基于物聯(lián)網(wǎng)的野外魚(yú)類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

丁曉波，吳 凡，龔國(guó)強(qiáng)

（三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

水利設(shè)施和水電工程等人類活動(dòng)對(duì)河流中的魚(yú)類生存繁衍產(chǎn)生了巨大的影響，為了有效地保護(hù)野生魚(yú)類資源，以及開(kāi)展相關(guān)研究，需要對(duì)野外的魚(yú)類活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和追蹤，掌握其活動(dòng)軌跡，從而有針對(duì)性地開(kāi)展研究和保護(hù)工作。魚(yú)類標(biāo)識(shí)和追蹤技術(shù)經(jīng)歷了傳統(tǒng)的魚(yú)鰭夾片、冷凍貼標(biāo)、編碼金屬標(biāo)、噴涂標(biāo)記等方式，發(fā)展到現(xiàn)代無(wú)線電標(biāo)簽、聲學(xué)標(biāo)簽、射頻標(biāo)簽等信息技術(shù)手段。目前信息化監(jiān)測(cè)手段雖然在監(jiān)測(cè)方式上實(shí)現(xiàn)了非接觸的自動(dòng)獲取，但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散，仍然采用設(shè)備獲取數(shù)據(jù)本地化保存，人工讀取數(shù)據(jù)再分析的工作模式。這種模式下，科研人員工作強(qiáng)度大、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、效率低下，難以滿足科研工作的需要，不利于對(duì)魚(yú)類研究和保護(hù)工作的深入開(kāi)展。

造成這一問(wèn)題的主要原因在于，野外魚(yú)類監(jiān)測(cè)的通信條件和供能條件都難以保證數(shù)據(jù)交換需要，信息處理的方式還沒(méi)有從單機(jī)模式轉(zhuǎn)變到聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的模式上來(lái)。本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，重點(diǎn)解決野外環(huán)境下RFID 魚(yú)類監(jiān)測(cè)設(shè)備適應(yīng)性和靈活性問(wèn)題，研制具有更好滿足野外復(fù)雜條件下部署的RFID 監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)，設(shè)計(jì)滿足野外大范圍數(shù)據(jù)傳輸要求的轉(zhuǎn)發(fā)策略，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)到互聯(lián)網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，打通魚(yú)類監(jiān)測(cè)點(diǎn)與科研人員之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，構(gòu)建完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，有效地滿足了野外魚(yú)類監(jiān)測(cè)研究和保護(hù)數(shù)據(jù)的多監(jiān)測(cè)點(diǎn)、大數(shù)據(jù)量、位置相關(guān)、時(shí)間相關(guān)、實(shí)時(shí)性等需求，為魚(yú)類監(jiān)測(cè)與保護(hù)等研究提供了有效的技術(shù)手段，也為物聯(lián)網(wǎng)在野外條件的監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了典型案例。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)按照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的架構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。

（1）感知層，主要是采用RFID 技術(shù)，將微型RFID 標(biāo)簽通過(guò)注射方式注入到待監(jiān)測(cè)的魚(yú)體內(nèi)，登記相關(guān)信息后，將魚(yú)放回待監(jiān)測(cè)水域，然后在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署標(biāo)簽監(jiān)測(cè)讀取設(shè)備。通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備的地理位置、時(shí)間以及監(jiān)測(cè)到的標(biāo)簽信息等作為魚(yú)類活動(dòng)的感知數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層，主要負(fù)責(zé)完成感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，由于在野外缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)施作為支撐，從感知層接入互聯(lián)網(wǎng)的通信過(guò)程需要由感知設(shè)備通過(guò)一定的轉(zhuǎn)發(fā)方案發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入點(diǎn)，從而完成感知層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)連接。

（3）應(yīng)用層，主要對(duì)野外相關(guān)水域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上傳的魚(yú)類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和存儲(chǔ)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和整理，從而形成待監(jiān)測(cè)流域或區(qū)間的魚(yú)類活動(dòng)數(shù)據(jù)集，為進(jìn)一步開(kāi)展行為分析和應(yīng)用研究提供支持。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

由于野外環(huán)境下不同水體的監(jiān)測(cè)條件區(qū)別很大，不同環(huán)境下部署天線的截面積、引線長(zhǎng)度、周圍環(huán)境的干擾、水體的流動(dòng)、魚(yú)類的聚集和游速等，都會(huì)對(duì)RFID 設(shè)備工作產(chǎn)生較大的影響。目前能夠采購(gòu)到的相關(guān)RFID 設(shè)備在大尺寸天線支持、調(diào)諧便捷性等方面很難滿足要求，因此對(duì)于感知層設(shè)備，需要針對(duì)野外的監(jiān)測(cè)環(huán)境，研發(fā)專用的魚(yú)類監(jiān)測(cè)裝備。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層主要完成數(shù)據(jù)傳輸功能，由于對(duì)魚(yú)類進(jìn)行監(jiān)測(cè)的地點(diǎn)是在野外，最具有可用性的就是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，但移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋的范圍往往只能在近郊區(qū)域或水壩附近區(qū)域，難以滿足更廣闊區(qū)域的通信需要。因此，還要解決野外環(huán)境下數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，以便能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)及時(shí)可靠地接入互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而傳送給應(yīng)用層平臺(tái)。系統(tǒng)應(yīng)用層功能主要包括兩方面：一是完成數(shù)據(jù)的收集和存儲(chǔ)；二是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地分析。從而形成對(duì)魚(yú)類行為的描述和特征表達(dá)，為科學(xué)研究和魚(yú)類保護(hù)提供依據(jù)。但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多、通信路徑復(fù)雜、野外條件下的設(shè)備工作穩(wěn)定性難以保證等因素，使得獲取的數(shù)據(jù)存在一些質(zhì)量問(wèn)題，如噪聲、數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)重復(fù)、數(shù)據(jù)不完整等，需要根據(jù)地點(diǎn)、時(shí)間、重復(fù)性等多方面手段進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和整理，從而為更高效數(shù)據(jù)分析提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 魚(yú)類專用RFID 監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)

RFID 監(jiān)測(cè)設(shè)備包括魚(yú)身體里注射的標(biāo)簽、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的閱讀器、相應(yīng)的電源模塊三部分。其中標(biāo)簽通過(guò)與天線的電感耦合完成與閱讀器的能量和數(shù)據(jù)交互，通過(guò)標(biāo)簽的ID號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)被注射該標(biāo)簽的魚(yú)，并結(jié)合環(huán)境參數(shù)、地理位置參數(shù)等生成相應(yīng)活動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

閱讀器是監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心。當(dāng)魚(yú)類進(jìn)入天線的電感耦合范圍后，魚(yú)類身體中注入的標(biāo)簽通過(guò)射頻載波獲取能量，并通過(guò)這些能量與閱讀器進(jìn)行交互，將其自身標(biāo)簽編號(hào)發(fā)送給閱讀器，閱讀器收到數(shù)據(jù)后結(jié)合其地理位置、時(shí)間、氣溫、水溫以及工作狀態(tài)參數(shù)等形成一次完整的數(shù)據(jù)采集。閱讀器主要包括以下部件：射頻前端、天線及諧振器、控制器，環(huán)境傳感器、通信模塊、串行通信、電源部件。射頻前端是射頻信號(hào)產(chǎn)生并進(jìn)行射頻信號(hào)交換的重要部件，采用了TI 公司的RI-RFM-007B 射頻模塊，該模塊可通過(guò)控制接口進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)交換，并提供了諧振狀態(tài)的檢測(cè)接口。

天線是閱讀器與標(biāo)簽交換能量和信息的通道，由于野外河道或魚(yú)道的尺寸千差萬(wàn)別，因此要根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況來(lái)繞制天線，同時(shí)還得滿足射頻系統(tǒng)的諧振參數(shù)要求，需要根據(jù)天線電感量的不同串聯(lián)相應(yīng)的諧振電容。為了保證天線諧振電路的靈活性，系統(tǒng)采用多諧振電容串、并聯(lián)方式組成調(diào)諧部件，該部件的電容參數(shù)可通過(guò)跳線的方法進(jìn)行調(diào)整，并在電路中設(shè)置可微調(diào)的電感，從而在滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)天線尺寸要求的同時(shí)，保證了與系統(tǒng)的諧振頻率匹配。

控制器是閱讀器管理和交換數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，本文采用STM32F103 微處理器作為控制器核心部件，控制器包含了環(huán)境檢測(cè)、電源檢測(cè)、地理位置檢測(cè)、數(shù)據(jù)交換接口等部件，主要完成對(duì)相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)、地理位置信息的收集，以及控制射頻前端完成對(duì)魚(yú)類射頻標(biāo)簽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取。

電源部件為閱讀器提供所需的工作電壓支持，同時(shí)也對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)和參數(shù)獲取，主要完成電源模塊從12 V 電壓到控制器部分5 V、3.3 V 的電壓轉(zhuǎn)換。

外部的電源模塊為監(jiān)測(cè)設(shè)備提供電力支持，主要包括三個(gè)部分：蓄電池、充放電控制器和太陽(yáng)能充電板。為保證系統(tǒng)供電的統(tǒng)一性，電源模塊采用12 V 鋰電池作為系統(tǒng)的供電核心，通過(guò)充放電控制器提供給閱讀器使用。由于監(jiān)測(cè)設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)不間斷工作，為了保護(hù)其工作的連續(xù)性，在電源模塊中通過(guò)50 W 光伏發(fā)電板來(lái)進(jìn)行電能補(bǔ)充，白天光伏板為監(jiān)測(cè)設(shè)備供能的同時(shí)，還能夠?yàn)殇囯姵剡M(jìn)行充電，夜間則完全由鋰電池為設(shè)備提供電能。

2.2 通信手段及策略

監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)需要通過(guò)一定的通信手段傳送到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。該數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中首先需解決監(jiān)測(cè)設(shè)備如何將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題。在野外最便捷連接互聯(lián)網(wǎng)的方式是利用移動(dòng)基站提供的3G 信號(hào)等移動(dòng)廣域網(wǎng)信號(hào)接入，但當(dāng)設(shè)備處于基站信號(hào)無(wú)法覆蓋的區(qū)域時(shí)，則需要采取更加靈活的接入方式。

本文利用基于擴(kuò)頻通信的LPWAN 技術(shù)LoRa 通信模塊作為非基站信號(hào)條件下的數(shù)據(jù)交換通道，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法連接到基站信號(hào)時(shí)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式與其鄰近的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信，再由鄰近設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)給下一臺(tái)設(shè)備。通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)最終將數(shù)據(jù)送到移動(dòng)信號(hào)可覆蓋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)的功能。由于魚(yú)類監(jiān)測(cè)設(shè)備沿河道或魚(yú)道進(jìn)行部署，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程已具有一定的順序性，采用多跳結(jié)構(gòu)符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。其通信方式如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸通信策略示意圖

圖中監(jiān)測(cè)設(shè)備編號(hào)為1 ～5，其中1 ～3 號(hào)設(shè)備可以直接通過(guò)基站接入互聯(lián)網(wǎng)，而設(shè)備4、5 則因距離太遠(yuǎn)，無(wú)法連接通信基站，只能通過(guò)鄰近的3 號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要用于接收感知層獲取的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，然后為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)支持。目前可以采用服務(wù)器自建平臺(tái)方式或采用公共物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行定制的方式來(lái)完成相關(guān)環(huán)境的建設(shè)。本項(xiàng)目以O(shè)NENET 公共物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行設(shè)備接入和數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)管理，然后通過(guò)該平臺(tái)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用程序的接入和數(shù)據(jù)處理。

在ONENET 平臺(tái)上，可以使用MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和接入，數(shù)據(jù)包根據(jù)上報(bào)數(shù)據(jù)串中的坐標(biāo)點(diǎn)和編號(hào)為依據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，以保證無(wú)論數(shù)據(jù)是直接通過(guò)NB-IoT 方式上傳到平臺(tái)，還是通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式上傳到平臺(tái)，都能夠正確地識(shí)別和管理。

3 系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)試環(huán)境搭建

為了便于進(jìn)行相關(guān)功能和數(shù)據(jù)測(cè)試，在模擬的人工魚(yú)道環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試工作，人工魚(yú)道內(nèi)寬60 cm，水深30 cm。測(cè)試對(duì)象為人工養(yǎng)殖15 ～20 cm 的小草魚(yú)活體，采用注射方式分別在魚(yú)體內(nèi)注入了不同編號(hào)的標(biāo)簽，用手持閱讀器讀取魚(yú)體內(nèi)標(biāo)簽，記錄標(biāo)簽編碼和對(duì)應(yīng)魚(yú)的特征后將魚(yú)苗投入人工魚(yú)道。監(jiān)測(cè)設(shè)備的天線在魚(yú)道中以垂直水面方式部署，天線采用1.5 mm2的多股絕緣線按60 cm×30 cm 的尺寸繞制3 圈，電感量約23 μH，通過(guò)調(diào)整與天線串聯(lián)的調(diào)諧模塊，使得天線達(dá)到諧振工作點(diǎn)。利用鋰電池給監(jiān)測(cè)設(shè)備提供電源支持，并通過(guò)光伏充電板作為輔助為電池提供充電和工作，在監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)串口接入計(jì)算機(jī)，觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和傳輸?shù)认嚓P(guān)情況。

3.2 相關(guān)測(cè)試情況

保持外部環(huán)境的平穩(wěn)，調(diào)整魚(yú)道中水流速度為1 m/s，使魚(yú)在魚(yú)道中自由活動(dòng)狀態(tài)較平穩(wěn)。啟動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并通過(guò)計(jì)算機(jī)串口觀察固定在魚(yú)道中的RFID 天線數(shù)據(jù)讀取和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接收情況，通過(guò)NB-IoT 方式將設(shè)備直接接入ONENET 平臺(tái)，經(jīng)過(guò)48 小時(shí)測(cè)試，記錄試驗(yàn)情況，見(jiàn)表1 所列。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取情況

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及設(shè)備連續(xù)工作測(cè)試

取掉監(jiān)測(cè)設(shè)備通信模塊上的NB-IoT 模塊的SIM 卡，模擬NB-IoT 掉線狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信，利用LoRa 接收模塊的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，并記錄獲取的數(shù)據(jù)情況，同樣進(jìn)行48 小時(shí)測(cè)試，記錄試驗(yàn)情況，見(jiàn)表2 所列。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)發(fā)情況

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

由表1 和表2 的測(cè)試結(jié)果可以看到，監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠完成連續(xù)的魚(yú)類監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并在平臺(tái)上能夠正確獲取數(shù)據(jù)，證明系統(tǒng)具備連續(xù)工作的能力和可用性。雖然監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線傳輸后會(huì)存在一定的數(shù)據(jù)損失，但均小于數(shù)據(jù)總量的5%，而且丟失數(shù)據(jù)多為連續(xù)讀取時(shí)的數(shù)據(jù)，并未對(duì)數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生明顯影響。從兩表的數(shù)據(jù)丟失率看，數(shù)據(jù)直接由NB-IoT 傳送到平臺(tái)或者通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸至平臺(tái)，數(shù)據(jù)丟失率基本相同，因此通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)具有較好可用性。綜上證明了系統(tǒng)能夠滿足對(duì)野外魚(yú)類監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和應(yīng)用需要。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在野外環(huán)境下的魚(yú)類監(jiān)測(cè)應(yīng)用為目標(biāo)，分析討論了現(xiàn)有分散式數(shù)據(jù)采集方式存在的主要問(wèn)題，以及通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采用和應(yīng)用分析的優(yōu)勢(shì)。本文從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知、傳輸、應(yīng)用等三個(gè)層面分析了針對(duì)魚(yú)類監(jiān)測(cè)應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案。通過(guò)設(shè)備開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)策略設(shè)計(jì)與系統(tǒng)搭建，實(shí)現(xiàn)了完整的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)模擬環(huán)境測(cè)試，系統(tǒng)能夠較穩(wěn)定地獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各類環(huán)境參數(shù)和魚(yú)體中的RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并通過(guò)NB-IoT 通信方式或轉(zhuǎn)發(fā)方式將數(shù)據(jù)上傳至ONENET 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，解決了野外環(huán)境下魚(yú)類監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的問(wèn)題。未來(lái)還需要在數(shù)據(jù)的本地化存儲(chǔ)、異步數(shù)據(jù)交換、多監(jiān)測(cè)天線支持、遠(yuǎn)程觸發(fā)和多設(shè)備協(xié)同監(jiān)測(cè)等方面開(kāi)展深入研究工作，以解決多跳轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的數(shù)據(jù)沖突和溢出丟失等問(wèn)題，包括采用高效的重傳機(jī)制和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)策略，更好地保障野外條件下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效傳輸，減少數(shù)據(jù)丟失，確保系統(tǒng)的可用性。