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基于无线传感器网络的贝类渔获物Web实时温度监测

摘要：本文介绍了一种无线传感器网络的实施，在互联网上的贝类捕捞温度监测。贝类箱中的温度记录器通过无线电向基站发送数据。该信息通过GSM网络传输到服务器，在那里它被处理并上传到数据库中。通过任何互联网能力的设备，基于Web的接口允许配置的网络访问实时和存档的温度数据。该系统被设计为完全自主的，消除了需要重复手动检查。从系统的实施所产生的实际问题的识别和性能的系统在田间试验评估与市售的温度记录器相比。copy;2005 Elsevier公司保留所有权利。

关键词：无线传感器网络；基于Web的接口；射频通信；温度监测；移动通信；海鲜变质

1．引言

最近，食品部门的健康恐慌表明需要增加安全性和质量。2002，欧盟建立了欧洲食品安全局（EFSA）负责恢复和维护食品安全消费者信心。实现这一目标的方法之一是通过改进产品的可追溯性，允许消费者完整的访问相关信息。就渔业而言，原产地往往是唯一提供的信息。然而，完整的可追溯性，正在通过如tracefish项目[举措的实施，从哪里收获回家––详细完整的历史。尤其是在储存和运输过程中，特别是对于储存温度的监测，特别是对贝类产品。迄今为止，这往往涉及到耗时的手动检查，即使温度，影响鱼类/贝类质量的最重要的参数之一，也可能是最容易自动测量和控制。事实上，在以前的研究中，需要一个自主的温度记录系统的捕鱼业被确定。这种需求可以通过使用无线传感器网络满足。

实时无线传感器的一个主要好处是，他们允许采取适当的行动，可以根据情况（自适应传感）直接或甚至自动调整其操作模式。在各种各样的领域里无线传感器网络在常规监测中的应用正变得越来越广泛。种类众多的领域允许配备射频无线网络和数据库系统（RF）功能的PDA和笔记本电脑进行协调和详细的水质监测等，提出了一种基于电化学分析的环境重金属监测无线系统。在无线传感器网络的审查，有各种应用，包括健康，军事，环境和家庭方面涉及到节能问题。然而，很少有工作已经进行了无线传感器网络的可追溯性和食品安全应用。

基于互联网的接口是另一个最近的创新，允许远程控制系统和获取感官信息。

Fujita和Maenaka描述了一个集成的物理传感器能够上传信息通过以太网TCP/IP在Internet上远程查看协议，而Toranacute;等人。开发了一个为远程用户生成HTML报告和电子邮件警报的水质监测虚拟仪器。至目前为止，许多努力集中在一些物理和化学传感器适合纳入无线传感器平台。目前，如成本问题，可靠性和连续校准的需要意味着商业化，低成本物理传感器（如热敏电阻、二极管）普遍赞同在更复杂的化学传感器和生物传感器。然而，化学传感的新方法正在降低成本，但保持分析性能。特别有前途的LED器件的色度测量和实验室环境监控系统。LED设备相对便宜，使他们成为扩大到广域传感器网络的理想选择。在这些复杂的传感器在网络中成立之前，它是理想的无线架构进行测试，在实际应用中，以确定潜在的问题。在本文中，实时温度监测的无线传感器网络有贝类近海拖网渔船的描述。该系统是自主的，可以通过基于Web的软件，它允许实时和存档的温度信息的功能查询的控制。与市售的记录器和改进和/或增强操作的可能的解决方案的系统的性能进行评估和比较进行了讨论。

2.无线温度记录系统的描述

在其当前的形式，日志记录系统是基于周围的一些节点，使用无线射频传输数据的基站与远程数据服务器通过GSM调制解调器通信。图1给出了测井系统和基于Web的软件原理图。当完全实施，无线传感器网络将在两个层次上操作：在地方一级，即在一个特定的拖网渔船/卡车。地方的一级网络是由记录仪监测个体的温度数据，并传回基站部署，以及登上渔船或卡车再通过射频通信（433MHz，见下文）。基站处理这些数据，包括时间戳和记录器ID号。

在宏观层面上，是在这种情况下，将一批拖网渔船，由各个基站收集的数据通过GSM移动电话网络发送到中央服务器。接收到的信息被上传到网络数据库，允许远程访问实时温度信息或以前存储的特殊的拖网渔船具体日志。

图1 示意图详细介绍了无线温度测井网络体系结构和网络接口的操作

存档的温度信息是有用的方面的，可追溯性可由处理器、经销商、超市和消费者确保正确的存储条件都满足一个特定的捕捉。然而，这个功能可以通过接触式记录器的使用覆盖（其中的数据是通过身体接触，一旦日志恢复下载）或时间–温度积分器（TTI）-小的传感器，将温度随时间的变化，通常是通过改变颜色，即热致变色染料。然而，无线系统的主要好处在于数据的可用性和实时性。在这种情况下，监测仪是在极其敏感的环境条件下，必须在腐败发生死亡后立即运行。关于贝类的理想贮存条件的国际法规千差万别。根据爱尔兰的规定，活螺必须在2和10摄氏度之间的温度下运输。暴露在超出这个温度范围的时候会迅速发生死亡。基于接触的温度记录器的限制是，它们只能指示事件发生后的问题。然而，实时数据采集的无线传感器网络可以采取正确的行动，一旦气温超过可接受的范围内，从而减少昂贵的损失 （例如：通过短信通知在船上人员）。

3.硬件

3.1射频温度测井系统

射频温度记录器和GSM基站的whistonbrook技术有限公司在建合同（Luton，UK）。记录器和基站的内部图片如图2所示，记录器/基站系统的示意图先前已提出。

图2 室内的照片：（a）射频温度记录仪和（b）基站

网络的这两个元素有不同的要求。该记录器被设计成大规模部署与低成本的组件和最小的功耗，而基站需要增强的功能和功率-虽然只有一个单位需要拖网或卡车。记录器和基站的结构和功能详细如下。

记录器的主要部件在图2A中被高亮显示，记录器包括由两个AA电池供电的电路板，并且能够连续工作几个月。板和电池完全密封在一个防水的塑料套管测量142mmtimes;84mmtimes;25mm。温度是通过一个5K的679–434热敏电阻监测（0.1摄氏度分辨率，派睿电子），在图2a是记录器嵌入不可见的导热环氧树脂中记录的。这提高了记录器响应环境温度变化。发射机组件包括433MHz微射频发射机（汽车公司）与微调控制和印刷天线。簧片开关允许在两个数据采集模式之间切换。默认设置允许数据被收购在5分钟的间隔期间采用的田间试验。其他设置在5S间隔获取数据，并用于诊断测试。电流模式由LED指示。记录器是由一个低功率的PIC16LF872微处理器控制（微芯科技公司），当不传送数据时记录器驻留在睡眠模式以节省电力。

可以看出，基站是相当复杂的记录器。这也是times;188mm的188mmtimes;130毫米尺寸较大。由记录器发送数据的收集am-hrx3接收机（汽车公司）通过外部安装的射频天线。一旦收到，原10位数据串的pic16lf870 CPU处理（微芯科技公司）为含4位ID标签20bit字符串，4位温度值和12点的时间戳（通过一个内置的实时时钟提供）和存储在EEPROM存储器（32KB升级到128KB）。下载时，从服务器请求（通常每15min,由用户设定），处理后的数据通常是通过移动网络通过TC35 GSM调制解调器（西门子）。在弱覆盖区域，GSM天线可以部署外部的基站（sim;1米延长线）。另外，数据可通过串口在密封的控制面板允许直接下载到笔记本电脑虽然功能只用于诊断测试和不在现场试验发射。从图中可以清楚地看到，基站的很大一部分是由12V的铅酸电池供电的。除了供电的GSM调制解调器，这额外的容量要求基站听从记录器数据从服务器上下载请求，因此为搬运工人做的不能进入睡眠模式以节省电力。在正常操作情况下，电池将持续1–2周。

3.2 iButton接触记录器

从DallasSemic onductor的模型ds1921-f51 iButton温度记录器。这些设备可以存储多达2048个数据点在1–255min间隔。在这项研究中，时间总是设置为5min到匹配的射频记录器。分辨率是0.5◦C与plusmn;1◦C.精度试验中，一个iButton是附加到每个射频温度记录仪允许两个系统之间的直接比较。另一个iButton也连接到基站监测环境空气温度上的拖网渔船和运输卡车。采集的数据在野外试验结束时被下载。

4. 原型系统

一个基于Web的原型与XML数据库现在完全运作。GSM连接，数据传输和存储管理的网络奔腾4电脑，作为远程数据服务器。控制软件和数据库是完全基于网络的，可以通过使用任何安全的设备（如PC，笔记本电脑或PDA）的Web浏览器访问通过密码保护连接。在这些研究中，试验控制及数据采集监测使用的GPRS功能的XDA II的Pocket PC（O2爱尔兰）。

通过Web界面，软件允许执行下列程序：

启动/停止试验；在试验验证数据采集和查询以前记录的数据；同时控制多个基站；访问一个用户定义的规则机制，允许触发特定事件的设置，例如报告的问题，如温度以外的上/下控制水平，通信丢失等；数据存储在数据库中的表格或图形输出和查询功能。

Web界面的外观自动调整取决于所使用的平台的类型。的界面截图（图3给出的XDA II）和图4（一个台式电脑）。在试验中，软件开始使用XDA II远程配置。输入用户名和密码后，用户将提交主菜单。通过主菜单提供的选项（在图左可见）如下：

（1）连接：启动与某个基站的连接，它可以从下拉菜单中选择。在初始连接之前，使用配置图如图3b所示，设置基站，一旦连接建立，远程访问平台（例如PDA）就可以断开，因为远程服务器PC将自动管理数据下载。作为下载过程的一部分，数据通过一个“浓缩过程”被捕获和处理，并转换为XML文档，这些数据作为一系列数字进行传输和处理。

图3 该网络接口在PDA屏幕截图：（a）和（b）表格结果屏幕配置屏幕

图4 在台式电脑上的网页界面的图形结果屏幕截图

（2）图表：提出的最后12个数据图点下载，即允许在试验数据验证快速（需要java）。

（3）查询：这提供了查询菜单，允许标准用户查询或更具体的（XPath）查询。XPath查询需要数据库专家，但以几乎无限查询的形式提供最大的灵活性。用户查询更一般，允许选择简单的图形或表格形式的参数。在这两种形式中，查询可以使用下拉菜单的一些参数，如日志号码，日期，时间和温度。扩展的查询也可以通过下拉菜单，允许文本数据输入方式灵活，队长/船如名称、类型的捕捉，在XDA II表结果的一个例子是在图3A，而在PC图形结果的一个例子是图4中给出了。

（4）规则：当存储条件偏离可接受的范围时，软件可以被配置为发出警告。规则菜单允许用户添加/编辑/删除规则的触发事件，这些警告。一个规则分类和基于XML的规则语言专门设计了这个任务。

（5）配置：配置屏幕（图3b）允许用户添加，编辑和删除基站设置。

除了连接所需的基站拨号号码和自动重拨设置外，还可以输入有关船舶、船长、catch类型等相关信息，并可以通过数据库查询。

（6）注销：断开与系统。

5. 田间试验

温度测井试验是在与国际会计准则委员会一起开展Errigal，立足Carrick，co.donegaland Bord iascaigh mhara（BIM），爱尔兰渔业委员会。该试验是在近海拖网渔船进行，位于都柏林Howth港口有限，鱼在都柏林湾的监测仪。船离开了港口，一般7和9a之间的点，在该点记录器和基站被激活。在最初的试验中，在实施基于Web的软件，控制试验和数据验证处理的基础上的土地谁传达信息的拖网渔船/卡车通过移动电话的人员。在以后的试验中，使用基于网络的软件和XDA II的Pocket PC，允许完全控制实时车载拖网船或卡车。

在审判过程中，基站是一个方便的位置设置（通常在3米处的盒装监测仪）和射频记录器，带有按钮，添加到盒子的捕捞收获。温度数据记录了整个一天，直到拖网渔船返回港口，一般在下午晚些时候。监测仪的箱转移，随着基站和记录器，到送货卡车运输到加工厂（sim;250公里）这期间温度测井继续。

到达加工厂后，记录器从鱼箱中取出，基站关闭。

6. 结果与讨论

一个iButton记录仪和无线传感器网络内的射频记录器是图5给出的现场试验中得到的典型结果。在温度测量方面，定制射频记录器显示几乎相同的轮廓，商业iButton的单位，显示的数据的准确性。

获得从海螺试验开始直至繁衍全部时间在图6给出的数据为例，在环境温度又被连接到基站监控按钮。图6A详细资料的温度历史的一个2004的二月。在海里期间，（10–16:00左右），温度仍然低于上限约为8◦，渔船回到码头和海螺被抓直接转移到货车（非冷藏）。

图5 比较温度记录使用无线温度测井系统和iButton的温度记录仪的获得

图6 温度记录海螺的时间赶在收获加工厂输送到（a）获得二月和七月（b）。

温度保持在10摄氏度以下到加工厂的陆路旅程（约16:00–22:00h）。对于这次试验中，可以看出，充分的信息沟通，实现没有中断的数据集。温度数据也证实，在整个期间保持适当的存储条件，而在海上和运输过程中的加工厂，这是可以预期的相对较低的环境温度的一天。图6b，在2004年七月海螺被捕捞后的温度历史详细。搬运工的报道相对较高的初始环境温度（超过20◦C，由于存储在一个黑色的帆布袋）除在这一点上观察到的快速降温时间（约9:00和10:00h）。在海期间，（大约10–4pm），所有三个搬运工人报道的温度始终高于阈值上限10◦C。

图7 平均温度值超过几个月的海螺存储在板的拖网渔船。从收集的搬运工在海螺盒数据计算

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