基于物联网的紫外线远程监测技术研究

张金良++拥措

摘 要：文中设计选择韩国UVM-30A紫外线传感器，通过ZigBee自组网技术实现紫外线数据在局域网的传播。通过比较蚁群-粒子群优化群智能结合的路由算法与AODVjr算法和Cluster-Tree路由算法，使得紫外线采集数据能选择最优路由路径传递，从而延长了系统的使用寿命。远程传输选择SIM800作为GPRS模块，GPRS模块实现数据的远程传输，并且在上位机的显示界面上实现数据的实时显示和存储。通过实验验证，蚁群-粒子群优化智能群算法的收敛时间更短，更具有普适性。

关键词：物联网技术；紫外线传感器；GPRS模块；远程传输

中图分类号：TP802 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

物联网技术是一种新兴技术，已快速占领了诸多领域。物联网以无线传感器技术、计算机网络技术和嵌入式技术为基础发展而来[1]，未来可帮助人类解决更多的问题，更好地为人类服务。国际电信联盟在2005年的世界互联网发展年度报告中提出《物联网》，报告详细地介绍了物联网的定义并给出美国等一些国家物联网案例的研究和发展战略。2009年，美国IBM公司提出了“智慧地球”的目标，同时中国也提出了“感知中国”战略。预计到2035年，中国的无线传感器网络终端将达到千亿个，而到2050年，传感器将占据人们的生活。而这就是物联网中智能设备的规模效应。

随着网络的发展，传感器的普遍应用以及移动通信和卫星定位技术等日益完善、相互结合，极大地促进了物联网的蓬勃发展。物联网有狭义和广义之分，狭义的定义是将海量电子设备与互联网进行互联的大规模虚拟网络接入技术；而广义则是无所不含的信息服务。物联网的核心和本质是互联网，是物与物相连，同时还应用了识别技术、传感器技术和无线传输技术等，物联网还包括物与物之间的介质、信息共享和智能感知[2，3]。物联网的蓬勃发展带来了一次新的产业变革。无线网络、传感器网络、GPRS网络等内容也包含在物联网内。现有的对于物联网的研究和实际应用已经改变了人们的生活。

在紫外线的“日盲区”，由于军事攻击目标的紫外线辐射强于太阳的紫外线辐射，因此目标很容易暴露，可将该基于物联网的紫外线远程监测技术用于战术导弹的预警[4， 5]。由于西藏大学环境物理研究所的太阳紫外线观测站在日喀则，而目前采取的紫外线数据采集方法是把紫外线接收器放到要监测的区域，定期去当地采集紫外线传感器接收的数据，把数据从接收器中下载到电脑上。这样不仅消耗了大量的人力物力，还不能实时监测紫外线数据，尤其在监测过程中无法及时得知仪器的损坏情况。对于以上问题，本文提出了基于物联网技术的紫外线数据远程传输系统，该系统使用紫外线传感器来接收紫外线数据，然后通过ZigBee自组网方式将数据传递到ZigBee协调器，再通过ZigBee协调器的GPRS模块传递到上位机，在上位机上能时刻监测到紫外线的动态，并且有助于研究所对数据进行分析。这样既能够减少紫外线数据采集所需的人力和物力，还能实时监测紫外线的动态。本文的重点在于数据的采集、传输与存储以及在ZigBee自组网中路由最优路径的选择算法比较。

1 传统路由寻优算法

1.1 AODVjr路由算法

AODV是一种按需路由协议。当一个节点要传递信息到目的节点时，如果没有到达目的节点的路由，则必须先以多播的形式发出RREQ（路由请求）报文，RREQ报文中记录着发起点和目的节点的网络层地址，距离近的节点收到路由请求后先判断自己是否为目的节点，若是则停止传输，并且发送一个路由回应；若不是，则在路由表中查找目的地址。如果有，则单播回复到源节点，否则继续发送路由请求。无线自组网按需平面距离矢量路由协议（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）是应用于无线网状网络（也称作无线Mesh网络）中进行路由选择的路由协议，它能够实现单播和多播路由。AODV协议是Ad Hoc网络中按需生成路由方式的典型协议，它是反应式路由协议，当先发送数据包到目的节点时，源节点开始在网络中查找目的节点路由。相反的，一般的因特网都是先验式的，并不依赖于路径上的节点发包，而是通过每个节点的路由表来查找路由路径。节点间不断交换路由信息使得对于自身的路由表能及时更新，可与网络拓扑变化一致，也能在路由路径寻优时很好的进行寻址。通过协议的名称我们能很直观的了解到，无线自组网按需平面距离矢量路由协议是一种平面距离矢量路由协议。

在AODV协议中，只有需求建立连接时才能激活处于静态的网络，使其运作起来。需要建立连接时，网络节点会发送一个连接请求，紧邻的其它AODV节点转发请求信息，同时在自己的路由表中记录源节点和回到源节点的临时路由。当连接请求的节点发现目的节点的路由时，这个路由信息就会被连接的临时路由发送给源节点。源节点通过由其它节点发回的目的节点路由来选择最优的路径到达目的节点。当连接的路由路径断掉后，路由会报错给源节点，然后源节点重新发起路由查找的功能。

AODV协议的路由算法是AODVjr算法，其特点为支持多种拓扑结构，只有目的节点才能发送路由应答包，通信效率高，同时删除了路由错误包、前驱列表以及周期性发送的Hello包来规避广播风暴。只有在需要传输数据时才会建立路由过程。

1.2 Cluster-Tree算法

Cluster-Tree算法是应用在以协调器节点为根的树簇型网络拓扑结构中，拓扑结构不包含路由表，只有树的末叶才是终端设备，其余都是全功能设备。当终端设备要传递信息到另一个节点时，需先把数据包传递到父节点，由父节点进行路由路径的查找。当一个网络地址要通过网络深度节点把数据传到目的节点时，要先确定目的节点是否为这个网络地址的下属节点，若是，则直接进行数据转发，下一跳就是目的网络地址的节点；若不是，则这个网络地址节点要先把数据包传递给父节点，父节点以自己的名义进行路由路径的查找。

Cluster-Tree算法为树型结构，可分层遍历节点，能够很快的找到目的节点。其优点在于可以很好的减少数据的冗余度和源节点的发射功率，缺点是距离根节点近的节点需要进行数据的大量转发，因此功耗很大，而且算法不具有自适应能力，不能自我调整，所以这种算法选择的路由路径不一定最优。

1.3 AODVjr算法和Cluster-Tree算法结合

本设计采用将树簇型拓扑结构、AODVjr算法和Cluster-Tree算法相结合的方法。为提高紫外线传感器数据监测的准确性，在采集点布置大量的传感器，按照树簇型网络拓扑结构布置紫外线传感器。ZigBee网络与其它无线传感器网络相比有很强的自组织能力、很好的稳定性以及极高的可靠性。网络预先给加入网络的设备分配网络地址，由协调器来决定是否让新的无线传感器加入网络，成功加入后可获得唯一的网络地址，以此来与别的节点区分。路由节点所能分配的地址空间Mskip（a）满足公式（1）和公式（2）。

3 实验结果和分析

本设计模拟选择100个硬件设备，ZigBee组网采用树簇型拓扑结构，通过比较数据传递的时间和准确性来比较两种路由算法。通过比较得出，在数据到达最终协调器时，蚁群和粒子群算法相结合形成的优化群智能算法要比AODVjr算法和Cluster-Tree算法相结合的时间短。总体而言，优化群智能算法的结合对数据传递更有优越性。两种路由算法的比较结果如图2所示。

由图2可知，不同的组合算法收敛时间不一样。可由图看出，蚁群与粒子群算法结合的收敛速度快，随着网络节点个数的增加，优势更明显。

4 结 语

本设计结合西藏特殊的地理环境和气候，基本完成了对基于物联网的紫外线远程监测技术研究。前期准备工作查阅了大量的文献资料，并和西藏大学太阳能实验室的老师深入了解了紫外线采集的方式和用处，最终选择采用物联网技术来实现紫外线采集的远程传输和监测。

ZigBee组网技术和GPRS技术实现了紫外线无线传感器网络的短距离传输和远程传输。经比较，紫外线传感器选用UVM-30A，ZigBee模块选择CC2530核心板，GPRS模块选择SIM800模块，由此实现了紫外线数据的采集和传输功能。

参考文献

[1]孙继平.煤矿安全监控系统联网技术研究[J].煤炭学报，2009，34（11）：1546-1549.

[2]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]李晓维，徐勇军，任丰原.无线传感器网络技术[M].北京：北京理工大学出版社，2007：1-5.

[4]何世钧，陈中华，张雨，等.基于物联网的海洋环境监测系统的研究[J].传感器与微系统，2011，30（3）：13-15.

[5]朱晓荣，孙君，齐丽娜，等.物联网与泛在通信技术[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[6]付云朋，王宏力，候青剑.基于改进蚁群算法的故障树最优检测次序的研究[J]. 战术导弹技术，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.