應用物聯網通信技術的大氣污染物監測信息無線傳輸方法研究

楊昆　傅學振　于文艷　吳瓊　吳瑾

摘要：大氣污染物監測信息傳輸過程丟包率和誤碼率較高，存在傳輸延時較長以及傳輸成功率較低等問題，由此，提出一種應用物聯網通信技術的大氣污染物監測信息無線傳輸方法。將最優階估計和分布式分簇的數據壓縮方法有效結合，獲取多傳感器之間的通信方式，分析監測過程的通信狀態，在傳感器有限存儲容量的約束下，引入滑動窗口機制，實現大氣污染物監測信息無線傳輸。實驗結果證明，所提方法可以有效提升大氣污染物監測信息無線傳輸成功率，減少傳輸過程中的丟包率，同時還可以降低傳輸延時，保證監測信息無線傳輸效率。

關鍵詞：物聯網通信技術；大氣污染物；監測信息；無線傳輸

中圖分類號：X831 文獻標志碼：B

前言

通過監測大氣污染物，可以及時采取措施減少人們暴露在有害物質中的風險；監測大氣污染物有助于評估環境質量，及時將大氣污染物監測信息上傳至有關部門具有十分重要的意義，相關管理者可以根據獲取的大氣污染物監測信息及時給出有效的治理措施。

國內相關專家針對大氣污染物監測信息無線傳輸方面的內容展開了大量的研究，例如張毅等通過大數據數字化技術，完成數據無線傳輸。孫穎等優先建立信道模型，對不同模式下的無人機工作周期參數展開設計，根據最大化經濟效益完成數據傳輸。程艷艷等將簇頭節點參與到有向無環圖中，采用多媒體數據壓縮編碼技術展開編碼處理，聯合多個網關以及代理對丟失的數據展開恢復，最終實現數據傳輸。

結合上述幾種傳輸方法，提出一種應用物聯網通信技術的大氣污染物監測信息無線傳輸方法。利用激光霧化粒子計數器、氣體傳感器等，直接測量大氣中污染物的濃度和含量，為了確保大氣污染物監測信息可以更好地無線傳輸，在傳輸前期需要對信息展開壓縮處理。聯合物聯網通信技術，優化信息無線傳輸過程，通過改變空間拓撲結構的方式支持無線傳輸大氣污染物監測信息的需求，確保可靠和連續的數據傳輸。

1 方法

1.1 大氣污染物監測信息壓縮

分布式編碼理論基礎是關于同域數據源編碼的定義，假設兩個相關變量服從概率分布，當編碼器對隨機一個變量展開壓縮處理時，無論對兩個變量的相關性是否可知，其壓縮性能都是保持不變的。在隨機兩個變量相關性不可知的情況下，可以將比特位壓縮碼表示為式（1）的形式：

式（1）中，I（x，y）代表比特位壓縮碼；X和Y代表隨機變量；S（x，y）代表概率分布；.代表原始大氣污染物監測信息。

需要對大氣污染物監測信息壓縮過程中的結構樹和預測系數展開進一步的說明。其中，結構樹是將前期三分之一大氣污染物監測信息的均值作為起點，通過時間間隔△的擴展，向時間軸的兩個方向延伸。其中△的取值會決定算法的精度，擴散范圍需要根據實際獲取的大氣污染物監測信息分布范圍所決定。同時對以△為時間間隔的擴展序列展開奇偶序列分裂處理，可以獲取間距為2△的兩組子序列，同時對已經得到的大氣污染物監測信息進行分類，得到對應的線性擬合值，如式（2）所示：

式（2）中，XjT和YjT代表變量X和Y對應的線性擬合值；T代表運行周期；m和n代表常數；αn和βn代表在相同時域內的預測系數；w和h代表在相同時刻內大氣污染物監測范圍。

為了掌握大氣污染物監測信息的變化情況，需要及時對更新系數展開調整，進而獲取對應的信息。以下，給出最優階分布式分簇結構樹對大氣污染物監測信息壓縮的詳細操作步驟：

（1）由大氣污染物監測系統分別采集不同地區的大氣污染物信息，將采集到的大氣污染物監測信息分別通過不同基站展開傳輸處理。同時引入CIC準則展開最優階判斷，假設不是最優階數，并且傳輸的大氣污染物監測信息沒有超過信息總量的三分之一，則繼續展開傳輸操作；反之，則需要計算初始預測系數，同時在此基礎上構建結構樹。

（2）分析全部大氣污染物監測信息的空間相關性，可以將監測區域劃分為多個不同的簇。在每個簇中，選擇一個節點作為簇頭，負責協調數據傳輸，并計算出每個節點所需傳輸的二進制位數。

（3）簇頭內的節點在經過簇頭后，即可得到各個基站對應的二進制位數，同時可以對全部大氣污染物監測點展開二進制處理，得到各個監測點對應的二進制壓縮碼，并且獲取的壓縮碼可以利用簇頭直接傳輸到基站內。并且通過簇頭向基站傳輸沒有經過壓縮處理的大氣污染物監測信息。

（4）基站將簇作為單位，經過計算可以得到各個簇內各個節點對應的估計值，同時根據節點的位數設定得到對應壓縮碼，通過壓縮碼在結構樹內展開定位處理，進而得到一個全新的子序列。并且在設定條件的基礎上，需要更新預測系數。

（5）當各個簇內全部節點的取值都完成恢復后，利用基站計算下一個時間段內各個節點需要壓縮處理的大氣污染物監測信息位數，并且將其發布。當達到設定的位數，則直接完成大氣污染物監測信息壓縮處理；反之，則直接跳轉至步驟（2）。

1.2 大氣污染物監測信息無線傳輸

在大氣污染物環境中，大氣污染物監測信息無線傳輸主要通過物聯網通信技術，在基站和通信節點之間展開數據交互操作，主要包含三種不同的情況，分別為：

（1）網絡節點全部分布在基站通信覆蓋范圍內；

（2）部分網絡節點分布在基站通信覆蓋范圍內；

（3）節點均勻分布在基站通信覆蓋范圍外。

通過集合B表示以上三種情況，如式（3）所示：

B={b1，b2，b3} 式（3）

針對大氣污染物監測信息無線傳輸過程中的特殊性，在對物聯網通信架構分析的基礎上，通過社會網絡的原理，改善連接不穩定以及空間位置經常變換等問題。

滑動窗口的接收包含不同類型的大氣污染物監測信息，已經發送的數據幀確認回復ACK包，節點接收的數據幀。通過設定的滑動窗口機制，不支持數據幀中攜帶ACK確認回復包，詳細的操作步驟如下所示：

（1）將接收到的大氣污染物監測信息展開解析處理，提取數據幀的頭部信息，主要包含接收的數據幀序號，并且確認回復幀的序號以及數據幀的類型。

（2）判斷大氣污染物監測信息的類型，假設為ACK，則直接跳轉至步驟（3）；假設為Data包，則直接跳轉至步驟（4）。

（3）判斷大氣污染物監測信息是否在發送方希望接收的確定同復幀的序號范圍內；假設滿足該條件，則直接展開累計ACK的循環處理，也就是在發送窗口的首位置展開輪詢處理，并且及時關閉對應的定時器，清除Send數據組中無利用價值的數據幀。

（4）判斷數據幀的序號是否在接收窗口的序號范圍內，假設不在，則直接將該幀對應的大氣污染物監測信息丟棄；假設在接收范圍內，則直接將大氣污染物監測信息保存到對應的隊列內，同時直接進入到下一步。

（5）判斷當前幀的大氣污染物監測信息是否為接收的信息，假設是，則直接將該幀數據寫入到文件中展開存儲，將Recv中對應的數據幀刪除，并且將期望接收的數據幀序號加1，經過打包處理后直接發送ACK，并且回復對應的報文信息。

（6）結束該函數，實現大氣污染物監測信息無線傳輸。

2 實驗分析

2.1 測試環境描述

為了將所提方法和文獻[2]的基于大數據數字化技術的傳輸方法，文獻[3]的基于信道模型的傳輸方法展開性能比較。

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 大氣污染物監測信息無線傳輸成功率

為了比較各個方法傳輸大氣污染物監測信息的可靠性，實驗分析不同方法的大氣污染物監測信息無線傳輸成功率，詳細的實驗結果如圖1所示。

如圖1所示的實驗數據可知，在運行時間不斷變化的情況下，各個方法對應的大氣污染物監測信息無線傳輸成功率也在不同時刻發生了不同程度的變化。但是和另外幾種大氣污染物監測信息無線傳輸方法相比，所提方法獲取的大氣污染物監測信息無線傳輸成功率明顯更高一些，主要是因為所提方法在展開大氣污染物監測信息無線傳輸前期，對全部大氣污染物監測信息展開了壓縮處理，促使無線傳輸成功率得到有效提升，充分驗證了所提方法的優越性。

2.2.2 大氣污染物監測信息無線傳輸延時

通過表1對各個方法的大氣污染物監測信息無線傳輸延時展開實驗，見表1。

由表1可知，可以有效減少大氣污染物監測信息無線傳輸延時，進一步驗證了所提方法的有效性和優越性。

2.2.3 丟包率

在存在干擾的情況下，分析各個方法在大氣污染物監測信息無線傳輸過程中的丟包率變化情況，詳細的實驗結果見圖2。

分析圖2中的實驗數據可知，在采用不同方法展開大氣污染物監測信息無線傳輸過程中，所提方法出現丟包的次數要明顯低于另外兩種方法，說明所提方法更加適用于大氣污染物監測信息無線傳輸。

3 結束語

大氣污染物監測的必要性體現在保護人類健康、環境保護和氣候變化研究等方面。文章分析物聯網通信系統組成結構，結合物聯網通信技術，提出一種應用物聯網通信技術的大氣污染物監測信息無線傳輸方法，其中在感知層中的物聯網傳感器具有比較強的存儲能力以及通信能力，傳感器采集到的大氣污染物監測信息通過物聯網通信技術展開短距離的數據傳輸。同時，節點通過無線信號進行數據傳輸和通信。將采集到的大氣污染物監測信息直接傳輸到物聯網中，可以有效提升大氣污染物監測信息無線傳輸成功率，降低大氣污染物監測信息無線傳輸延時，減少大氣污染物監測信息無線傳輸過程中的丟包率，獲取更加滿意的大氣污染物監測信息無線傳輸結果。