地空交互多感融合森林防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

李敬兆， 郭明明， 張曉明

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

森林資源范圍大，多處于遠(yuǎn)離市區(qū)、通信設(shè)施及其他基礎(chǔ)設(shè)施較落后的區(qū)域，人工防護(hù)難度大。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分廣泛，傳統(tǒng)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能耗不均衡，為保護(hù)森林的生態(tài)環(huán)境，解決傳統(tǒng)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)針對(duì)森林防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很大的價(jià)值和意義。

為解決傳統(tǒng)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的“能量空洞”的問(wèn)題，文獻(xiàn)〖2,3〗均提出了利用移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)單跳通信的思想，以解決或緩解“能量空洞”的問(wèn)題。但其移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)是裝載在地面移動(dòng)裝置，對(duì)于森林這類障礙物較多的區(qū)域，移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性及其移動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)會(huì)受到很大的局限。錢志鴻等人提出了基于分簇機(jī)制的ZigBee混合路由能量?jī)?yōu)化算法，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇機(jī)制通信方式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)能量?jī)?yōu)化。文獻(xiàn)設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)每次進(jìn)行微小的移動(dòng)，以平衡節(jié)點(diǎn)負(fù)載;但針對(duì)森林這種大范圍數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用性并不強(qiáng)。文獻(xiàn)根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，在移動(dòng)軌跡中位線上多次確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)，設(shè)計(jì)移動(dòng)軌跡，具有一定的實(shí)用性;但中位線劃分為固定的等分橫坐標(biāo)，對(duì)縱坐標(biāo)的軌跡拓展具有一定局限性，不能有效保證所有通信節(jié)點(diǎn)單跳連接。故本文設(shè)計(jì)了相對(duì)橫坐標(biāo)中位線法確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以此優(yōu)化文獻(xiàn)中移動(dòng)路徑。

本文使用無(wú)人機(jī)嵌入移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了地空交互多感融合森林防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了完善的地空交互系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案，給傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面性能帶來(lái)了很大提升，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展注入了新的活力。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

地空交互多感融合森林防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)管理中心組成。如圖1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建和感知數(shù)據(jù)的采集，傳感器節(jié)點(diǎn)在傳統(tǒng)ZigBee協(xié)議基礎(chǔ)上基于無(wú)人機(jī)移動(dòng)通信協(xié)議組構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)可根據(jù)環(huán)境要求，使用U盤或無(wú)線設(shè)備傳至上位機(jī)管理中心。

圖1 森林防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

上位機(jī)管理中心主要由控制室和通信室兩部分組成?？刂剖邑?fù)責(zé)控制森林監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程，以及根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)對(duì)森林采取相應(yīng)的防護(hù)措施，通信室負(fù)責(zé)與傳感器系統(tǒng)的通信，同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的發(fā)布，可根據(jù)數(shù)據(jù)性能要求，選擇用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議(message queuing telemetry transport,MQTT)等基本協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET平臺(tái)，并可以在中移2018年推出的“和物”上制作相應(yīng)森林防護(hù)APP，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的森林防護(hù)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

1.2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

地空交互多感融合森林防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中傳感系統(tǒng)包括地面?zhèn)鞲衅鞣执叵到y(tǒng)和地空傳感器交互系統(tǒng)。根據(jù)森林地形環(huán)境等因素，將溫濕度(SHT10)、光照強(qiáng)度(TSL2560)、CO2濃度(GSSCZO—SK)和煙霧濃度(MQ—2)等傳感節(jié)點(diǎn)合理部署在森林中，以采集森林的環(huán)境參數(shù)。對(duì)地面?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行分簇設(shè)計(jì)，各簇中均有固定的簇頭節(jié)點(diǎn)，接收簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)并完成融合處理。

將匯聚節(jié)點(diǎn)嵌入在無(wú)人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)。地面固定簇頭節(jié)點(diǎn)接收自身簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并將處理后的有效數(shù)據(jù)發(fā)送至通信節(jié)點(diǎn)。通過(guò)控制，無(wú)人機(jī)與地面通信節(jié)點(diǎn)接近至一定范圍內(nèi)，無(wú)人機(jī)只需與通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，即可將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)傳至無(wú)人機(jī)，予以保存。無(wú)人機(jī)飛往下一個(gè)分簇中的通信節(jié)點(diǎn)處并與其完成通信，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直至完成整塊森林采集數(shù)據(jù)的接收。

無(wú)人機(jī)除了嵌入移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，完成傳感數(shù)據(jù)的接收,還搭載了基于51單片機(jī)的紅外熱成像模塊、攝像模塊。無(wú)人機(jī)在完成數(shù)據(jù)接收的飛行過(guò)程中，同時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，從而獲得更全面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集階段完成后，空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)同上位機(jī)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)上傳。

1.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本文監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)OneNET中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái))來(lái)實(shí)現(xiàn)將采集到的森林?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)同OneNET對(duì)接，在云平臺(tái)上創(chuàng)建森林防護(hù)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)相應(yīng)的設(shè)備管理和應(yīng)用管理。

設(shè)備管理中可以看到設(shè)備信息及其連接狀態(tài)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手與服務(wù)器建立連接：IP地址為183.230.40.33，端口號(hào)為80，并根據(jù)創(chuàng)建項(xiàng)目的api-key和設(shè)備ID，可以將設(shè)備的位置信息發(fā)送至OneNET。在設(shè)備管理中，數(shù)據(jù)流展示下的森林監(jiān)測(cè)位置(forest monitoring location)，可以標(biāo)記顯示森林的地圖及其設(shè)備的位置信息。數(shù)據(jù)流展示中還可以顯示傳感器設(shè)備采集的其他數(shù)據(jù)。

應(yīng)用管理可以自定義設(shè)計(jì)森林防護(hù)監(jiān)控界面，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示，并添加噴水、噴藥和無(wú)人機(jī)啟動(dòng)等控件,同時(shí)具有攝像圖和熱紅外圖展示區(qū)。根據(jù)這些圖片通過(guò)深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)處理，可判斷森林是否存在火災(zāi)隱患。其中應(yīng)用紅外熱成像的優(yōu)勢(shì)在于，其可以有效地穿透云霧、煙霧、雨水等惡劣環(huán)境，拍攝出清晰的圖像。

監(jiān)控中心通過(guò)折線圖和柱狀圖等方式，顯示森林環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)流。開關(guān)控件用以控制無(wú)人機(jī)工作狀態(tài)，以及根據(jù)森林環(huán)境閾值參數(shù)報(bào)警系統(tǒng)，控制相應(yīng)的噴水、農(nóng)藥開關(guān)，智能采取防火救火、避免蟲害等防護(hù)措施。在界面最左側(cè)設(shè)置跳轉(zhuǎn)鏈接，可添加森林安全隱患分析、森林防火案例等任意網(wǎng)頁(yè)鏈接。

2 地面固定節(jié)點(diǎn)間通信

2.1 地面固定分簇結(jié)構(gòu)建立

本文地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)基于分簇機(jī)制，結(jié)合空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)地空交互通信協(xié)議。簇中節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、簇頭、通信節(jié)點(diǎn)、備用節(jié)點(diǎn)和簇成員，并用節(jié)點(diǎn)標(biāo)志位r來(lái)標(biāo)記各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 地面?zhèn)鞲衅鞔氐男纬?/p>

圖2分析簇結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中,a節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，且為該區(qū)域簇頭，其自身標(biāo)志位r記為0。固定簇頭節(jié)點(diǎn)a自組織地與該區(qū)域其他節(jié)點(diǎn)連接，形成邏輯簇，并廣播通知確定各節(jié)點(diǎn)類型。其他簇成員接到簇頭廣播后，確定各自節(jié)點(diǎn)類型，同時(shí)設(shè)置自身標(biāo)志位。其中確定剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)b為通信節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，標(biāo)記位r設(shè)置為1；除簇頭和通信節(jié)點(diǎn)外剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)c為備用節(jié)點(diǎn)，標(biāo)記位設(shè)置為2，其他均為普通簇成員，標(biāo)記位r設(shè)置為3。最終各區(qū)域節(jié)點(diǎn)形成各自邏輯簇。

2.2 功能節(jié)點(diǎn)更新及簇內(nèi)通信

當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)剩余能量低于設(shè)置閾值時(shí)，會(huì)選用備用節(jié)點(diǎn)作為新的簇頭節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志位r由2變?yōu)?。新簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)在該簇成員中選擇剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)作為新的備用節(jié)點(diǎn)，而原簇頭節(jié)點(diǎn)成為普通簇成員，標(biāo)志位r由0變?yōu)?。同理，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)剩余能量低于設(shè)置閾值時(shí)，簇頭廣播備用節(jié)點(diǎn)為新的通信節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志位由2變?yōu)?。原通信節(jié)點(diǎn)變?yōu)槠胀ù爻蓡T，標(biāo)志位由1變?yōu)?，并選擇新的備用節(jié)點(diǎn)。以此使得地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)能耗更均衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

由通信節(jié)點(diǎn)與空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)完成廣播對(duì)接及數(shù)據(jù)傳輸，可緩解簇頭的能量消耗。簇內(nèi)通信由子節(jié)點(diǎn)向父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直至簇頭完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)接收處理，并將處理后的有效數(shù)據(jù)發(fā)送至通信節(jié)點(diǎn)。

3 地空靜動(dòng)節(jié)點(diǎn)間通信

3.1 無(wú)人機(jī)初始化

無(wú)人機(jī)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著固定軌跡移動(dòng)，周期性地向所有傳感器節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)信號(hào)。在無(wú)人機(jī)軌跡附近的所有節(jié)點(diǎn)都接收信標(biāo)消息，空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)分析各簇內(nèi)信息，記錄各區(qū)域簇的大小，并針對(duì)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記以及記錄其位置等信息。即無(wú)人機(jī)在以后數(shù)據(jù)接收工作中只需與通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的森林?jǐn)?shù)據(jù)采集。

3.2 地面簇頭與空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)通信

為了確定通信節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)之間何時(shí)連接〖10〗問(wèn)題，無(wú)人機(jī)在遍歷工作過(guò)程中，沿著移動(dòng)路徑進(jìn)行周期性地廣播，表示其處于連接活動(dòng)狀態(tài)。通信節(jié)點(diǎn)則根據(jù)這個(gè)廣播信號(hào)來(lái)確定移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)是否處于連通范圍。確認(rèn)連通時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)將開始向移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后會(huì)對(duì)通信節(jié)點(diǎn)回執(zhí)收到信號(hào)，以便通信節(jié)點(diǎn)確定數(shù)據(jù)已經(jīng)被可靠傳送〖11〗。之后，通信節(jié)點(diǎn)便可以對(duì)已經(jīng)傳送的數(shù)據(jù)包緩存進(jìn)行清除。

4 空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)路徑規(guī)劃

本文如果無(wú)人機(jī)只進(jìn)行簡(jiǎn)單的直線移動(dòng)，將不能有效接收所有通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。通信節(jié)點(diǎn)為使數(shù)據(jù)能傳送至空中無(wú)人機(jī)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，簇間也會(huì)進(jìn)行部分通信，部分通信節(jié)點(diǎn)成為中繼節(jié)點(diǎn)。如圖3(a)中的中繼節(jié)點(diǎn)包括自身節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在內(nèi)，最多需傳輸6組數(shù)據(jù)，這些中繼節(jié)點(diǎn)能量消耗會(huì)相對(duì)較高，從而影響整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生命周期。要設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)移動(dòng)路徑，即確定無(wú)人機(jī)在移動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如圖3為移動(dòng)路徑中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定，無(wú)人機(jī)從A處移動(dòng)至B處，可將整個(gè)監(jiān)測(cè)的簇群縱坐標(biāo)劃分為3等份，并設(shè)置轉(zhuǎn)折點(diǎn)為橫坐標(biāo)的中位線上的其中一點(diǎn)，即橫坐標(biāo)已確定。并根據(jù)與無(wú)人機(jī)路徑附近的中繼節(jié)點(diǎn)所需傳輸數(shù)據(jù)的量，來(lái)判定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的具體位置，如圖3中，不同轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最大值分別為6，7，4，10個(gè)，故圖3(c)中路徑對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更均衡，第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)也即相應(yīng)確定。之后，可以將網(wǎng)絡(luò)分成兩個(gè)簇群〖12〗，路徑可看成兩條線段?？梢酝ㄟ^(guò)此方法添加新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)優(yōu)化無(wú)人機(jī)的移動(dòng)路徑。

圖3 移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定

如圖4為相對(duì)橫坐標(biāo)中位線法來(lái)確定新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖4 移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)相對(duì)橫坐標(biāo)中位線法尋找n次轉(zhuǎn)折點(diǎn)后路徑規(guī)劃

在圖4(c)中可看出，該方法在第一次尋找轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，與等分橫坐標(biāo)中位線法不同，只是簡(jiǎn)單地以初始路徑作為橫坐標(biāo)來(lái)劃分中位線，而是將新路徑作為橫坐標(biāo)(如AC，CB)，分別取AC，CB的中位線作為各自的新縱坐標(biāo)。再根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸量，來(lái)確定新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該方法的好處在于打破固定橫坐標(biāo)方向的局限性，即使得縱坐標(biāo)的擴(kuò)展性更強(qiáng)，移動(dòng)路徑可延伸至監(jiān)測(cè)區(qū)域的任意位置。如圖4(d)，在4次尋找轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)與所有通信節(jié)點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)單跳通信。延長(zhǎng)了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，保證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 測(cè)試與分析

5.1 測(cè)試方案

為簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)將網(wǎng)格布置為正方形區(qū)域。如圖5所示，將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成一個(gè)網(wǎng)格狀的布局結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含在固定的網(wǎng)格內(nèi),各網(wǎng)格中部署相關(guān)溫濕度、CO2、光照和煙霧濃度傳感器。每個(gè)網(wǎng)格相當(dāng)于一個(gè)簇，都有其簇頭節(jié)點(diǎn)(x0，x1，…，x15)，數(shù)據(jù)分析時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)可代表其網(wǎng)格中的其他簇成員節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)測(cè)試。無(wú)人機(jī)嵌入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)，其移動(dòng)軌跡如圖5中A→B→C→D。為控制變量，易于數(shù)據(jù)對(duì)比分析，將傳統(tǒng)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)定置于無(wú)人機(jī)初始位置A點(diǎn)的投影點(diǎn)X16處。準(zhǔn)備好已嵌入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)，檢測(cè)通信設(shè)備是否完好；運(yùn)行后，記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析。

圖5 無(wú)人機(jī)測(cè)試方案移動(dòng)路線

分別在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的固定匯聚節(jié)點(diǎn)和本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)條件下進(jìn)行多輪實(shí)驗(yàn)。分別采集了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度、能量消耗、數(shù)據(jù)包丟失率和時(shí)間延遲參數(shù)，以進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線

圖6(a)為各個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多輪數(shù)據(jù)采集后的平均溫濕度曲線。由于采集的時(shí)刻不同，采集數(shù)據(jù)略有不同，但從平均溫度和平均濕度均可看出，測(cè)試數(shù)據(jù)曲線非常接近。證明在移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)條件下采集的數(shù)據(jù)，和在固定匯聚節(jié)點(diǎn)條件下一致，具有同樣的效果。

從圖6(b)可以看出：在固定匯聚節(jié)點(diǎn)條件下，節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)越近，且越靠近實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中間的能量消耗越大(如節(jié)點(diǎn)X1,X3,X4,X7,X8)；距離越遠(yuǎn)，且遠(yuǎn)離場(chǎng)景中間的節(jié)點(diǎn)能量消耗越小(如節(jié)點(diǎn)X9,X12和X15)。這是由于這些節(jié)點(diǎn)不僅要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，還要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此消耗的能量遠(yuǎn)大于其他節(jié)點(diǎn)。其中從節(jié)點(diǎn)X1,X3,X4可看出，其較大能量消耗就是造成“能量空洞”的原因。這些高能量消耗的節(jié)點(diǎn)，將直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。從移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)條件下的實(shí)驗(yàn)可看出，各節(jié)點(diǎn)能量消耗相差變化不大。這是由于空中移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)是通過(guò)單跳通信接收數(shù)據(jù)，使得各節(jié)點(diǎn)能量消耗相對(duì)均勻。改善了實(shí)驗(yàn)在固定匯聚節(jié)點(diǎn)條件下的“能量空洞”問(wèn)題。

在圖6(c)中，匯聚節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)有部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟失。在固定匯聚節(jié)點(diǎn)條件下，各簇中數(shù)據(jù)包丟失率相差較大，其中通信的跳數(shù)較多的節(jié)點(diǎn)(如X9，X15等節(jié)點(diǎn))，其數(shù)據(jù)更容易丟失，數(shù)據(jù)包丟失率相對(duì)較大。移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)條件下，實(shí)現(xiàn)單跳通信，接收數(shù)據(jù)包的丟失率普遍低于固定匯聚節(jié)點(diǎn)，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能得到相應(yīng)提升。

數(shù)據(jù)遞交延遲〖13〗指從數(shù)據(jù)報(bào)文產(chǎn)生到被匯聚節(jié)點(diǎn)成功接收的時(shí)間間隔。圖6(d)表明，固定匯聚節(jié)點(diǎn)情況下，時(shí)延曲線較為陡峭，各節(jié)點(diǎn)延時(shí)時(shí)間變化大，這也是各節(jié)點(diǎn)與固定匯聚節(jié)點(diǎn)的距離相差較大導(dǎo)致的。在移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)方案中具有一定數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定時(shí)延，接收數(shù)據(jù)包的時(shí)延曲線相對(duì)較為平緩。

5.2 結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以更合理部署相關(guān)傳感器，合理規(guī)劃出測(cè)試環(huán)境中，無(wú)人機(jī)的運(yùn)行軌跡和飛行高度〖14〗等。從圖6(a)的溫濕度對(duì)比可看出，采用兩種方案均可完成基本的數(shù)據(jù)傳輸和采集任務(wù)。圖6(b)，圖6(c)分別從節(jié)點(diǎn)的能量消耗和數(shù)據(jù)包丟失率兩方面，得出系統(tǒng)使用移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的性能得到提升。在圖6(d)中可看出，采用移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)仍具有一定的平均時(shí)延，針對(duì)本文是對(duì)森林防護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，1～2天完成1次數(shù)據(jù)采集即可，對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不高，故對(duì)本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能影響相對(duì)較小。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在完成監(jiān)測(cè)功能的基礎(chǔ)上，性能方面較傳統(tǒng)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)也得到了很大的提升。

6 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的森林監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高應(yīng)用性，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與森林防護(hù)完美結(jié)合，體現(xiàn)了現(xiàn)代發(fā)展的智能化。下一步將考慮在不同環(huán)境多測(cè)幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，即可在不同環(huán)境中，搜索相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)用以對(duì)比分析，提高本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用性。