第２９卷第２期 文章编号：１００６—９３４８（２０１２）０２—０１３１—０４ 计算机仿真 ２０１２年２月 基于物联网技术水资源环境监测仿真研究 冷淑君，徐卫红 （江西工程职业学院信息工程系，江西南昌３３００２５） 摘要：研究对水资源环境进行监测的精度问题。针对传统的水资源监测系统难以自适应采集各种类型水资源数据信息和实 时可靠地传输水监测数据的问题，特别是传统的监测算法具有较高的复杂性，参数设置需要大量的资源，为了解决上述问 题，提出了一种多传感网络平台的水资源环境监测物联网技术。主要难点技术在于将监测区域分为若干个不同的分簇，每 个分簇搜集各种类型的环境监测数据，且可依据监测需要设定不同类型的传感器；在监测区域内设置移动Ａｇｅｎｔ节点，根据 网络能耗建立实时二维定位表，采用Ｒｏｓｅｎ梯度投影法选择最优路径，构建移动方案，搜集采集到的数据并转发给控制中 心。仿真表明，提出的技术对水资源监测实现远程数据采集和传输，具有实时性和可靠性，且网络整体能耗较低。 关键词：物联网技术；水资源；多传感器网络；监测 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ｂ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗａｔｅｒ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ ＬＥＮＧ Ｓｈｕ—ｊｕｎ，ＸＵ Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｊｉａｎｇｘｉ ３３００２５，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ ｃｏｓｔｓ ｏｆ ｄｅｐｌｏｙｅｄ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅ— ｎａｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｈｉｇｈ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｉｉｃｕｌｆｔ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ａｌｌ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅ— ｓｏｕｒｃｅｓ ｄａｔａ ｉｆｏｒｎｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｗａｔｅｒ ｄａｔａ ｉｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔ－ ｗｏｒｋ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎｅａｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅａ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｌｕｍｐｓ，ｅａｃｈ ｃｌｕｍｐｉｎｇ ｃｏｌｌｅｃｔ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ，ａｎｄ ｃａｎ ｓｅｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｎｅｅｄｓ．Ｉｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅａ，ｍｏｂｉｌｅ ａｇｅｎｔ ｎｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ．Ａｃ— ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｎｅｒｇｙ，ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｕｓｉｎｇ Ｒｏｓ— ｅｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐａｔｈ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｍｏｂｉｌｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｃｏｌｌｅｃｔ ｔｈｅ ｄａｔａ ａｎｄ ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｅｎｔｅｒ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｓ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｎｄ ｒｅｌｉｂｉａｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｎ— ｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｓ ｌｏｗ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｔｈｉｎｇｓ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ；Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 境监测综合挖掘模型构架；文献［２］制定了上海市环境监测 １ 引言 随着社会的发展，自然环境对人类社会的重要性越来越 大，因此针对各种类型不同跨度生态地区的环境监测，特别 质量管理近期和中期规划同时建立质量管理信息共享平台 和ＱＣ指标评定体系；文献［３—４］综述了化学计量学，计算 机层析，ＦＩ＇ＩＲ谱图解析，大气污染物空间浓度分布监测，被 动式遥感监测等方面研究成果但是以上研究成果仍然存在 一是人们对水质量要求是越来越高，人类的生存环境日益糟 糕，所以对水资源建立监测系统是必要的。目前对环境指标 的监测已经成为国内外研究人员追踪的热点之一，并已取得 一些不足。例如文献［３］忽略了水资源环境受到污染时的监 测和处理机制问题，文献［１］主要是研究数据融合和挖掘问 题，并未涉及数据采集和监测问题。物联网技术是这两年来 研究的热点领域，是一项新兴的无线网络技术，随着ＭＥＭＳ 定的研究成果¨ ］。文献［１］基于一种环境监测流程的综 合挖掘方法，基数据仓库和工作流挖掘技术，构建了土壤环 技术已及通信技术和传感技术的不断的发展，物联网技术被 收稿日期：２０１１—０７—２９修回日期：２０１１—０９—１７ 广泛应用在生活生产军事等各个领域。多传感器网络是物 联网的一个方面，它是以自组织方法来构成的无线网络。 一】３】一 因此本文基于物联网技术，将监测区域分为若干个不同 为Ｒ 的分簇，每个分簇搜集各种类型的环境监测数据，且可依据 监测需要设定不同类型的传感器；在监测区域内设置移动 Ａｇｅｎｔ节点，根据网络能耗建立实时二维定位表，采用Ｒｏｓｅｎ 在式（１）和（２）投影后的基础上，可以由式（３）得到待选 路径然后根据式（４）进行选择最优路径。 （ｎ）＝ｎ∈［（３，（一 ）７ｒ，（３Ｋ＋２ ）７ｒ］， ＝一１，．．．，，（ （３） Ｒ Ｋｔ。ｂｌｅ 梯度投影法选择最优路径来构建移动方案，搜集采集到的数 据并转发给控制中心。仿真和数学分析表明，该技术对水资 源监测实现远程数据采集和传输，具有实时性和可靠性且网 络整体能耗较低。 （４） ３．２基于物联网技术的水资源监测方案 ２水资源监测模型原理 基于物联网的水资源监测系统主要由四部分组成：各种 类型的数据采集传感器节点，簇头节点，移动代理Ａｇｅｎｔ节 一般来说，水资源监测和保护主要有两个方面的需求， 第一，实时监测水资源的质量。主要困难有监测范围非常的 大；监测对象种类不固定，随时根据水资源的变化而调整；对 于采集数据的频率要求各不相同；第二对监测对象区域内的 污染实时反馈及其调控。当水资源内发生了污染，就需要及 时找到污染源及对其定位，并给出处理预案。为了满足以上 两方面要求，必须保证数据采集监控系统的部署具有较广的 覆盖区域，避免丢失某些盲点区域的数据，且具有一定的鲁 棒性和自适应能力，以便满足对不同种类水资源环境监测信 息类型的采集需要。同时物联网技术非常适合各种类型环 保行业的应用，监测感知信息并进行智能解析，且采用物联 网监测环境状态及其污染监控和预警，具有部署成本低，网 络组织时间短，后期运行维护方便等优点。 比较典型的传感网络的体系结构如图１所示包括了传 感器节点，网关节点以及用户界面等。本文依据物联网技 术，在水资源监测区域部署一定数量的多传感器，采用自组 织方式形成由若干个簇组成的物联网；然后采用移动Ａｇｅｎｔ 节点根据ＲＯＳＥＮ梯度投影法选择最优路径，作为代理簇头 节点或某分簇内簇头节点失效后的备用簇头节点，保证采集 到的数据可以实时、可靠的传输即增强水资源监测物联网的 鲁棒性。 器 由一卤 ０罟 图１ 基于物联网技术传感节点设计 ＲＯＳＥＮ梯度投影法基本工作原理如式（１）和（２）所示。 Ｄ：Ｒ（Ｎ，Ｔ） （１） ＝ 其中，Ｒ表示轮询迭代对象矩阵，经投影后得到分析矩阵记 一１３２一 点，控制中心。物联网的分簇区域的自组织多传感器网络 中，采用的传感器节点主要是各种水文传感器。在所有传感 器上安装无线短距离通信数据传输功能模块。分簇区域内 的多传感器采集到各种类型的环境监测数据后，将数据发送 给该分簇的簇头节点 』，或者可以检测到的移动Ａｇｅｎｔ节 点，簇头节点或移动Ａｇｅｎｔ节点将搜集到的数据汇聚后转发 至控制中心。 传感器节点数据采集模块经过一跳将数据发给簇头节 点，而且该节点装有污染源实时监控功能模块，可以监测该 节点圆形监测区域内是否出现排污现象，并及时发送监控数 据，且该操作优先级高于一般环境监测数据的发送，要求簇 头节点优先转发，这样就可以充分满足监测数据采集和水污 染源监测实际需求。监测传感器节点采用嵌入式技术设计， 该节点功能模块包括：数据采集类型模块、数据无线发射模 块、高效电源模块、水污染源实时监控模块以及移动Ａｇｅｎｔ 监测模块等部件，如图２所示。 图２水资源监测传感器节点模型 水资源环境监测传感器节点根据监测需求自适应启动 相应类型数据监测模块、采用集中数据采集方式，其工作流 程如下： １）根据来自控制中心的监测需求启动相应数据类型模 块，监测数据类型主要是各种水文数据采集模块； ２）周期性启动移动Ａｇｅｎｔ发现模块，若发现则将带发送 的数据发给移动Ａｇｅｎｔ节点； ３）周期性启动数据无线发射模块，将采集到的数据发送 给簇头节点； ４）根据控制中心反馈的控制信息，周期性的启动水污染 ● ， 源实时监控模块，若发现污染现象，则转３）； 。 由以下部分组成： ５）若该节点所处分簇内的簇头节点失效，则转２）。 １）根据监测区域进行划分而形成的用于采集生态环境 图３给出了基于物联网的生态监测网络部署情况。从 数据信息的若干个分簇区域，该区域内的传感器节点采用无 图３可以看出，监测物联网中，把监测区域分为了若干个分 线自组织方式组成网络拓扑； 簇区域…，每个分簇内拥有一个簇头节点，此外整个网络中 ２）若干个无线分簇传感网之间通过簇头节点连接通信， 设置了若干个移动Ａｇｅｎｔ节点，一方面实时收集各分簇簇头 同时簇头节点具有汇聚数据功能，对其收集到的分簇区域内 节点汇聚的数据，另一方面避免某分簇簇头节点失效，导致 的数据进行解析处理等模块； 监测区域出现盲点，致使网络瘫痪，无法实时监测。 ３）每个分簇区域内的传感器节点设置根据图１所示模 型构成，包括数据采集模块，数据发送模块，污染源实时监控 模块，移动Ａｇｅｎｔ探测模块等组成。 ｉ … ４）簇头节点会定期收集本区域内所有节点的实时能量 和能耗信息，构建一个基于ＲＯＳＥＮ梯度投影的时空二维表， 并把该表实时更新，当该节点能量即将耗尽时，转发给控制 一点 圆：ｃ 中心； 一点 ５）控制中心的主要工作是接收数据，并向各簇头节点反 馈控制信息；此外，如果收到来自某分簇区域的簇头节点发 来的时空二维表，表明该簇头节点即将失效，为了避免该分 簇区域瘫痪，成为监测盲区，控制中心根据收到的时空二维 图３基于物联网的水资源监测网络部署 表，选择一个能量充足的备用节点作为移动Ａｇｅｎｔ节点，根 据最优路径向该分簇区域移动，并担当新的簇头节点。 ３．１ ＲＯＳＥＮ梯度投影法的最优路径 基于物联网的通信原理及其关键技术，该监测系统在传 在每一个分簇内，传感器节点与簇头节点经一跳即可传 输数据，无需路由选择。但是因为，簇头节点长时间接收数 感器节点、簇头节点、移动Ａｇｅｎｔ节点和控制中心的具体流 程如图４所示。 ． 据，能量消耗很大，当簇头节点失效后，其他传感器节点无法 与控制中心交换数据信息，处于瘫痪状态，因此，本文采用移 动Ａｇｅｎｔ节点，作为备用簇头节点接收数据。此时，存在一个 最佳路由选择问题。 水资源污染检测初始化 本节设定簇内传感器节点根据自身能耗实时建立二维 定位表，该表包含时间和空间两类数据，然后采用ＲＯＳＥＮ梯 采集数据类型决策模块 度投影法 选择最优路径，构建移动方案，使移动Ａｇｅｎｔ节 采集数据发送模块 数据拒绝接收 点能在最短时间内消耗相对最少的能量，到达瘫痪分簇并及 时搜集其他传感器节点采集到的数据然后转发给控制中心。 根据ＲＯＳＥＮ梯度投影法，构建基于传感器节点时空关 系的投影矩阵。设Ｍ是ｍ×ｎ矩阵，秩为ｍ，Ｙ为任意ｎ维向 移动Ａｇｅｎｔ￣控制模块 量。令： Ｐ＝Ｍ （ＭＭ ） Ｍ （５） ｌ时空变量二维表ｌ Ｑ：１一Ｍ （ＭＭ ） Ｍ （６） 根据矩阵 ，即可求出时问变量即Ｐ，空间变量即Ｑ。Ｐｙ 为向量Ｙ在矩阵Ｍ的时间向量上所生成的子空间上的投影， 即可得到Ｐ值；空间向量Ｑｙ表示向量Ｙ在 的零空间上的 图４基于物联网的水资源环境监测流程图 投影 ，因此结合式（６）和（７）可得到空间变量Ｑ值。 ＭＱｙ＝０ （７） ４仿真及结果分析 移动Ａｇｅｎｔ节点即可根据由Ｐ和Ｑ组成的二维定位表选择 本节针对图１所示的水资源环境监测传感器节点功能 最佳路径。 模块采用ＭＡＴＬＡＢ仿真实现相应功能，此外采用图４所示的 ３．２水资源环境监测技术及其系统实现 拓扑模型结合式（５）、（６）和（７）对本文所提出的水资源监测 基于第２节的生态环境监测原理，本节提出一种基于物 系统（记为ＥＭ—ｌＯＴ）在整个网络的吞吐量、分簇区域的吞吐 联网的生态环境监测系统，并给出其中的关键技术。该系统 量和移动Ａｇｅｎｔ节点能耗及其移动时间等方面进行性能分 一】３３— 析与评价。提出的技术对水资源监测实现远程数据采集和 传输时具有实时性和可靠性，且网络整体能耗较低。 本文随机部署５０个传感器节点，每１０个传感器节点组 成一个分簇，故需要５个簇头节点，１个控制中心，另外设定 ０ 有５个移动Ａｇｅｎｔ节点备用。实验中设定生态环境监测传感 器节点、簇头节点及移动Ａｇｅｎｔ节点具有相同的发射功率和 通信距离，因为在一个分簇内的ｌ０个传感器节点采集不同 类型的数据组成一个多传感网，所以实验中假设它们的能量 娥 一 罐 避 图５琶 ‰ 帮 及发射数据的功率各不相同。传感器节点通过无线链路传 输数据时，信道速率为１Ｍｂｐｓ，传播时延是１．５ｔｘｓ，网络层发 漤 送的数据包为８１５０比特，传输过程中的所有确认信息和控 制信息假设为４００比特且固定不变。对于时空二维定位表， 时间变量Ｐ取值范围为０秒到１０秒之间，空间变量Ｑ取值 范围为０米到５０米之间，若根据式（５）、（６）和（７）计算结果 超出该范围则认为该节点无法与簇头节点或移动Ａｇｅｎｔ通 信即节点死亡。 图５给出了该系统应用于上述监测区域时，１５００秒的监 测过程中仿真和采用ＥＭ—ｌＯＴ技术后网络整体能耗变化规 律对比。可以看出，仿真统计分析结果表明，网络能耗在逐 步增加，在７００秒时出现下降，是因为有部分簇头节点失效 导致网络瘫痪，出现盲区，即部分节点无法发送数据。而此 时，ＥＭ—ＩＯＴ采用移动Ａｇｅｎｔ代理机制，当发现簇头节点失 效，即可移动至该分簇区域，保持数据正常传输。 一 ’５０ 坩 担 件 １００ 一 捌 悼 瓣 匿 ０ ５００ １０００ １５００ 实验时间／ｓ 水资源监测网络整体吞吐量 一个移动Ａｇｅｎｔ节点在１５００秒中的能耗情况和移动过 程中所耗时问情况如图６和７所示。对比两幅图可以发现， 该节点在９００秒左右，对于ＥＭ—ｌＯＴ而言，其能耗明显降低， 这是因为此时根据ＲＯＳＥＮ梯度投影法根据时空二维定位表 找到最优路径，可以在短时间内到达瘫痪的分簇区域，重构 多传感器网络的拓扑，继续保持数据传输。提出的技术对水 资源监测实现远程数据采集和传输时具有实时性和可靠性， 且网络整体能耗较低。 一ｌ３４一 图６移动Ａｇｅｎｔ节点能耗 宦 翟 臀 《 拉 幅 潍 实验时间，ｓ 图７移动Ａｇｅｎｔ节点移动所耗时间 ５结论 本文提出了一种采用物联网技术进行节点部署和分簇 基于物联网技术的水环境监测系统。该系统可以根据监测 区域的大小和特征分为若干个分簇，每个分簇采用自组织方 式进行通信，且每个传感器节点具有生态环境分簇区域内待 监测数据类型的选择。仿真和数学分析表明，该技术可以根 据监测需求在不同类型的采集数据之间进行切换控制，具有 节能、高效和易于管理的特点。 参考文献： ［１］ 王艳军，吕志勇，黄蕾．基于物联网传感器的城市交通状态预 测［Ｊ］．武汉理工大学学报，２０１０，３２（２ｏ）：１０８—１１１． ［２］ＺＸｕｅＧａｎｇ，ＬＷｅｉ．ＲｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅＭｏｄｅｌ ｏｆｔｈｅ ＡｒｅａＲｏａｄＴｒａｆ－ ｉｔｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ［Ｃ］．Ｃｈｏｎｇｆｕ Ｈｕａｎｇ，ＸｉｌｉｎＬｉｕ．Ｔｈｅ— ｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｒｉｓｋ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｒｉｓｉｓ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ Ｐａｒｉｓ：Ａｔｌｎａｔｉｓ Ｐｒｅｓｓ，２００８：８５７—８６１． ［３］陈勇，黄席樾，杨尚罡．汽车防撞预警系统的研究与发展［Ｊ］． 计算机仿真，２００６，２３（１２）． ［４］ 郑向群，赵政，刘东生．基于数据仓库的土壤环境监测综合挖 掘模型构架［Ｊ］．农业工程学报，２００８，２４（８）． 【５］ 王向明，黄文．上海市环境监测质量管理规划探讨［Ｊ］．环境监 测管理与技术，２０１０，２２（３）． ｛下转第２２８页）