基于物聯網的野外魚類監(jiān)測系統(tǒng)研究

丁曉波，吳 凡，龔國強

（三峽大學 計算機與信息學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

水利設施和水電工程等人類活動對河流中的魚類生存繁衍產生了巨大的影響，為了有效地保護野生魚類資源，以及開展相關研究，需要對野外的魚類活動進行監(jiān)測和追蹤，掌握其活動軌跡，從而有針對性地開展研究和保護工作。魚類標識和追蹤技術經歷了傳統(tǒng)的魚鰭夾片、冷凍貼標、編碼金屬標、噴涂標記等方式，發(fā)展到現代無線電標簽、聲學標簽、射頻標簽等信息技術手段。目前信息化監(jiān)測手段雖然在監(jiān)測方式上實現了非接觸的自動獲取，但由于監(jiān)測點分散，仍然采用設備獲取數據本地化保存，人工讀取數據再分析的工作模式。這種模式下，科研人員工作強度大、系統(tǒng)實時性差、效率低下，難以滿足科研工作的需要，不利于對魚類研究和保護工作的深入開展。

造成這一問題的主要原因在于，野外魚類監(jiān)測的通信條件和供能條件都難以保證數據交換需要，信息處理的方式還沒有從單機模式轉變到聯網運行的模式上來。本文以物聯網技術為依托，重點解決野外環(huán)境下RFID 魚類監(jiān)測設備適應性和靈活性問題，研制具有更好滿足野外復雜條件下部署的RFID 監(jiān)測設備，采用LPWAN（低功耗廣域網）技術，設計滿足野外大范圍數據傳輸要求的轉發(fā)策略，實現監(jiān)測數據實時上報到互聯網上的物聯網平臺，打通魚類監(jiān)測點與科研人員之間的數據傳輸通道，構建完整的物聯網應用系統(tǒng)，有效地滿足了野外魚類監(jiān)測研究和保護數據的多監(jiān)測點、大數據量、位置相關、時間相關、實時性等需求，為魚類監(jiān)測與保護等研究提供了有效的技術手段，也為物聯網在野外條件的監(jiān)測應用提供了典型案例。

1 系統(tǒng)結構及關鍵問題

1.1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)總體結構按照物聯網體系結構的感知層、網絡層和應用層的架構進行規(guī)劃。

（1）感知層，主要是采用RFID 技術，將微型RFID 標簽通過注射方式注入到待監(jiān)測的魚體內，登記相關信息后，將魚放回待監(jiān)測水域，然后在不同監(jiān)測點部署標簽監(jiān)測讀取設備。通過監(jiān)測設備的地理位置、時間以及監(jiān)測到的標簽信息等作為魚類活動的感知數據。

（2）網絡層，主要負責完成感知數據實時轉發(fā)，由于在野外缺乏必要的基礎設施作為支撐，從感知層接入互聯網的通信過程需要由感知設備通過一定的轉發(fā)方案發(fā)送到互聯網網關接入點，從而完成感知層與應用層之間的數據連接。

（3）應用層，主要對野外相關水域各監(jiān)測點上傳的魚類監(jiān)測數據進行匯總和存儲，并根據監(jiān)測點相關參數對數據進行分類和整理，從而形成待監(jiān)測流域或區(qū)間的魚類活動數據集，為進一步開展行為分析和應用研究提供支持。系統(tǒng)總體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

1.2 需要解決的關鍵問題

由于野外環(huán)境下不同水體的監(jiān)測條件區(qū)別很大，不同環(huán)境下部署天線的截面積、引線長度、周圍環(huán)境的干擾、水體的流動、魚類的聚集和游速等，都會對RFID 設備工作產生較大的影響。目前能夠采購到的相關RFID 設備在大尺寸天線支持、調諧便捷性等方面很難滿足要求，因此對于感知層設備，需要針對野外的監(jiān)測環(huán)境，研發(fā)專用的魚類監(jiān)測裝備。系統(tǒng)網絡層主要完成數據傳輸功能，由于對魚類進行監(jiān)測的地點是在野外，最具有可用性的就是移動通信網絡，但移動通信網絡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)境下數據的傳輸問題，以便能夠將監(jiān)測設備的數據及時可靠地接入互聯網，進而傳送給應用層平臺。系統(tǒng)應用層功能主要包括兩方面：一是完成數據的收集和存儲；二是對數據進行科學地分析。從而形成對魚類行為的描述和特征表達，為科學研究和魚類保護提供依據。但由于監(jiān)測點較多、通信路徑復雜、野外條件下的設備工作穩(wěn)定性難以保證等因素，使得獲取的數據存在一些質量問題，如噪聲、數據缺失、數據錯誤、數據重復、數據不完整等，需要根據地點、時間、重復性等多方面手段進行數據清洗和整理，從而為更高效數據分析提供有價值的數據支持。

2 系統(tǒng)設計與實現

2.1 魚類專用RFID 監(jiān)測設備研發(fā)

RFID 監(jiān)測設備包括魚身體里注射的標簽、監(jiān)測點的閱讀器、相應的電源模塊三部分。其中標簽通過與天線的電感耦合完成與閱讀器的能量和數據交互，通過標簽的ID號來標識被注射該標簽的魚，并結合環(huán)境參數、地理位置參數等生成相應活動記錄數據。監(jiān)測設備總體結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測設備結構圖

閱讀器是監(jiān)測設備的核心。當魚類進入天線的電感耦合范圍后，魚類身體中注入的標簽通過射頻載波獲取能量，并通過這些能量與閱讀器進行交互，將其自身標簽編號發(fā)送給閱讀器，閱讀器收到數據后結合其地理位置、時間、氣溫、水溫以及工作狀態(tài)參數等形成一次完整的數據采集。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產生并進行射頻信號交換的重要部件，采用了TI 公司的RI-RFM-007B 射頻模塊，該模塊可通過控制接口進行操作和數據交換，并提供了諧振狀態(tài)的檢測接口。

天線是閱讀器與標簽交換能量和信息的通道，由于野外河道或魚道的尺寸千差萬別，因此要根據監(jiān)測點的實際情況來繞制天線，同時還得滿足射頻系統(tǒng)的諧振參數要求，需要根據天線電感量的不同串聯相應的諧振電容。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、并聯方式組成調諧部件，該部件的電容參數可通過跳線的方法進行調整，并在電路中設置可微調的電感，從而在滿足監(jiān)測點天線尺寸要求的同時，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據的關鍵，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、電源檢測、地理位置檢測、數據交換接口等部件，主要完成對相關環(huán)境數據、地理位置信息的收集，以及控制射頻前端完成對魚類射頻標簽監(jiān)測數據的獲取。

電源部件為閱讀器提供所需的工作電壓支持，同時也對電源進行監(jiān)測和參數獲取，主要完成電源模塊從12 V 電壓到控制器部分5 V、3.3 V 的電壓轉換。

外部的電源模塊為監(jiān)測設備提供電力支持，主要包括三個部分：蓄電池、充放電控制器和太陽能充電板。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，通過充放電控制器提供給閱讀器使用。由于監(jiān)測設備需要實現24 小時不間斷工作，為了保護其工作的連續(xù)性，在電源模塊中通過50 W 光伏發(fā)電板來進行電能補充，白天光伏板為監(jiān)測設備供能的同時，還能夠為鋰電池進行充電，夜間則完全由鋰電池為設備提供電能。

2.2 通信手段及策略

監(jiān)測設備獲取的數據需要通過一定的通信手段傳送到數據處理平臺。該數據傳送過程中首先需解決監(jiān)測設備如何將數據上傳至互聯網的問題。在野外最便捷連接互聯網的方式是利用移動基站提供的3G 信號等移動廣域網信號接入，但當設備處于基站信號無法覆蓋的區(qū)域時，則需要采取更加靈活的接入方式。

本文利用基于擴頻通信的LPWAN 技術LoRa 通信模塊作為非基站信號條件下的數據交換通道，當監(jiān)測設備無法連接到基站信號時，通過點對點的通信方式與其鄰近的監(jiān)測設備進行通信，再由鄰近設備轉發(fā)給下一臺設備。通過多跳轉發(fā)最終將數據送到移動信號可覆蓋的監(jiān)測點，完成數據接入互聯網的功能。由于魚類監(jiān)測設備沿河道或魚道進行部署，數據傳輸過程已具有一定的順序性，采用多跳結構符合實際應用場景和數據傳輸的特點，能夠滿足實際應用的需要。其通信方式如圖3 所示。

圖3 數據傳輸通信策略示意圖

圖中監(jiān)測設備編號為1 ～5，其中1 ～3 號設備可以直接通過基站接入互聯網，而設備4、5 則因距離太遠，無法連接通信基站，只能通過鄰近的3 號監(jiān)測設備進行轉發(fā)，完成與互聯網的數據交換。

2.3 物聯網平臺接入

物聯網平臺主要用于接收感知層獲取的數據，并進行存儲和管理，然后為應用程序提供數據支持。目前可以采用服務器自建平臺方式或采用公共物聯網平臺進行定制的方式來完成相關環(huán)境的建設。本項目以ONENET 公共物聯網平臺為基礎，進行設備接入和數據接收存儲管理，然后通過該平臺的應用開發(fā)接口實現相關應用程序的接入和數據處理。

在ONENET 平臺上，可以使用MQTT 協議進行數據交換和接入，數據包根據上報數據串中的坐標點和編號為依據進行分類存儲，以保證無論數據是直接通過NB-IoT 方式上傳到平臺，還是通過多跳轉發(fā)的方式上傳到平臺，都能夠正確地識別和管理。

3 系統(tǒng)測試與評價

3.1 測試環(huán)境搭建

為了便于進行相關功能和數據測試，在模擬的人工魚道環(huán)境進行了測試工作，人工魚道內寬60 cm，水深30 cm。測試對象為人工養(yǎng)殖15 ～20 cm 的小草魚活體，采用注射方式分別在魚體內注入了不同編號的標簽，用手持閱讀器讀取魚體內標簽，記錄標簽編碼和對應魚的特征后將魚苗投入人工魚道。監(jiān)測設備的天線在魚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，通過調整與天線串聯的調諧模塊，使得天線達到諧振工作點。利用鋰電池給監(jiān)測設備提供電源支持，并通過光伏充電板作為輔助為電池提供充電和工作，在監(jiān)測設備的監(jiān)測串口接入計算機，觀察監(jiān)測數據的獲取和傳輸等相關情況。

3.2 相關測試情況

保持外部環(huán)境的平穩(wěn)，調整魚道中水流速度為1 m/s，使魚在魚道中自由活動狀態(tài)較平穩(wěn)。啟動監(jiān)測設備，并通過計算機串口觀察固定在魚道中的RFID 天線數據讀取和物聯網平臺的數據接收情況，通過NB-IoT 方式將設備直接接入ONENET 平臺，經過48 小時測試，記錄試驗情況，見表1 所列。

表1 監(jiān)測數據讀取情況

3.3 數據轉發(fā)及設備連續(xù)工作測試

取掉監(jiān)測設備通信模塊上的NB-IoT 模塊的SIM 卡，模擬NB-IoT 掉線狀態(tài)下的數據通信，利用LoRa 接收模塊的點對點通信，并記錄獲取的數據情況，同樣進行48 小時測試，記錄試驗情況，見表2 所列。

表2 監(jiān)測數據及轉發(fā)情況

3.4 測試結果分析

由表1 和表2 的測試結果可以看到，監(jiān)測設備能夠完成連續(xù)的魚類監(jiān)測和數據發(fā)送任務，并在平臺上能夠正確獲取數據，證明系統(tǒng)具備連續(xù)工作的能力和可用性。雖然監(jiān)測數據經無線傳輸后會存在一定的數據損失，但均小于數據總量的5%，而且丟失數據多為連續(xù)讀取時的數據，并未對數據分析產生明顯影響。從兩表的數據丟失率看，數據直接由NB-IoT 傳送到平臺或者通過轉發(fā)方式傳輸至平臺，數據丟失率基本相同，因此通過轉發(fā)方式進行數據上報具有較好可用性。綜上證明了系統(tǒng)能夠滿足對野外魚類監(jiān)測的數據采集、傳輸和應用需要。

4 結 語

本文以物聯網技術在野外環(huán)境下的魚類監(jiān)測應用為目標，分析討論了現有分散式數據采集方式存在的主要問題，以及通過物聯網技術進行相關數據采用和應用分析的優(yōu)勢。本文從物聯網系統(tǒng)的感知、傳輸、應用等三個層面分析了針對魚類監(jiān)測應用中需要解決的關鍵技術問題，提出了相應的解決方案。通過設備開發(fā)、轉發(fā)策略設計與系統(tǒng)搭建，實現了完整的數據采集、傳輸和存儲的數據采集系統(tǒng)。經模擬環(huán)境測試，系統(tǒng)能夠較穩(wěn)定地獲取監(jiān)測點的各類環(huán)境參數和魚體中的RFID 標簽數據，并通過NB-IoT 通信方式或轉發(fā)方式將數據上傳至ONENET 物聯網平臺，解決了野外環(huán)境下魚類監(jiān)測和數據接入物聯網平臺的問題。未來還需要在數據的本地化存儲、異步數據交換、多監(jiān)測天線支持、遠程觸發(fā)和多設備協同監(jiān)測等方面開展深入研究工作，以解決多跳轉發(fā)過程的數據沖突和溢出丟失等問題，包括采用高效的重傳機制和存儲轉發(fā)策略，更好地保障野外條件下監(jiān)測數據的有效傳輸，減少數據丟失，確保系統(tǒng)的可用性。