李敬兆， 郭明明， 張曉明

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 計算機科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

森林資源范圍大，多處于遠離市區(qū)、通信設施及其他基礎設施較落后的區(qū)域，人工防護難度大。無線傳感器網(wǎng)絡的應用十分廣泛，傳統(tǒng)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點能耗不均衡，為保護森林的生態(tài)環(huán)境，解決傳統(tǒng)靜態(tài)網(wǎng)絡的缺點，設計針對森林防護監(jiān)測系統(tǒng)具有很大的價值和意義。

為解決傳統(tǒng)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡的“能量空洞”的問題，文獻〖2,3〗均提出了利用移動設備實現(xiàn)單跳通信的思想，以解決或緩解“能量空洞”的問題。但其移動匯聚節(jié)點是裝載在地面移動裝置，對于森林這類障礙物較多的區(qū)域，移動匯聚節(jié)點的移動性及其移動軌跡設計會受到很大的局限。錢志鴻等人提出了基于分簇機制的ZigBee混合路由能量優(yōu)化算法，利用傳感器網(wǎng)絡分簇機制通信方式，進行網(wǎng)絡能量優(yōu)化。文獻設定匯聚節(jié)點每次進行微小的移動，以平衡節(jié)點負載;但針對森林這種大范圍數(shù)據(jù)采集，應用性并不強。文獻根據(jù)中繼節(jié)點需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，在移動軌跡中位線上多次確定轉折點，設計移動軌跡，具有一定的實用性;但中位線劃分為固定的等分橫坐標，對縱坐標的軌跡拓展具有一定局限性，不能有效保證所有通信節(jié)點單跳連接。故本文設計了相對橫坐標中位線法確定轉折點，以此優(yōu)化文獻中移動路徑。

本文使用無人機嵌入移動匯聚節(jié)點，設計了地空交互多感融合森林防護監(jiān)測系統(tǒng)，給出了完善的地空交互系統(tǒng)監(jiān)測方案，給傳感器網(wǎng)絡各方面性能帶來了很大提升，為傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展注入了新的活力。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設計

地空交互多感融合森林防護監(jiān)測系統(tǒng)，由無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡和上位機管理中心組成。如圖1所示，傳感器網(wǎng)絡主要是實現(xiàn)網(wǎng)絡的組建和感知數(shù)據(jù)的采集，傳感器節(jié)點在傳統(tǒng)ZigBee協(xié)議基礎上基于無人機移動通信協(xié)議組構建Mesh網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)可根據(jù)環(huán)境要求，使用U盤或無線設備傳至上位機管理中心。

圖1 森林防護監(jiān)測系統(tǒng)

上位機管理中心主要由控制室和通信室兩部分組成?？刂剖邑撠熆刂粕直O(jiān)測系統(tǒng)的工作流程，以及根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析，及時對森林采取相應的防護措施，通信室負責與傳感器系統(tǒng)的通信，同時負責數(shù)據(jù)信息的發(fā)布，可根據(jù)數(shù)據(jù)性能要求，選擇用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(user datagram protocol,UDP)，消息隊列遙測傳輸協(xié)議(message queuing telemetry transport,MQTT)等基本協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET平臺，并可以在中移2018年推出的“和物”上制作相應森林防護APP，實現(xiàn)隨時隨地的森林防護數(shù)據(jù)監(jiān)控。

1.2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡設計

地空交互多感融合森林防護監(jiān)測系統(tǒng)，其中傳感系統(tǒng)包括地面?zhèn)鞲衅鞣执叵到y(tǒng)和地空傳感器交互系統(tǒng)。根據(jù)森林地形環(huán)境等因素，將溫濕度(SHT10)、光照強度(TSL2560)、CO2濃度(GSSCZO—SK)和煙霧濃度(MQ—2)等傳感節(jié)點合理部署在森林中，以采集森林的環(huán)境參數(shù)。對地面?zhèn)鞲衅鬟M行分簇設計，各簇中均有固定的簇頭節(jié)點，接收簇內成員的數(shù)據(jù)并完成融合處理。

將匯聚節(jié)點嵌入在無人機上，實現(xiàn)空中移動匯聚節(jié)點。地面固定簇頭節(jié)點接收自身簇內傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合處理，并將處理后的有效數(shù)據(jù)發(fā)送至通信節(jié)點。通過控制，無人機與地面通信節(jié)點接近至一定范圍內，無人機只需與通信節(jié)點進行網(wǎng)絡通信，即可將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)傳至無人機，予以保存。無人機飛往下一個分簇中的通信節(jié)點處并與其完成通信，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直至完成整塊森林采集數(shù)據(jù)的接收。

無人機除了嵌入移動匯聚節(jié)點，完成傳感數(shù)據(jù)的接收,還搭載了基于51單片機的紅外熱成像模塊、攝像模塊。無人機在完成數(shù)據(jù)接收的飛行過程中，同時采集圖像數(shù)據(jù)，從而獲得更全面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集階段完成后，空中移動匯聚節(jié)點同上位機進行通信，將數(shù)據(jù)上傳。

1.3 上位機設計

本文監(jiān)控平臺通過OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺)來實現(xiàn)將采集到的森林數(shù)據(jù)參數(shù)同OneNET對接，在云平臺上創(chuàng)建森林防護項目，設計相應的設備管理和應用管理。

設備管理中可以看到設備信息及其連接狀態(tài)。通過網(wǎng)絡調試助手與服務器建立連接：IP地址為183.230.40.33，端口號為80，并根據(jù)創(chuàng)建項目的api-key和設備ID，可以將設備的位置信息發(fā)送至OneNET。在設備管理中，數(shù)據(jù)流展示下的森林監(jiān)測位置(forest monitoring location)，可以標記顯示森林的地圖及其設備的位置信息。數(shù)據(jù)流展示中還可以顯示傳感器設備采集的其他數(shù)據(jù)。

應用管理可以自定義設計森林防護監(jiān)控界面，對采集到的數(shù)據(jù)進行界面顯示，并添加噴水、噴藥和無人機啟動等控件,同時具有攝像圖和熱紅外圖展示區(qū)。根據(jù)這些圖片通過深度學習和數(shù)據(jù)處理，可判斷森林是否存在火災隱患。其中應用紅外熱成像的優(yōu)勢在于，其可以有效地穿透云霧、煙霧、雨水等惡劣環(huán)境，拍攝出清晰的圖像。

監(jiān)控中心通過折線圖和柱狀圖等方式，顯示森林環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)流。開關控件用以控制無人機工作狀態(tài)，以及根據(jù)森林環(huán)境閾值參數(shù)報警系統(tǒng)，控制相應的噴水、農(nóng)藥開關，智能采取防火救火、避免蟲害等防護措施。在界面最左側設置跳轉鏈接，可添加森林安全隱患分析、森林防火案例等任意網(wǎng)頁鏈接。

2 地面固定節(jié)點間通信

2.1 地面固定分簇結構建立

本文地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡基于分簇機制，結合空中移動匯聚節(jié)點設計地空交互通信協(xié)議。簇中節(jié)點分為協(xié)調器、簇頭、通信節(jié)點、備用節(jié)點和簇成員，并用節(jié)點標志位r來標記各個節(jié)點。

圖2 地面?zhèn)鞲衅鞔氐男纬?/p>

圖2分析簇結構形成過程中,a節(jié)點作為網(wǎng)絡協(xié)調器，且為該區(qū)域簇頭，其自身標志位r記為0。固定簇頭節(jié)點a自組織地與該區(qū)域其他節(jié)點連接，形成邏輯簇，并廣播通知確定各節(jié)點類型。其他簇成員接到簇頭廣播后，確定各自節(jié)點類型，同時設置自身標志位。其中確定剩余能量最多的節(jié)點b為通信節(jié)點，負責與空中移動匯聚節(jié)點進行通信，標記位r設置為1；除簇頭和通信節(jié)點外剩余能量較高的節(jié)點c為備用節(jié)點，標記位設置為2，其他均為普通簇成員，標記位r設置為3。最終各區(qū)域節(jié)點形成各自邏輯簇。

2.2 功能節(jié)點更新及簇內通信

當簇頭節(jié)點剩余能量低于設置閾值時，會選用備用節(jié)點作為新的簇頭節(jié)點，標志位r由2變?yōu)?。新簇頭節(jié)點會在該簇成員中選擇剩余能量最多的節(jié)點作為新的備用節(jié)點，而原簇頭節(jié)點成為普通簇成員，標志位r由0變?yōu)?。同理，當通信節(jié)點剩余能量低于設置閾值時，簇頭廣播備用節(jié)點為新的通信節(jié)點，標志位由2變?yōu)?。原通信節(jié)點變?yōu)槠胀ù爻蓡T，標志位由1變?yōu)?，并選擇新的備用節(jié)點。以此使得地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡各節(jié)點能耗更均衡，延長網(wǎng)絡生命周期。

由通信節(jié)點與空中移動匯聚節(jié)點完成廣播對接及數(shù)據(jù)傳輸，可緩解簇頭的能量消耗。簇內通信由子節(jié)點向父節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，直至簇頭完成簇內數(shù)據(jù)接收處理，并將處理后的有效數(shù)據(jù)發(fā)送至通信節(jié)點。

3 地空靜動節(jié)點間通信

3.1 無人機初始化

無人機移動匯聚節(jié)點沿著固定軌跡移動，周期性地向所有傳感器節(jié)點廣播信標信號。在無人機軌跡附近的所有節(jié)點都接收信標消息，空中移動匯聚節(jié)點分析各簇內信息，記錄各區(qū)域簇的大小，并針對通信節(jié)點進行標記以及記錄其位置等信息。即無人機在以后數(shù)據(jù)接收工作中只需與通信節(jié)點進行通信，可實現(xiàn)對整個區(qū)域的森林數(shù)據(jù)采集。

3.2 地面簇頭與空中移動匯聚節(jié)點通信

為了確定通信節(jié)點和移動匯聚節(jié)點之間何時連接〖10〗問題，無人機在遍歷工作過程中，沿著移動路徑進行周期性地廣播，表示其處于連接活動狀態(tài)。通信節(jié)點則根據(jù)這個廣播信號來確定移動匯聚節(jié)點是否處于連通范圍。確認連通時，通信節(jié)點將開始向移動匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。移動匯聚節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后會對通信節(jié)點回執(zhí)收到信號，以便通信節(jié)點確定數(shù)據(jù)已經(jīng)被可靠傳送〖11〗。之后，通信節(jié)點便可以對已經(jīng)傳送的數(shù)據(jù)包緩存進行清除。

4 空中移動匯聚節(jié)點路徑規(guī)劃

本文如果無人機只進行簡單的直線移動，將不能有效接收所有通信節(jié)點的數(shù)據(jù)。通信節(jié)點為使數(shù)據(jù)能傳送至空中無人機移動匯聚節(jié)點，簇間也會進行部分通信，部分通信節(jié)點成為中繼節(jié)點。如圖3(a)中的中繼節(jié)點包括自身節(jié)點數(shù)據(jù)在內，最多需傳輸6組數(shù)據(jù)，這些中繼節(jié)點能量消耗會相對較高，從而影響整個監(jiān)測系統(tǒng)生命周期。要設計無人機移動路徑，即確定無人機在移動過程中的轉折點。如圖3為移動路徑中轉折點的確定，無人機從A處移動至B處，可將整個監(jiān)測的簇群縱坐標劃分為3等份，并設置轉折點為橫坐標的中位線上的其中一點，即橫坐標已確定。并根據(jù)與無人機路徑附近的中繼節(jié)點所需傳輸數(shù)據(jù)的量，來判定轉折點的具體位置，如圖3中，不同轉折點對應的中繼節(jié)點需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最大值分別為6，7，4，10個，故圖3(c)中路徑對應網(wǎng)絡負載更均衡，第一個轉折點也即相應確定。之后，可以將網(wǎng)絡分成兩個簇群〖12〗，路徑可看成兩條線段?？梢酝ㄟ^此方法添加新的轉折點來優(yōu)化無人機的移動路徑。

圖3 移動匯聚節(jié)點移動路徑中轉折點的確定

如圖4為相對橫坐標中位線法來確定新的轉折點。

圖4 移動匯聚節(jié)點相對橫坐標中位線法尋找n次轉折點后路徑規(guī)劃

在圖4(c)中可看出，該方法在第一次尋找轉折點后，與等分橫坐標中位線法不同，只是簡單地以初始路徑作為橫坐標來劃分中位線，而是將新路徑作為橫坐標(如AC，CB)，分別取AC，CB的中位線作為各自的新縱坐標。再根據(jù)中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸量，來確定新的轉折點。該方法的好處在于打破固定橫坐標方向的局限性，即使得縱坐標的擴展性更強，移動路徑可延伸至監(jiān)測區(qū)域的任意位置。如圖4(d)，在4次尋找轉折點后，空中移動匯聚節(jié)點與所有通信節(jié)點均可實現(xiàn)單跳通信。延長了監(jiān)測網(wǎng)絡的生命周期，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 測試與分析

5.1 測試方案

為簡易實驗操作和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，實驗將網(wǎng)格布置為正方形區(qū)域。如圖5所示，將整個無線傳感器網(wǎng)絡設計成一個網(wǎng)格狀的布局結構。每個節(jié)點都包含在固定的網(wǎng)格內,各網(wǎng)格中部署相關溫濕度、CO2、光照和煙霧濃度傳感器。每個網(wǎng)格相當于一個簇，都有其簇頭節(jié)點(x0，x1，…，x15)，數(shù)據(jù)分析時，簇頭節(jié)點可代表其網(wǎng)格中的其他簇成員節(jié)點的性能參數(shù)測試。無人機嵌入?yún)R聚節(jié)點實現(xiàn)空中移動匯聚節(jié)點，其移動軌跡如圖5中A→B→C→D。為控制變量，易于數(shù)據(jù)對比分析，將傳統(tǒng)靜態(tài)網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點定置于無人機初始位置A點的投影點X16處。準備好已嵌入?yún)R聚節(jié)點的無人機，檢測通信設備是否完好；運行后，記錄相關實驗數(shù)據(jù)，并分析。

圖5 無人機測試方案移動路線

分別在靜態(tài)網(wǎng)絡的固定匯聚節(jié)點和本文設計的移動匯聚節(jié)點條件下進行多輪實驗。分別采集了各個節(jié)點的溫濕度、能量消耗、數(shù)據(jù)包丟失率和時間延遲參數(shù)，以進行對比。結果如圖6所示。

圖6 實驗對比曲線

圖6(a)為各個節(jié)點經(jīng)過多輪數(shù)據(jù)采集后的平均溫濕度曲線。由于采集的時刻不同，采集數(shù)據(jù)略有不同，但從平均溫度和平均濕度均可看出，測試數(shù)據(jù)曲線非常接近。證明在移動匯聚節(jié)點條件下采集的數(shù)據(jù)，和在固定匯聚節(jié)點條件下一致，具有同樣的效果。

從圖6(b)可以看出：在固定匯聚節(jié)點條件下，節(jié)點距離匯聚節(jié)點越近，且越靠近實驗場景中間的能量消耗越大(如節(jié)點X1,X3,X4,X7,X8)；距離越遠，且遠離場景中間的節(jié)點能量消耗越小(如節(jié)點X9,X12和X15)。這是由于這些節(jié)點不僅要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，還要轉發(fā)其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此消耗的能量遠大于其他節(jié)點。其中從節(jié)點X1,X3,X4可看出，其較大能量消耗就是造成“能量空洞”的原因。這些高能量消耗的節(jié)點，將直接影響整個網(wǎng)絡的生命周期。從移動匯聚節(jié)點條件下的實驗可看出，各節(jié)點能量消耗相差變化不大。這是由于空中移動匯聚節(jié)點是通過單跳通信接收數(shù)據(jù)，使得各節(jié)點能量消耗相對均勻。改善了實驗在固定匯聚節(jié)點條件下的“能量空洞”問題。

在圖6(c)中，匯聚節(jié)點在接收數(shù)據(jù)時，會有部分節(jié)點的數(shù)據(jù)丟失。在固定匯聚節(jié)點條件下，各簇中數(shù)據(jù)包丟失率相差較大，其中通信的跳數(shù)較多的節(jié)點(如X9，X15等節(jié)點)，其數(shù)據(jù)更容易丟失，數(shù)據(jù)包丟失率相對較大。移動匯聚節(jié)點條件下，實現(xiàn)單跳通信，接收數(shù)據(jù)包的丟失率普遍低于固定匯聚節(jié)點，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能得到相應提升。

數(shù)據(jù)遞交延遲〖13〗指從數(shù)據(jù)報文產(chǎn)生到被匯聚節(jié)點成功接收的時間間隔。圖6(d)表明，固定匯聚節(jié)點情況下，時延曲線較為陡峭，各節(jié)點延時時間變化大，這也是各節(jié)點與固定匯聚節(jié)點的距離相差較大導致的。在移動匯聚節(jié)點方案中具有一定數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定時延，接收數(shù)據(jù)包的時延曲線相對較為平緩。

5.2 結果分析

通過測試數(shù)據(jù)，可以更合理部署相關傳感器，合理規(guī)劃出測試環(huán)境中，無人機的運行軌跡和飛行高度〖14〗等。從圖6(a)的溫濕度對比可看出，采用兩種方案均可完成基本的數(shù)據(jù)傳輸和采集任務。圖6(b)，圖6(c)分別從節(jié)點的能量消耗和數(shù)據(jù)包丟失率兩方面，得出系統(tǒng)使用移動匯聚節(jié)點的性能得到提升。在圖6(d)中可看出，采用移動匯聚節(jié)點仍具有一定的平均時延，針對本文是對森林防護進行監(jiān)測，1～2天完成1次數(shù)據(jù)采集即可，對實時性要求并不高，故對本文監(jiān)測系統(tǒng)的性能影響相對較小。由實驗數(shù)據(jù)可得，本文監(jiān)測系統(tǒng)在完成監(jiān)測功能的基礎上，性能方面較傳統(tǒng)靜態(tài)網(wǎng)絡也得到了很大的提升。

6 結 論

實驗結果表明，本文設計的森林監(jiān)測系統(tǒng)具有高應用性，使得物聯(lián)網(wǎng)技術與森林防護完美結合，體現(xiàn)了現(xiàn)代發(fā)展的智能化。下一步將考慮在不同環(huán)境多測幾組實驗數(shù)據(jù)，保存至數(shù)據(jù)庫，即可在不同環(huán)境中，搜索相應數(shù)據(jù)參數(shù)用以對比分析，提高本文監(jiān)測系統(tǒng)的應用性。