一種基于物聯(lián)網(wǎng)的海上氣象傳輸系統(tǒng)設(shè)計

黃斌文

(海南政法職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系,海南 海口 571100)

一種基于物聯(lián)網(wǎng)的海上氣象傳輸系統(tǒng)設(shè)計

黃斌文

(海南政法職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系,海南 海口 571100)

摘要：在海洋航運業(yè)中，對氣候變化的準(zhǔn)確快速獲取是保證其安全行駛的關(guān)鍵要素之一。海洋氣候具有變化速度快﹑氣溫不穩(wěn)定的特性，對其信息的準(zhǔn)確高精度采集及有效傳輸是海上氣象系統(tǒng)的重要研究方向。本文分析了近年來熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將無線傳輸器與傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用到海面氣象傳輸系統(tǒng)的設(shè)計中。最后對氣象傳輸系統(tǒng)中的無線路由算法(LEACH)進行了分析及優(yōu)化。最后通過仿真實驗得到優(yōu)化后的海上氣象傳輸系統(tǒng)的性能有較大的提升。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感網(wǎng)絡(luò)；LEACH

0引言

海上氣候數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時的獲取事關(guān)船舶海上航行的安全，而海面氣象變幻莫測，對氣象數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確的獲取是海上氣象傳輸系統(tǒng)的重要研究方向。同時，由于海面噪聲，通信信道的多經(jīng)干擾等因素，對傳輸系統(tǒng)造成一定的干擾，所以設(shè)計一個穩(wěn)定的﹑精確度高及實時性好的海上氣象傳輸系統(tǒng)是海上航運業(yè)務(wù)必不可少的組成部分。

本文重點分析物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)及自適應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對影響海面船舶航行過程中各氣象要素進行了采集，并設(shè)計了基于無線通信協(xié)議的海面氣象傳輸系統(tǒng)。在路由算法方面，分析整個系統(tǒng)各節(jié)點之間的冗余能量以及海面氣象傳輸系統(tǒng)各節(jié)點之間的距離，對現(xiàn)有的分簇自適應(yīng)路由算法LEACH進行優(yōu)化并融入傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，降低了海面氣象傳輸系統(tǒng)的能耗，同時，提高了整個系統(tǒng)的生命周期及數(shù)據(jù)吞吐量。

最后本文對優(yōu)化后的LEACH算法進行仿真實驗，驗證算法的有效性。

1基于物聯(lián)網(wǎng)的海面氣象傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1　物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)一般分為數(shù)據(jù)信息采集層、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層、上層應(yīng)用層3個部分。其模型如圖1所示。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure diagram of internet of things

1)數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層也稱為感知層，它將各種類型的傳感器放置于目標(biāo)物體之上，用于采集需要的各種類型數(shù)據(jù)，并把實物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號進行保存及發(fā)送。如在海面氣象輸出系統(tǒng)中，利用溫度傳感器﹑濕度傳感器等對海面氣象要素進行采集。

2)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層

利用現(xiàn)有的成熟無線通信網(wǎng)絡(luò)，如3G﹑4G﹑GPRS等對數(shù)據(jù)采集層采集的信息進行傳輸。同時，根據(jù)具體的應(yīng)用場景及信道模型選擇具體的組網(wǎng)模型及路由算法。

3)上層應(yīng)用

現(xiàn)有的基于物聯(lián)網(wǎng)體系在海洋方面的應(yīng)用已有海洋氣象傳輸系統(tǒng)﹑海洋運輸調(diào)度系統(tǒng)及作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)等，并且還在不斷地深入到其他應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2　海面氣象傳輸系統(tǒng)

海面氣象傳輸系統(tǒng)利用已有的氣象傳感設(shè)備及海面通信技術(shù)對影響船舶航行中的各種氣象要素進行信息的采集﹑分類﹑整理及傳輸。最后信息被船舶調(diào)度中心接收，并用來對船舶的出航及行駛進行具體的調(diào)度指導(dǎo)。

在此，本文根據(jù)海面通信傳輸特點，依據(jù)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了海面氣象數(shù)據(jù)采集﹑傳輸及檢測網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，部署了各種氣象要素傳感器，負(fù)責(zé)海洋氣象環(huán)境各要素信息的采集，同時在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部構(gòu)建了基于上層策略分發(fā)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，使各要素信息通過最短路徑通過無線組網(wǎng)發(fā)送至上層指控中心。系統(tǒng)組網(wǎng)如圖2所示。

圖2　海上氣象傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2　The structure of marine weather transmission system

2改進型LEACH算法

2.1　傳統(tǒng)LEACH算法

LEACH算法是一種利用分層原理，將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按順序進行排列，并且重新以簇為單位，對節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)劃分。其中每一簇中所有節(jié)點選擇一個簇頭對其他節(jié)點進行監(jiān)控，同時簇頭的選擇在整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)循環(huán)進行，具有很好的負(fù)載均衡性。

LEACH算法的具體步驟分為系統(tǒng)初始化狀態(tài)及系統(tǒng)工作后的穩(wěn)定狀態(tài)2種。

1)初始化階段

初始化時，首先選取每簇的簇頭節(jié)點，先設(shè)定一個判斷閥值Tn， 把簇內(nèi)各節(jié)點依次進行排序，產(chǎn)生一個0~1的數(shù)ti，若ti

Tn=p1-p×(rmod1p>)> ，n∈M，

0，other。

(1)

式中：p為簇中節(jié)點被選中為簇頭的概率分布；r為選取的次數(shù)；M為在此前所有輪循中還沒有被選為簇頭的所有節(jié)點集合。

由式(1)可知，當(dāng)某一節(jié)點在一輪中被選中為簇頭，則下一次被選中的概率為0，而其他沒被選中的節(jié)點判斷閥值Tn會變大，概率p同會上升。當(dāng)簇頭節(jié)點確定后，在同一簇中，其他節(jié)點把所有采集數(shù)據(jù)通過CSMA MAC方式匯聚到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至其他組件。所以，在簇內(nèi)部，每輪信息的搜集發(fā)送及其他節(jié)點都是在簇內(nèi)通過廣播形式傳輸，并不與外界通信，有效節(jié)省了能源。

2.2　改進的LEACH算法

第2.1節(jié)中的算法雖然在整體上改進了整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功耗，但是整個簇內(nèi)信息的對外發(fā)送都是通過簇頭節(jié)點進行，導(dǎo)致單個節(jié)點的通信容量過大，從而一方面會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，另一方面也會延長數(shù)據(jù)的傳輸時間，縮短了氣象傳輸系統(tǒng)的生命周期。在此，本文針對海洋氣象傳輸?shù)木唧w應(yīng)用環(huán)境，提出了改進型的LEACH算法。

本文主要對第2.1節(jié)的算法進行以下2方面的改進：一是對簇頭的選擇，參考了與簇內(nèi)其他節(jié)點的距離參數(shù)；二是利用傳感器采集數(shù)據(jù)的融合技術(shù)。

1)優(yōu)化后的簇頭節(jié)點選擇算法

簇頭節(jié)點的選擇綜合考慮簇頭與簇內(nèi)其他節(jié)點的平均能耗以及節(jié)點與通信網(wǎng)關(guān)的距離。可得到簇內(nèi)第i個節(jié)點的概率

pi=Eip1+1Di>p2，

(2)

式中，Ei為此節(jié)點的能量值；Di為此節(jié)點與無線通信網(wǎng)關(guān)的距離；p1和p2為正的系數(shù)，并且滿足p1+p2=1。

由式(1)可知，對于簇內(nèi)節(jié)點，其能量越大，與無線通信網(wǎng)關(guān)的距離越短，其被選則為簇頭節(jié)點的概率也越大。

2)傳感器采集數(shù)據(jù)的融合

傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中重要的技術(shù)之一，目的在于去除冗余數(shù)據(jù)，提高采集精度。本文采取二值均方差加權(quán)系數(shù)法，按照均值最小原則，選擇簇內(nèi)各節(jié)點與簇頭節(jié)點的最優(yōu)系數(shù)。

X^=∑np=1WpXp,∑np=1Wp=1。

(3)

由于估計均值X^為無偏變量，有：

E[(X-Xp)(X-Xq)]=0，(p≠q;p,q=1,2,…n)。

(4)

最后得到加權(quán)均方差為：

(5)

改進型的LEACH算法在初始化狀態(tài)過程中，與傳統(tǒng)算法的區(qū)別在于一輪中被當(dāng)選為簇頭的節(jié)點會向其他節(jié)點發(fā)送自身能量信息以及與無線通信網(wǎng)關(guān)的距離信息來為下一輪簇頭節(jié)點的選擇做準(zhǔn)備。這樣使簇內(nèi)節(jié)點信息內(nèi)部傳輸以及簇內(nèi)與物聯(lián)網(wǎng)其他組件傳輸?shù)哪芎淖钚　?/p>

同樣，在工作狀態(tài)，簇內(nèi)各節(jié)點需要先進行數(shù)據(jù)融合，再與外部進行通行。

改進型的LEACH算法如圖3所示。

圖3　改進后算法流程圖Fig.3　The flow chart of improved algorithm

3算法仿真

3.1　仿真參數(shù)設(shè)計

在本仿真模型中，利用Matlab對傳統(tǒng)LEACH算法及改進后的LEACH算法進行了仿真。海面氣象傳輸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：

1)氣象傳感器節(jié)點為100個，分為10簇。

2)單個氣象傳感器初始能量E0=0.8J。

3)信息在傳輸及接收時，簇內(nèi)各傳感器節(jié)點能耗Eiec=62nJ/b。

5)傳感器采集信息大小每次為2 000 b。

3.2　仿真結(jié)果

在本次試驗中，對傳統(tǒng)LEACH算法與改進后的LEACH算法在簇節(jié)點生命周期及簇中所有節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)量進行仿真比較，如圖4所示。

圖4　節(jié)點生命周期曲線圖Fig.4　The curve of node lifetime

圖5　節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)量曲線圖Fig.5　The curve of node data transmission

由圖4和圖5可看出，改進后的LEACH算法無論在節(jié)點生命周期及簇內(nèi)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)量方面都有一定的提高。

4結(jié)語

本文研究了現(xiàn)有的基于物聯(lián)網(wǎng)的海上氣象傳輸系統(tǒng)模型，將無線傳輸器與傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用到海上氣象傳輸系統(tǒng)的設(shè)計中。針對系統(tǒng)耗能較高，傳輸數(shù)據(jù)效率較低的情況，改進了傳統(tǒng)的LEACH算法，并在此基礎(chǔ)上融合了傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)。最后通過仿真證明了改進算法的有效性。

參考文獻：

[1]SHI Lan,MIAO Qi-long,DU Jing-lin.Architecture of wireless sensor networks for environmental monitoring[J].International Workshop on Education Technology and Training,2008:579-582.

[2]芮震峰,應(yīng)榮熔.北冰洋航行應(yīng)用天文導(dǎo)航的問題及對策[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(2):8-13.

RUI Zhen-feng,YING Rong-rong.Problems and solutions of celestial navigation in the arctic ocean[J].Ship Acience and Technology,2014,36(2):8-13.

[3]馬永龍,謝紅勝.美國海軍基于戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)的災(zāi)害性天氣探測及顯示系統(tǒng)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(4):147-150.

MA Yong-long,XIE Hong-sheng.Hazardous weather detection and display system based on tactical radar for US navy ships[J].Ship Science and Technology,2014,36(4):147-150.

[4]CHACZKO Z,KLEMPOUS R,NIKODEM J.Application of cooperative ffSN in homecare systems broadband communi-cations[C]//Information Technology & Biomedical Applic-ations, 2008 Third International Conference on Digital Object Identifier,2008:215-220.

A marine weather transmission system based on the internet of things

HUANG Bin-wen

(Information Technology Department,Hainan Vocational College of Political

Science and Law,Haikou 571100,China)

Abstract：In the ocean shipping industry, to obtain meteorological data accurately and timely is one of the key elements to the safety of navigation. This paper analyzes the recent popular technology of the internet of things, apply the wireless transmitter and sensor network design the sea surface meteorological transmission system. At last, the paper improved wireless routing algorithm-LEACH.

Key words：internet of things;WSN;LEACH

作者簡介：黃斌文( 1983 - ) ，男，碩士，副教授，主要從事計算機應(yīng)用、數(shù)字化校園、圖像處理研究。

收稿日期：2014-06-23； 修回日期： 2014-07-18

文章編號：1672-7649(2015)02-0224-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.051

中圖分類號：P409

文獻標(biāo)識碼：A