件,用戶和相關監(jiān)測部分可以通過移動電話、個人PC授權訪問監(jiān)控中心軟件,以對海洋環(huán)境的實時監(jiān)測信息進行查看和分析．

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點硬件

由于監(jiān)測區(qū)域中的感知網(wǎng)絡采用自組織的分簇層次結構網(wǎng)絡,因此,將整個監(jiān)測區(qū)域分為若干子區(qū)域,每個小區(qū)域可以看作一個簇,一個簇包含簇頭節(jié)點和簇成員節(jié)點,簇成員節(jié)點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,簇頭節(jié)點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)關命令,對接收的簇頭數(shù)據(jù)進行融合再通過無線射頻模塊發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關．

位于海洋監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點硬件主要包含存儲器、微控制器、傳感器、無線通信模塊和能量供應模塊,見圖2.

圖2 傳感器節(jié)點硬件

傳感器節(jié)點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、有機污染物、磷化合物等信息.因此,海洋信息采集傳感器節(jié)點需要配備不同類型傳感器以實現(xiàn)不同信息的實時監(jiān)控傳感器節(jié)點的微控制器采用TI公司的采用ZigBee無線通信協(xié)議的并符合IEEE802.15.4標準的第2代CC2531片上系統(tǒng)芯片,其內(nèi)部集成了8051控制器,當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控制器進行處理和存儲,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,當簇頭收集完一個周期的數(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．

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關硬件

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關即基站,主要是實現(xiàn)3G網(wǎng)絡與監(jiān)測區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換以及互聯(lián)網(wǎng)與3G網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換,接收簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)并對其進行處理,去除冗余信息,然后將其通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到上位機服務器．

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

圖3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關硬件

Fig.3 Hardware frame for internet of things gateway

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關由于負責進行3種協(xié)議之間的相互轉換,因此,其包含3個網(wǎng)絡接口: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種模式之間進行自動切換,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的存儲單元,具有功耗低、價格低和性能高的優(yōu)點,并實現(xiàn)了MMU、AMBA#BUS和HARVARD的高速緩沖體系結構．

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點軟件設計

監(jiān)測區(qū)域中的傳感器節(jié)點可以分為2類:即簇成員節(jié)點和簇頭節(jié)點．

簇成員節(jié)點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、有機污染物、磷化合物等信息,然后將其發(fā)送給簇頭節(jié)點,引入節(jié)點休眠機制,即節(jié)點在沒有接到簇頭節(jié)點的命令時,進入低功耗模式即周期性地休眠和主動喚醒,當接收到簇頭節(jié)點的命令后被動喚醒進入工作階段,接受簇頭節(jié)點的控制命令,然后開始進行數(shù)據(jù)采集直至休眠又重新開始進入低功耗模式,見圖4.

簇頭節(jié)點的主要功能是接收簇成員節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行融合處理,并通過無線射頻模塊發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關,同時接收由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關發(fā)送的控制命令,并將控制命令轉發(fā)給簇成員節(jié)點,簇頭節(jié)點的軟件流程見圖5.

3.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關軟件流程設計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關主要負責實現(xiàn)3G網(wǎng)絡與無線傳感器網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換以及互聯(lián)網(wǎng)與3G網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換,并對不同的通信協(xié)議進行轉換,具體工作流程為不斷監(jiān)聽串口,見圖6.

如果接收到上位機的控制命令請求,則接收控制命令請求,并對該控制命令進行解析,通過無線射頻模塊發(fā)送給簇頭節(jié)點.

圖4 簇成員節(jié)點軟件流程圖

圖5 簇頭節(jié)點軟件流程

圖6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關軟件流程設計

如果接收到簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)轉發(fā)請求,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)絡或者互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給上位機,將采集的數(shù)據(jù)存儲在上位機服務器中．

4 系統(tǒng)測試

上位機服務器采用IIS,上位機軟件采用C/S模式,開發(fā)環(huán)境為VS2010,編程語言為C#,數(shù)據(jù)庫服務器采用SQL Server 2012,當用戶通過授權即用戶名和密碼登錄后,可以對當前1周內(nèi)的每個精確的時間點對應的各項采集指標進行查看,同時還可以對歷史上的各個時間段對應的指標參數(shù)以及決策信息進行查看,用于作為當前決策的參考,對于id 為1～5的節(jié)點,其采集的部分信息如磷化合物含量和pH值在某個小時內(nèi)的平均值和真實值見表1,2.

從表1和表2可以看出,文中設計的基于物聯(lián)網(wǎng)和3G的海洋環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)能實時地實現(xiàn)對海洋環(huán)境的信息監(jiān)控,當精度和維度相同時,采集值和真實值之間的誤差較小,pH值的誤差為3.23%,磷化合物的誤差為1.17%,測量精度較高,而具有很強實用性．

表1 磷化合物含量監(jiān)測結果

表2 pH值監(jiān)測結果

5 結 語

為了實現(xiàn)海洋環(huán)境的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集,設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和3G通信技術的海洋環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng),首先設計了系統(tǒng)總體框圖,然后將傳感器節(jié)點劃分為簇頭傳感器節(jié)點和簇內(nèi)傳感器節(jié)點,分別對簇頭傳感器節(jié)點和簇內(nèi)傳感器節(jié)點的硬件和軟件設計進行了描述,同時對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行了軟硬件設計,實驗表明文中方法能對海洋環(huán)境信息進行實時監(jiān)控,具有成本低、功耗低以及布設簡單優(yōu)點,具有重大的意義．

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(責任編輯 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目(2014YD11)．

陳作聰(1975- ),男,海南樂東人,教授, 碩士, 研究方向為無線網(wǎng)絡技術．

TP393

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