海洋环境实时物联网监控系统设计

陈作聪

(琼州学院电子信息工程学院,海南 三亚 572022)

应用技术

海洋环境实时物联网监控系统设计

陈作聪

(琼州学院电子信息工程学院,海南 三亚 572022)

为了避免和减少海洋环境生态受污染的风险逐渐加剧而导致海洋灾害经常发生,设计了一种基于物联网技术和3G通信技术的海洋环境实时监控系统.首先,设计了海洋环境实时监控系统总体框图,将系统分为感知层、应用层和网络层,然后将监测区域的无线传感器网络按照层次型路由协议划分为簇,对簇头传感器节点、簇成员传感器节点和物联网网关节点均进行了硬件设计,同时对簇头传感器节点、簇成员传感器节点和物联网网关节点进行了软件流程设计．实验表明文中方法能对海洋环境信息进行实时监控,具有成本低、功耗低以及布设简单优点．

物联网;监控;3G通信;海洋环境

随着经济的发展和人们生活水平的提高,人类对海洋的开发利用也越来越大,海洋环境生态受污染的风险和程度也逐渐加剧,这导致海洋灾害经常发生,当海洋灾难发生时不仅造成了巨大的经济损失和社会影响,同时可能导致生命安全受到威胁[1]．因此,对海洋环境生态进行实时有效的监控具有重要意义[2-3]．

目前已有的对海洋环境生态进行监控的研究主要有:文献[4]设计了一种基于物联网的海洋环境监控系统,在系统中引入了嵌入式计算、3G通信、GIS空间信息处理以及无线传感器网络等技术,实时了海洋环境状态的动态监测．文献[5]设计了一个基于移动传感器节点的浅海海洋环境监控系统,将移动传感器节点采集到的海洋环境信息通过发送到基站,并通过全球定位系统(GPS)定位移动传感器节点的真实地理位置．文献[6]针对海洋监控系统中,由于节点能量有限不能及时得到补充,而影响的网络生命周期问题,设计了一种基于二叉树的压缩编码算法实现原始数据压缩,并通过差分编码降低数据误码率．

物联网(Internet of Things)[7]是一种实现物与物相连、人与物相连以及人与人相连的重要方式,ITU将物联网定义为通过一系列信息感知设备或技术,如二维码识别设备、射频(RFID)装置、红外感应器、激光扫描技术、无线通信技术和GPS等,并通过约定的协议,实现任意物体与互联网的连接,从而实现任意信息之间的信息交换以及智能化识别、监控、定位、跟踪和管理[8-14]．

因此,本文设计了一种基于物联网技术、3G通信和的海洋环境动态实时监控系统,实验证明该系统不仅能实现海洋生态环境的实时监控,同时具有能耗低、布线方便和成本低廉的优点．

1 系统总体设计框图

按照物联网[15]所具有全面感知、可靠传递和智能处理的3个特征,将文中设计的基于物联网和3G通信技术的海洋生态环境实时监控系统分为感知层、网络层和应用层,见图1.

从图1中可以看出,文中系统主要包含下列几个部分.

(1)感知层:由布置在海洋环境的实时采集数据的传感器节点构成,它们通过无线自组织的方式组成无线传感器网络,并通过层次式的分簇协议将网络划分为簇,以最大限度地降低能耗和提高网络生命周期．

(2)网络层:主要是由物联网网关构成,主要实现协议转换,即实现3G网络与监测区域的无线传感器网络之间的协议转换,以及3G网络与互联网之间的协议转换．

(3)应用层：主要是指开发的监控中心软件,用户和相关监测部分可以通过移动电话、个人PC授权访问监控中心软件,以对海洋环境的实时监测信息进行查看和分析．

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点硬件

由于监测区域中的感知网络采用自组织的分簇层次结构网络,因此,将整个监测区域分为若干子区域,每个小区域可以看作一个簇,一个簇包含簇头节点和簇成员节点,簇成员节点的主要功能是采集数据或者接受命令,并将采集的数据发送给簇头节点,簇头节点的主要功能是接收所在簇的簇成员发送的数据或者接受物联网网关命令,对接收的簇头数据进行融合再通过无线射频模块发送给物联网网关．

位于海洋监测环境中的传感器节点硬件主要包含存储器、微控制器、传感器、无线通信模块和能量供应模块,见图2.

图2 传感器节点硬件

传感器节点的感知单元即传感器主要采集海洋中的各类信息如温度、pH值、重金属含量、有机污染物、磷化合物等信息.因此,海洋信息采集传感器节点需要配备不同类型传感器以实现不同信息的实时监控传感器节点的微控制器采用TI公司的采用ZigBee无线通信协议的并符合IEEE802.15.4标准的第2代CC2531片上系统芯片,其内部集成了8051控制器,当传感器采集了海洋环境数据信息后经过ADC通信通道采样,再经过8051控制器进行处理和存储,然后通过CC2531片上系统芯片的2.4 GHz RF射频收发器将信息采用无线通信方式发送所在区域的簇头节点,当簇头收集完一个周期的数据后,将数据通过无线射频模块发送给物联网网关．

2.2 物联网网关硬件

物联网网关即基站,主要是实现3G网络与监测区域的无线传感器网络之间的协议转换以及互联网与3G网络之间的协议转换,接收簇头发送的数据并对其进行处理,去除冗余信息,然后将其通过互联网发送到上位机服务器．

物联网网关的硬件组成包含微控制器、存储器、无线接口、有线接口以及能量供应模块,见图3.

图3 物联网网关硬件

Fig.3 Hardware frame for internet of things gateway

物联网网关由于负责进行3种协议之间的相互转换,因此,其包含3个网络接口:有线的以太网模块、无线的无线射频器和3G模块．

以太网芯片采用支持IEEE802.3x全双工流量控制和半双工流量控制的DM9000,支持8位、18位以及32位的内部存储器访问接口,物理协议层采用完全符合IEEE 802.3u规格的10 Mbps的下3类、4类和5类非屏双绞线和100 Mbps的非屏蔽双绞线．

3G模块采用华为公司开发的MU103,它支持GPRS/EDGE和TD-SCDMA/HSDPA 2种模式之间进行自动切换,支持UMTS2100/900和GSM/GPRS 850/900/1800/1900频段,1路USIM卡接口和2路ADC接口,2路UART接口和接口速率高达3.25 Mbps．

微控制器采用三星公司推出的16/32位微处理器,采用ARM920t的内核和0.13 μm的CMOS的存储单元,具有功耗低、价格低和性能高的优点,并实现了MMU、AMBA#BUS和HARVARD的高速缓冲体系结构．

3 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

监测区域中的传感器节点可以分为2类:即簇成员节点和簇头节点．

簇成员节点的主要功能是周期性地采集海洋环境中的温度、pH值、重金属含量、有机污染物、磷化合物等信息,然后将其发送给簇头节点,引入节点休眠机制,即节点在没有接到簇头节点的命令时,进入低功耗模式即周期性地休眠和主动唤醒,当接收到簇头节点的命令后被动唤醒进入工作阶段,接受簇头节点的控制命令,然后开始进行数据采集直至休眠又重新开始进入低功耗模式,见图4.

簇头节点的主要功能是接收簇成员节点发送的数据,对数据进行融合处理,并通过无线射频模块发送给物联网网关,同时接收由物联网网关发送的控制命令,并将控制命令转发给簇成员节点,簇头节点的软件流程见图5.

3.2 物联网网关软件流程设计

物联网网关主要负责实现3G网络与无线传感器网络之间的协议转换以及互联网与3G网络之间的协议转换,并对不同的通信协议进行转换,具体工作流程为不断监听串口,见图6.

如果接收到上位机的控制命令请求,则接收控制命令请求,并对该控制命令进行解析,通过无线射频模块发送给簇头节点.

图4 簇成员节点软件流程图

图5 簇头节点软件流程

图6 物联网网关软件流程设计

如果接收到簇头节点的数据转发请求,则接收簇头发送的数据,并将该数据通过3G网络或者互联网发送给上位机,将采集的数据存储在上位机服务器中．

4 系统测试

上位机服务器采用IIS,上位机软件采用C/S模式,开发环境为VS2010,编程语言为C#,数据库服务器采用SQL Server 2012,当用户通过授权即用户名和密码登录后,可以对当前1周内的每个精确的时间点对应的各项采集指标进行查看,同时还可以对历史上的各个时间段对应的指标参数以及决策信息进行查看,用于作为当前决策的参考,对于id 为1～5的节点,其采集的部分信息如磷化合物含量和pH值在某个小时内的平均值和真实值见表1,2.

从表1和表2可以看出,文中设计的基于物联网和3G的海洋环境实时监控系统能实时地实现对海洋环境的信息监控,当精度和维度相同时,采集值和真实值之间的误差较小,pH值的误差为3.23%,磷化合物的误差为1.17%,测量精度较高,而具有很强实用性．

表1 磷化合物含量监测结果

表2 pH值监测结果

5 结 语

为了实现海洋环境的实时监控和数据采集,设计了一种基于物联网和3G通信技术的海洋环境实时监控系统,首先设计了系统总体框图,然后将传感器节点划分为簇头传感器节点和簇内传感器节点,分别对簇头传感器节点和簇内传感器节点的硬件和软件设计进行了描述,同时对物联网网关进行了软硬件设计,实验表明文中方法能对海洋环境信息进行实时监控,具有成本低、功耗低以及布设简单优点,具有重大的意义．

[1] 姚泊.海洋环境概论[M]. 北京:化学工业出版社, 2007.

[2] 卜志国.海洋生态环境监测系统数据集成与应用研究[D].青岛:中国海洋大学,2010.

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[5] 孔祥洪,郭阳雪,杨渭,等. 基于物联网的近海环境监测系统的研究与设计[J].微型机与应用, 2012,31(12):30-32.

[6] 何世钧,白凡,周文君. 海洋环境实时监控系统差分压缩算法[J]. 测控技术, 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] 严萍, 张兴敢, 柏业超, 等. 基于物联网技术的智能安居系统[J]. 南京大学学报：自然科学, 2012,48(1):26-32.

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[15] 刘强,崔莉,陈海明. 物联网关键技术与应用[J].计算机科学,2010,37(6):1-10.

(责任编辑 苏晓东)

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

三亚市院地科技合作项目(2014YD11)．

陈作聪(1975- ),男,海南乐东人,教授, 硕士, 研究方向为无线网络技术．

TP393

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