物聯網感知技術在航運業中的應用

張樹軍，賈國榮

(貴州商學院，貴州 貴陽550004)

0 引 言

在現代海上航運業務中，基于自動化、信息化的物聯網技術應用越來越廣泛，基于物聯網體系的所有應用都需要進行目標物信息的精確采集及數據傳輸和接收，如海上氣象傳感網絡，利用分布在各點的溫度、濕度傳感器采集氣象信息，然后通過無線傳感網絡把數據傳輸到統一的信息處理中心，而數據的精確采集傳輸事關整個系統的性能。

與陸地無線通信系統不同，海上無線通信信道頻帶較窄［1］，而隨著海上無線通信業務的增加，海上無線頻譜成為較為緊張的資源。如何提高整個頻譜的利用率成為海上無線通信系統及海上無線傳感網絡的研究熱點。

本文著重研究海上物聯網系統在感知層面的技術，利用分簇理論改進無線傳感網絡的路由技術，提出一種改進后的無線傳感網絡結構，把無線傳感網絡中的單個節點按照一定規則進行組成分為一簇，并按照路由協議規則在簇中選擇簇首，簇內的所有傳輸數據向簇首節點匯聚，并構建中繼節點架構，使整個傳感網絡的耗能最小，并提高網絡的數據傳輸效率，最后通過仿真證明算法的有效性。

1 物聯網感知技術原理

1.1 無線傳感網絡

無線傳感網絡是物聯網體系中最重要的組成部分，主要是對組網中的物體信息進行分布式采集及統一的信息傳輸﹑數據處理等。無線傳感網絡具體由分布式傳感器﹑無線通信組網以及信息處理中心組成，如圖1 所示。

圖1 海上無線傳感網絡結構Fig.1 The structure of wireless sensor network on sea

無線傳感網絡中的傳感器組成一個自組織［2］的通信組網系統，本身包含信息采集﹑信息傳輸和接收等功能，對其研究主要集中在以下3 個方面:

1)數據傳輸協議

網絡中傳感器自身的信息處理﹑存儲﹑數據交換以及采集精度都有一定限制，如何對自身網絡的數據傳輸協議進行優化是當前研究的主要方向之一。

2)節點定位

現有的節點定位算法分為測距輔助算法和非測距算法。

3)數據融合

數據融合處理器把各分散的傳感器數據進行匯總，同時消除數據冗余信息，這樣處理有利于節省整個網絡能量。

1.2 傳感網絡中的路由協議

在無線傳感中，傳感器節點的數據傳輸路由是節點與無線通信基站之間的鏈路。由于應用層面的多樣性，單一的路由協議并不能滿足所有應用，因此現在的無線傳感網絡由多種路由協議算法組成，按照路由選擇模式﹑通信組網類型等可以進行如下劃分［3］:

1)在整個傳感網絡中，所有的傳感器節點地位相等，并不進行按組劃分，節點與節點之間的數據傳輸采用多跳方式進行，所有節點都進行數據采集及數據傳輸。此種類型的路由協議算法較為簡單，但是效率不高，適用于規模不大的通信網絡。現有的如Flooding 和MTE 都是基于此的路由協議。

2)在傳感網絡中，把傳感器節點按照不同類型和功能按簇進行劃分，并且每簇中選取一個簇首節點，簇內非簇首節點進行信息采集，同時把數據傳輸給簇首節點，簇與簇之間的信息傳輸直接通過簇首節點進行，而且簇內普通節點分離。此類算法適用于規模較大的傳感網絡，但是算法較為復雜，并且需要考慮簇中節點的負載均衡。現有的如EEUC和HEED 都是基于此的路由協議。

本文著重研究了無線傳感網絡中的按簇組網路由技術，并對EEUC 協議進行改進。

2 無線傳感網絡路由協議改進算法

2.1 EEUC 簇頭選擇原理

EEUC 協議是一種基于分簇網絡的路由算法，在此協議中，無線傳感網絡中的數據傳輸不再以單個節點為單位，而是以簇為單位。簇中分為簇首節點及普通傳感器節點，簇內節點將采集的數據傳輸到簇首節點，并在簇內完成數據融合，然后簇首節點將本簇采集的所有數據發送給無線基站。

EEUC 協議傳輸模型如圖2 所示。

圖2 EEUC 協議數據傳輸模型Fig.2 The model of EEUC protocol data transmission

對于按簇分組［4］的網絡，能量的消耗主要集中在簇首節點，EEUC 協議將無線傳感網絡分為初始階段和穩定階段。在初始階段，將所有傳感器節點隨機生成一個在0 ～1 之間的隨機數，同時與設定好的閥值T(n)進行比較，如果小于閥值，則設定為簇首節點;反之，則設定為普通節點。閥值T(n)計算公式如下:

式中:p 為傳感網絡中簇首節點數在整個網絡中的占比，在航運業務應用中一般為5%;r 為簇首節點選取的次數;G 為在前r 輪中未被選中簇首節點的元素集。可以分析出，閥值T(n)以1/p 為周期進行變換。

2.2 EEUC 的無線通信模型

此模型描述了無線傳感網絡中節點的耗能［5］，對數據發送消耗與數據接收消耗進行分析。

在無線傳感網絡中，假設d 為簇首節點與基站的距離;kbit 為發送的數據量，則簇首節點的發送能耗表達式為:

同樣，當傳感網絡中簇首節點接收到kbit 數據時的能耗為:

式中，k 為傳輸的數據量;d 為簇首節點與無線基站的距離;ETX為簇首發送數據的能耗;ERX為簇首接收數據的能耗;為距離的閥值。

此模型作為理想模型僅僅考慮電路的放射和接收功率以及發射和接收過程中的放大器能效，而不考慮電路本身的計算能耗，Eelec為單位標準能耗，表示處理1 bit 數據的數值。

由式(2)～式(3)分析可知，其發射能耗與無線通訊基站的距離指數級增加。其中，d ＜d0時，采用理想信道模型;當d ≥d0時，由于信道衰減比較厲害，則需采用多徑衰落模型。εfs和εmp分別代表不同模型信號放大器所消耗的能量。

傳感網絡能耗消耗模型如圖3 所示。

圖3 無線傳感網絡能耗模型Fig.3 The model of the energy consumption of wireless sensor network

2.3 EEUC 協議步驟

EEUC 協議主要應用在分布式的物聯網體系中，按照與移動基站距離的遠近把傳感器劃分為不同規模的簇。簇中處理數據按照輪來進行，一輪處理按照功能劃分為:網絡初始化及簇的構建;數據傳輸多跳路徑的選擇以及最終的數據傳輸節點。結構如圖4 所示。

2.1 節已詳述了傳感網絡簇的劃分以及簇首的選取，下面介紹數據傳輸多跳路徑的選擇及數據傳輸。

圖4 EEUC 協議處理周期Fig.4 EEUC protocol processing cycle

1)數據傳輸多跳路徑選擇

經過融合后的數據，通過簇首傳輸給移動基站，有時候并不能直接到達，而且需要經過多跳路徑才能達到。在此設定一個閥值TD_MAX，將簇首節點距離移動基站大于TD_MAX 采用多跳路由選擇傳輸數據;而小于TD_MAX 則采用單跳路徑進行傳輸。

在多跳路徑建立初始階段，需要傳輸的簇首節點向網絡內其他簇首節點廣播自身的狀態，包括ID號、與移動基站路徑大小及所剩能量大小。其他簇首利用這些狀態信息決定是否作為其中繼節點。

這里假設需要傳輸數據的簇首ID 號為sj，那么可以作為其傳輸中繼的節點集合為:

然后再選擇下一跳中繼節點，原理是數據傳輸耗能最小以及剩余能量最高的最佳結合。同樣，假設si選擇的下一跳中繼節點為sj，則網絡的耗能計算公式為:

2)穩定傳輸階段

簇首節點選擇完成以及多跳路建立以后，并且簇首在簇內劃分好TDMA 數據傳送時隙后，簇內其他傳感器將采集的信息按照一定時隙發送給簇首，簇首進行數據融合，并經過多跳路徑傳送給移動基站。由于簇首節點需要進行多種數據處理及發送，耗能較大，所以當一輪處理完成后，下一輪重新進行簇首選取，對網絡消耗進行負載均衡，完成后由進入到下一次的數據采集及發送。整個網絡如此反復，直到應用功能處理完畢。

3 算法仿真

本文對改進的EEUC 協議進行仿真，實驗參數為:無線傳感網絡節點總數為m = 400，網絡監控區域為200×200 m，網絡初始能量Eo=0.5J，傳輸的數據大小為4 000 bit，Eelec=50 nJ/bit，εfs=10 pJ/bit/m2，εmp=0.001 3 pJ/(bit·m4)，d0=86 m，EDA=5 NJ/(bit)，TD_ MAX = 140 m。

最后給出EEUC 協議算法的傳感器節點生命周期結束隨p 的變化曲線如圖5 所示。

圖5 傳感器節點生命周期結束隨p 的變化曲線圖Fig.5 The curve of the life cycle of sensor nodes

4 結 語

由于信息技術的發展，海上航運領域中基于物聯網的應用越來越多，這些應用的核心都是基于傳感網絡的數據采集﹑處理及傳輸。

本文著重研究海上物聯網系統在感知層面的技術，利用分簇理論改進了無線傳感網絡的路由技術，提出一種改進后的無線傳感網絡結構，最后對算法進行仿真。

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［4］粟栗．多傳感器數據融合方法在軍事信息領域的應用［J］．艦船科學技術，2013，35(6):117 －120．SU Li．The method of multi-sensors data fusion in the field of military information［J］．Ship Science and Technology，2013，35(6):117 －120．

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