基于物聯網的紫外線遠程監測技術研究

張金良++擁措

摘 要：文中設計選擇韓國UVM-30A紫外線傳感器，通過ZigBee自組網技術實現紫外線數據在局域網的傳播。通過比較蟻群-粒子群優化群智能結合的路由算法與AODVjr算法和Cluster-Tree路由算法，使得紫外線采集數據能選擇最優路由路徑傳遞，從而延長了系統的使用壽命。遠程傳輸選擇SIM800作為GPRS模塊，GPRS模塊實現數據的遠程傳輸，并且在上位機的顯示界面上實現數據的實時顯示和存儲。通過實驗驗證，蟻群-粒子群優化智能群算法的收斂時間更短，更具有普適性。

關鍵詞：物聯網技術；紫外線傳感器；GPRS模塊；遠程傳輸

中圖分類號：TP802 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

物聯網技術是一種新興技術，已快速占領了諸多領域。物聯網以無線傳感器技術、計算機網絡技術和嵌入式技術為基礎發展而來[1]，未來可幫助人類解決更多的問題，更好地為人類服務。國際電信聯盟在2005年的世界互聯網發展年度報告中提出《物聯網》，報告詳細地介紹了物聯網的定義并給出美國等一些國家物聯網案例的研究和發展戰略。2009年，美國IBM公司提出了“智慧地球”的目標，同時中國也提出了“感知中國”戰略。預計到2035年，中國的無線傳感器網絡終端將達到千億個，而到2050年，傳感器將占據人們的生活。而這就是物聯網中智能設備的規模效應。

隨著網絡的發展，傳感器的普遍應用以及移動通信和衛星定位技術等日益完善、相互結合，極大地促進了物聯網的蓬勃發展。物聯網有狹義和廣義之分，狹義的定義是將海量電子設備與互聯網進行互聯的大規模虛擬網絡接入技術；而廣義則是無所不含的信息服務。物聯網的核心和本質是互聯網，是物與物相連，同時還應用了識別技術、傳感器技術和無線傳輸技術等，物聯網還包括物與物之間的介質、信息共享和智能感知[2，3]。物聯網的蓬勃發展帶來了一次新的產業變革。無線網絡、傳感器網絡、GPRS網絡等內容也包含在物聯網內。現有的對于物聯網的研究和實際應用已經改變了人們的生活。

在紫外線的“日盲區”，由于軍事攻擊目標的紫外線輻射強于太陽的紫外線輻射，因此目標很容易暴露，可將該基于物聯網的紫外線遠程監測技術用于戰術導彈的預警[4， 5]。由于西藏大學環境物理研究所的太陽紫外線觀測站在日喀則，而目前采取的紫外線數據采集方法是把紫外線接收器放到要監測的區域，定期去當地采集紫外線傳感器接收的數據，把數據從接收器中下載到電腦上。這樣不僅消耗了大量的人力物力，還不能實時監測紫外線數據，尤其在監測過程中無法及時得知儀器的損壞情況。對于以上問題，本文提出了基于物聯網技術的紫外線數據遠程傳輸系統，該系統使用紫外線傳感器來接收紫外線數據，然后通過ZigBee自組網方式將數據傳遞到ZigBee協調器，再通過ZigBee協調器的GPRS模塊傳遞到上位機，在上位機上能時刻監測到紫外線的動態，并且有助于研究所對數據進行分析。這樣既能夠減少紫外線數據采集所需的人力和物力，還能實時監測紫外線的動態。本文的重點在于數據的采集、傳輸與存儲以及在ZigBee自組網中路由最優路徑的選擇算法比較。

1 傳統路由尋優算法

1.1 AODVjr路由算法

AODV是一種按需路由協議。當一個節點要傳遞信息到目的節點時，如果沒有到達目的節點的路由，則必須先以多播的形式發出RREQ（路由請求）報文，RREQ報文中記錄著發起點和目的節點的網絡層地址，距離近的節點收到路由請求后先判斷自己是否為目的節點，若是則停止傳輸，并且發送一個路由回應；若不是，則在路由表中查找目的地址。如果有，則單播回復到源節點，否則繼續發送路由請求。無線自組網按需平面距離矢量路由協議（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）是應用于無線網狀網絡（也稱作無線Mesh網絡）中進行路由選擇的路由協議，它能夠實現單播和多播路由。AODV協議是Ad Hoc網絡中按需生成路由方式的典型協議，它是反應式路由協議，當先發送數據包到目的節點時，源節點開始在網絡中查找目的節點路由。相反的，一般的因特網都是先驗式的，并不依賴于路徑上的節點發包，而是通過每個節點的路由表來查找路由路徑。節點間不斷交換路由信息使得對于自身的路由表能及時更新，可與網絡拓撲變化一致，也能在路由路徑尋優時很好的進行尋址。通過協議的名稱我們能很直觀的了解到，無線自組網按需平面距離矢量路由協議是一種平面距離矢量路由協議。

在AODV協議中，只有需求建立連接時才能激活處于靜態的網絡，使其運作起來。需要建立連接時，網絡節點會發送一個連接請求，緊鄰的其它AODV節點轉發請求信息，同時在自己的路由表中記錄源節點和回到源節點的臨時路由。當連接請求的節點發現目的節點的路由時，這個路由信息就會被連接的臨時路由發送給源節點。源節點通過由其它節點發回的目的節點路由來選擇最優的路徑到達目的節點。當連接的路由路徑斷掉后，路由會報錯給源節點，然后源節點重新發起路由查找的功能。

AODV協議的路由算法是AODVjr算法，其特點為支持多種拓撲結構，只有目的節點才能發送路由應答包，通信效率高，同時刪除了路由錯誤包、前驅列表以及周期性發送的Hello包來規避廣播風暴。只有在需要傳輸數據時才會建立路由過程。

1.2 Cluster-Tree算法

Cluster-Tree算法是應用在以協調器節點為根的樹簇型網絡拓撲結構中，拓撲結構不包含路由表，只有樹的末葉才是終端設備，其余都是全功能設備。當終端設備要傳遞信息到另一個節點時，需先把數據包傳遞到父節點，由父節點進行路由路徑的查找。當一個網絡地址要通過網絡深度節點把數據傳到目的節點時，要先確定目的節點是否為這個網絡地址的下屬節點，若是，則直接進行數據轉發，下一跳就是目的網絡地址的節點；若不是，則這個網絡地址節點要先把數據包傳遞給父節點，父節點以自己的名義進行路由路徑的查找。

Cluster-Tree算法為樹型結構，可分層遍歷節點，能夠很快的找到目的節點。其優點在于可以很好的減少數據的冗余度和源節點的發射功率，缺點是距離根節點近的節點需要進行數據的大量轉發，因此功耗很大，而且算法不具有自適應能力，不能自我調整，所以這種算法選擇的路由路徑不一定最優。

1.3 AODVjr算法和Cluster-Tree算法結合

本設計采用將樹簇型拓撲結構、AODVjr算法和Cluster-Tree算法相結合的方法。為提高紫外線傳感器數據監測的準確性，在采集點布置大量的傳感器，按照樹簇型網絡拓撲結構布置紫外線傳感器。ZigBee網絡與其它無線傳感器網絡相比有很強的自組織能力、很好的穩定性以及極高的可靠性。網絡預先給加入網絡的設備分配網絡地址，由協調器來決定是否讓新的無線傳感器加入網絡，成功加入后可獲得唯一的網絡地址，以此來與別的節點區分。路由節點所能分配的地址空間Mskip（a）滿足公式（1）和公式（2）。

3 實驗結果和分析

本設計模擬選擇100個硬件設備，ZigBee組網采用樹簇型拓撲結構，通過比較數據傳遞的時間和準確性來比較兩種路由算法。通過比較得出，在數據到達最終協調器時，蟻群和粒子群算法相結合形成的優化群智能算法要比AODVjr算法和Cluster-Tree算法相結合的時間短。總體而言，優化群智能算法的結合對數據傳遞更有優越性。兩種路由算法的比較結果如圖2所示。

由圖2可知，不同的組合算法收斂時間不一樣。可由圖看出，蟻群與粒子群算法結合的收斂速度快，隨著網絡節點個數的增加，優勢更明顯。

4 結 語

本設計結合西藏特殊的地理環境和氣候，基本完成了對基于物聯網的紫外線遠程監測技術研究。前期準備工作查閱了大量的文獻資料，并和西藏大學太陽能實驗室的老師深入了解了紫外線采集的方式和用處，最終選擇采用物聯網技術來實現紫外線采集的遠程傳輸和監測。

ZigBee組網技術和GPRS技術實現了紫外線無線傳感器網絡的短距離傳輸和遠程傳輸。經比較，紫外線傳感器選用UVM-30A，ZigBee模塊選擇CC2530核心板，GPRS模塊選擇SIM800模塊，由此實現了紫外線數據的采集和傳輸功能。

參考文獻

[1]孫繼平.煤礦安全監控系統聯網技術研究[J].煤炭學報，2009，34（11）：1546-1549.

[2]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]李曉維，徐勇軍，任豐原.無線傳感器網絡技術[M].北京：北京理工大學出版社，2007：1-5.

[4]何世鈞，陳中華，張雨，等.基于物聯網的海洋環境監測系統的研究[J].傳感器與微系統，2011，30（3）：13-15.

[5]朱曉榮，孫君，齊麗娜，等.物聯網與泛在通信技術[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6]付云朋，王宏力，候青劍.基于改進蟻群算法的故障樹最優檢測次序的研究[J]. 戰術導彈技術，2009，11（6）：23-25.

[7]Dorigo M， Gambardella L M. Ant Colony System： A Cooperative Learning Approach to the Traveling Salesman Problem[J]. IEEE Transactions on Evolutionary Computations， 1997， 1（1） ： 53-66.