一種多傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

一種多傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

0生態(tài)環(huán)境自適應(yīng)實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究隨著社會的發(fā)展，自然環(huán)境對人類社會的重要性越來越重要。因此，對不同大小的生態(tài)區(qū)域進行監(jiān)測，包括對水質(zhì)量、相對濕度、溫度、濕度、光線、噪聲和污染的監(jiān)測，已成為國內(nèi)外研究人員跟蹤的熱點之一，并取得了一些研究成果。文獻基于一種環(huán)境監(jiān)測流程的綜合挖掘方法,基數(shù)據(jù)倉庫和工作流挖掘技術(shù),構(gòu)建了土壤環(huán)境監(jiān)測綜合挖掘模型構(gòu)架;文獻制定了上海市環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理近期和中期規(guī)劃同時建立質(zhì)量管理信息共享平臺和質(zhì)量控制(qualitycontrol,QC)指標(biāo)評定體系;文獻綜述了化學(xué)計量學(xué)、計算機層析、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)譜圖解析、大氣污染物空間濃度分布監(jiān)測、被動式遙感監(jiān)測等方面研究成果;文獻基于ARM的S3C44BOX芯片為核心沒計的監(jiān)測儀的硬件電路,在μClinux環(huán)境下進行了監(jiān)測儀應(yīng)用程序的開發(fā)。但是,以上研究成果仍然存在一些不足。例如:文獻忽略了生態(tài)環(huán)境受到污染時的監(jiān)測和處理機制問題,文獻主要是研究數(shù)據(jù)融合和挖掘問題,并未涉及數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測問題。因此,本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),參考文獻所制定的QC指標(biāo)評定體系,提出了一種生態(tài)環(huán)境自適應(yīng)實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自組織方式形成由若干個分簇組成的多傳感器網(wǎng)絡(luò),基于移動Agent節(jié)點匯聚數(shù)據(jù),且依據(jù)二維定位表,經(jīng)ROSEN梯度投影法計算得到當(dāng)前最優(yōu)路由,提高數(shù)據(jù)匯聚效率同時降低數(shù)據(jù)傳輸能耗,增強監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性。1傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控方式基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)監(jiān)測模型,主要由四部分組成:數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點、移動代理Agent節(jié)點、控制中心。物聯(lián)網(wǎng)的分簇區(qū)域的自組織多傳感器網(wǎng)絡(luò)中,采用的傳感器節(jié)點包括各種水文傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等組成。此外,在所有傳感器上安裝無線短距離通信數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。分簇區(qū)域內(nèi)的多傳感器采集到各種類型的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)發(fā)送給該分簇的簇頭節(jié)點,或者可以檢測到的移動Agent節(jié)點,簇頭節(jié)點或移動Agent節(jié)點將搜集到的數(shù)據(jù)匯聚后轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心。傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)過一跳將數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭節(jié)點,而且該節(jié)點裝有污染源實時監(jiān)控功能模塊,可以監(jiān)測該節(jié)點圓形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否出現(xiàn)排污現(xiàn)象,并及時發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù),且該操作優(yōu)先級高于一般環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送,要求簇頭節(jié)點優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā),這樣就可以充分滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和環(huán)境污染源監(jiān)測實際需求。監(jiān)測傳感器節(jié)點采用嵌入式技術(shù)設(shè)計,該節(jié)點功能模塊包括:數(shù)據(jù)采集類型模塊、數(shù)據(jù)無線發(fā)射模塊、高效電源模塊、污染源實時監(jiān)控模塊以及移動Agent監(jiān)測模塊等部件,如圖1所示。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點根據(jù)監(jiān)測需求自適應(yīng)啟動相應(yīng)類型數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、采用集中數(shù)據(jù)采集方式,其工作流程如下:1)根據(jù)來自控制中心的監(jiān)測需求啟動相應(yīng)數(shù)據(jù)類型模塊,監(jiān)測數(shù)據(jù)類型有:各種水文數(shù)據(jù)采集模塊、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊、光照強度數(shù)據(jù)采集模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、濕度數(shù)據(jù)采集模塊等;2)周期性地啟動移動Agent發(fā)現(xiàn)模塊,若發(fā)現(xiàn),則將待發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)給移動Agent節(jié)點;3)周期性地啟動數(shù)據(jù)無線發(fā)射模塊,將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點;4)根據(jù)控制中心反饋的控制信息,周期性地啟動污染源實時監(jiān)控模塊,若發(fā)現(xiàn)污染現(xiàn)象,則轉(zhuǎn)(3);5)若該節(jié)點所處分簇內(nèi)的簇頭節(jié)點失效,則轉(zhuǎn)(2)。圖2給出了基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)部署情況。從圖2可以看出:監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)中,把監(jiān)測區(qū)域分為了若干個分簇區(qū)域,每個分簇內(nèi)擁有一個簇頭節(jié)點,此外整個網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置了若干個移動Agent節(jié)點,一方面實時收集各分簇簇頭節(jié)點匯聚的數(shù)據(jù),另一方面,避免某分簇簇頭節(jié)點失效,導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)盲點,致使網(wǎng)絡(luò)癱瘓,無法實時監(jiān)測。2基于傳感器節(jié)點時空關(guān)系的投加設(shè)計在每一個分簇內(nèi),傳感器節(jié)點與簇頭節(jié)點經(jīng)一跳即可傳輸數(shù)據(jù),無需路由選擇。但因為簇頭節(jié)點長時間接收數(shù)據(jù),能量消耗很大,當(dāng)簇頭節(jié)點失效后,其他傳感器節(jié)點無法與控制中心交換數(shù)據(jù)信息,處于癱瘓狀態(tài),因此,本文采用移動Agent節(jié)點作為備用簇頭節(jié)點接收數(shù)據(jù)。此時,存在一個最佳路由選擇問題。本節(jié)設(shè)定簇內(nèi)傳感器節(jié)點根據(jù)自身能耗實時建立二維定位表,該表包含時間和空間兩類數(shù)據(jù),然后采用ROSEN梯度投影法選擇最優(yōu)路徑,構(gòu)建移動方案,使移動Agent節(jié)點能在最短時間內(nèi)消耗相對最少的能量,到達癱瘓分簇并及時搜集其他傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù),然后轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心。根據(jù)ROSEN梯度投影法,構(gòu)建基于傳感器節(jié)點時空關(guān)系的投影矩陣。設(shè)M是m×n矩陣,秩為m,y為任意n維向量。令根據(jù)矩陣M,即可求出時間變量P、空間變量Q。Py為向量y在矩陣M的時間向量上所生成的子空間上的投影,即可得到P值;空間向量Qy表示向量y在M的零空間上的投影Qy,因此,結(jié)合式(2)和式(3)可得到空間變量Q值。移動Agent節(jié)點即可根據(jù)由P和Q組成的二維定位表選擇最佳路徑。3傳感器節(jié)點的設(shè)置1)根據(jù)監(jiān)測區(qū)域進行劃分而形成的用于采集生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的若干個分簇區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點采用無線自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2)若干個無線分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)之間通過簇頭節(jié)點連接通信,同時,簇頭節(jié)點具有匯聚數(shù)據(jù)功能,對其收集到的分簇區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行解析處理等;3)每個分簇區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點設(shè)置根據(jù)圖1所示模型構(gòu)成,包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、污染源實時監(jiān)控模塊、移動Agent探測模塊等組成。4)簇頭節(jié)點會定期收集本區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的實時能量和能耗信息,構(gòu)建一個基于ROSEN梯度投影的時空二維表,并把該表實時更新,當(dāng)該節(jié)點能量即將耗盡時,轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心;5)控制中心的主要工作是接收數(shù)據(jù),并向各簇頭節(jié)點反饋控制信息;此外,如果收到來自某分簇區(qū)域的簇頭節(jié)點發(fā)來的時空二維表,表明該簇頭節(jié)點即將失效,為了避免該分簇區(qū)域癱瘓,成為監(jiān)測盲區(qū),控制中心根據(jù)收到的時空二維表,選擇一個能量充足的備用節(jié)點作為移動Agent節(jié)點,根據(jù)最優(yōu)路徑向該分簇區(qū)域移動,并擔(dān)當(dāng)新的簇頭節(jié)點?；谖锫?lián)網(wǎng)的通信原理及其關(guān)鍵技術(shù),該監(jiān)測系統(tǒng)在傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點、移動Agent節(jié)點和控制中心的具體流程如圖3所示。4網(wǎng)絡(luò)能耗仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域范圍設(shè)定為1200m×800m,仿真時間為1500s,隨機部署50個傳感器節(jié)點,每10個傳感器節(jié)點組成一個分簇,故需要5個簇頭節(jié)點,1個控制中心,另外設(shè)定有5個移動Agent節(jié)點備用。實驗中,設(shè)定生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點及移動Agent節(jié)點具有相同的發(fā)射功率和通信距離,因為在一個分簇內(nèi)的10個傳感器節(jié)點采集不同類型的數(shù)據(jù)組成一個多傳感器網(wǎng)絡(luò),所以,實驗中假設(shè)它們的能量和發(fā)射數(shù)據(jù)的功率各不相同。傳感器節(jié)點通過無線鏈路傳輸數(shù)據(jù)時,信道速率為1Mbps,傳播時延是1.5μs,網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的數(shù)據(jù)包為8150bit,傳輸過程中的所有確認(rèn)信息和控制信息假設(shè)為400bit且固定不變。此外,對于時空二維定位表,時間變量P取值范圍為0～10s之間,空間變量Q取值范圍為0～50m之間,若根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)計算結(jié)果超出該范圍則認(rèn)為該節(jié)點無法與簇頭節(jié)點或移動Agent通信即節(jié)點死亡。圖4給出了該系統(tǒng)應(yīng)用于上述監(jiān)測區(qū)域時,1500s的監(jiān)測過程中仿真實驗和采用EM_IOT技術(shù)后網(wǎng)絡(luò)整體能耗變化規(guī)律對比。仿真實驗統(tǒng)計分析結(jié)果表明:網(wǎng)絡(luò)能耗在逐步增加,在700s時出現(xiàn)下降,這是因為有部分簇頭節(jié)點失效導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓,出現(xiàn)盲區(qū)。而此時,EM_IOT采用移動Agent代理機制,當(dāng)發(fā)現(xiàn)簇頭節(jié)點失效,即可移動至該分簇區(qū)域,保持?jǐn)?shù)據(jù)正常傳輸。圖5給出了一個分簇區(qū)域在1500s的實驗中吞吐量的變化情況。從中可以發(fā)現(xiàn),在700s后,因部分簇頭節(jié)點失效,導(dǎo)致其所在分簇內(nèi)的傳感器節(jié)點無法正常傳輸數(shù)據(jù),致使分簇吞吐量明顯下降,而EM_IOT機制可以有效改善這一點,只是在短時間內(nèi)出現(xiàn)下降,很快恢復(fù)正常,這主要是因為采用了移動Agent方案。一個移動Agent節(jié)點在1500s中的能耗情況和移動過程中所耗時間情況如圖6和圖7所示。對比兩圖可以發(fā)現(xiàn),該節(jié)點在900s左右,對于EM_IOT而言,其能耗明顯降低,這是因為此時根據(jù)ROSEN梯度投影法根據(jù)時空二維定位表找到最優(yōu)路徑,可以在短時間內(nèi)到達癱瘓的分簇區(qū)域,重構(gòu)多傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。5移動業(yè)務(wù)支撐本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小和特征分為若干個分簇,每個分簇采用自組織方式進行通信,且每個傳感器節(jié)點具有生