基于無線傳感器網(wǎng)絡的河流自動監(jiān)測站設計

0 引言
    河流是工農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要資源，同時對區(qū)域生態(tài)資源有著重要影響。伴隨著自然條件的變化以及工業(yè)發(fā)展，頻發(fā)的洪澇災害和各種水污染問題嚴重影響河流的健康狀況。因此建立實時有效的河流監(jiān)測系統(tǒng)對防洪及水污染治理有著重要意義。
    目前，河流自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由前方的自動監(jiān)測站點和后方的控制中心組成。自動監(jiān)測站負責對河流的各項指標進行監(jiān)測，并使用移動通信網(wǎng)絡，計算機網(wǎng)絡、數(shù)傳電臺等傳輸方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。
    現(xiàn)有自動監(jiān)測站大多由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和傳輸設備組成，體積較大。監(jiān)測站不同設備之間采用有線方式連接。河流監(jiān)測點大多位于偏僻地區(qū)，受到布線和環(huán)境因素限制，自動監(jiān)測站監(jiān)測范圍有限、靈活性差，無法大量部署站點。因此，監(jiān)測系統(tǒng)無法提供大量有效數(shù)據(jù)覆蓋河流流域。本文提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的河流自動監(jiān)測站設計方案，擴大現(xiàn)有自動監(jiān)測站的監(jiān)測面積，提高靈活性，及時提供監(jiān)測區(qū)域河流的水文、水質(zhì)狀況。

1 系統(tǒng)結構及組成
    系統(tǒng)采用兩級結構：數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)匯聚層。數(shù)據(jù)采集層具有采集和傳輸功能，負責采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)并選擇有效的路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚層；數(shù)據(jù)匯聚層具有數(shù)據(jù)匯集、封裝、傳輸功能，匯聚不同通道的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議封裝原始數(shù)據(jù)并發(fā)送出去。
    基于無線傳感器網(wǎng)絡的河流自動監(jiān)測站由無線傳感器網(wǎng)絡和自動監(jiān)測站組成，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)匯聚功能。系統(tǒng)組成如圖1所示。

    無線傳感器節(jié)點具有可擴展、易部署的特點?？梢愿鶕?jù)監(jiān)測方案的需求，攜帶不同的水文、水質(zhì)傳感器，部署在河流監(jiān)測斷面及沿岸。這些節(jié)點以自組織的方式形成多跳網(wǎng)絡，監(jiān)測信息以逐跳傳遞到自動監(jiān)測站的匯聚節(jié)點。自動監(jiān)測站由匯聚節(jié)點和RTU組成，是整個河流監(jiān)測系統(tǒng)的通信樞紐。自動監(jiān)測站接收無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送的河流信息，并傳輸?shù)礁骷壷骺刂行模唤邮湛刂浦行拿?，啟動無線傳感器網(wǎng)絡并監(jiān)測網(wǎng)絡運行狀況。

2 無線傳感器網(wǎng)絡
    無線傳感器網(wǎng)絡作為原有自動監(jiān)測站的一路擴充信號，可以根據(jù)需求調(diào)整節(jié)點部署位置和密度，提高原有監(jiān)測站的監(jiān)測范圍和靈活度。無線傳感器網(wǎng)絡設計包括節(jié)點硬件設計、軟件設計以及路由協(xié)議三個方面。
2．1 節(jié)點硬件
    傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本組成單元，并且實現(xiàn)網(wǎng)絡終端和路由器雙重功能。節(jié)點一般具備信息采集、數(shù)據(jù)存儲和簡單處理、無線通信功能，并且可以與其他無線傳感器節(jié)點協(xié)作，完成指定的任務。傳感器節(jié)點通常由處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。
    處理器是硬件平臺的核心，負責節(jié)點各個模塊的控制，數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)戎匾蝿?。無線傳感器節(jié)點的處理器應具有功耗低、集成度高、性能良好、成本低的特點。ATmega公司開發(fā)的ATmega128L是一款低功耗、高性能的AVR 8位芯片。內(nèi)部有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，適合反復燒寫程序。該芯片提供電源管理及睡眠模式，可以通過寄存器設置關閉MUC不使用的模塊，方便實現(xiàn)節(jié)點在休眠和工作狀態(tài)的切換，
降低能耗。可提供8個通道的10位ADC轉換功能以及外部中斷功能，便于外部擴展。
    傳感器模塊的選擇依據(jù)水文、水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測項，主要包括水位、雨量、流速、含氧量、pH值等。由于節(jié)點部署在戶外，要考慮到能量供應、壽命等因素選擇低功耗，穩(wěn)定性好的傳感器。設計中使用了雨量傳感器與水位傳感器。
    Delta-T Devices生產(chǎn)的RG2翻斗式雨量傳感器的工作原理是，在計量翻斗承受的降水量到一定量(0．2 mm)時，計量翻斗會把降水傾倒至計數(shù)翻斗，計數(shù)翻斗翻轉一次送出一個開關信號。雨量計提供兩根連接線，一根線和電源相連，另一根是信號線。傳感器的信號線與處理器的INT1引腳連接。
    雨量傳感器提供數(shù)字量輸出，因此使用處理器提供的外部中斷方式采集信號。ATmega128L的中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā)，設置外部中斷寄存器EICRA的ISC11位和ISC10位均為1，即開啟INT1引腳的上升沿異步中斷請求。SREG寄存器的1標志位以及外部中斷屏蔽寄存器EMISK的INT1置1，當INT1引腳產(chǎn)生電平跳變時，雨量計產(chǎn)生一個量程式觸發(fā)中斷。
    水位傳感器采用GIobal Water的WL400水位傳感器。它適合用于嚴酷外部環(huán)境，具有極好的線性和較弱的滯后效應，能夠及時監(jiān)測到微小的水位變化，提供4～20 mA電流輸出，溫度與電壓自動補償。該傳感器接口簡單，總共有兩個引腳，分別是電源和信號輸出。由于ATmega128 L的ADC端口是對電壓信號采樣，因此先使用轉換電路將傳感器的輸出信號轉換為0．5～2．5 V的平穩(wěn)電壓信號。將轉化后的電壓信號與芯片的ADC引腳相連，通過軟件編程對相應引腳采樣讀取水位值。
    無線傳感器網(wǎng)絡工作時，能量消耗主要由節(jié)點間通信產(chǎn)生。因此通信芯片的性能、功耗對整體能量消耗、網(wǎng)絡壽命至關重要。TIChipeon公司生產(chǎn)的CC2420芯片具有低電壓、低功耗的特點，使用IEEE 802．15．4協(xié)議能確保短距離通信的可靠性。CC2420芯片通過SPI針腳與處理器連接，處理器工作在主機模式，CC2420則是從設備。
2．2 節(jié)點軟件設計
    考慮到傳感器網(wǎng)絡本身特性和應用需求，傳感器網(wǎng)絡部分軟件開發(fā)采用專門研發(fā)的TinyOS操作系統(tǒng)。其模塊化設計降低了程序規(guī)模，適用于存儲資源少和處理能力有限的傳感器。TinyOS采用事件驅(qū)動模式，任務隊列為空時，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，有效降低能量消耗。TinyOS支持的nesC語言是對C語言的擴展，實現(xiàn)了組件化／模塊化思想與事件驅(qū)動執(zhí)行模型的結合，開發(fā)方便。
    采集節(jié)點的軟件流程如圖2所示。

    系統(tǒng)上電后首先完成各個模塊的初始化及對通信模塊、外圍電路、電源的檢測等。因要采集節(jié)點的數(shù)字信號和模擬信號，因此分別采用中斷和輪詢兩種方式采集感知信號。節(jié)點啟動后，設置外部中斷寄存器開啟外部中斷，設置INT1引腳的中斷為上升沿觸發(fā)，以中斷方式記錄數(shù)字傳感器的感知事件。連接模擬傳感器的節(jié)點啟動后開啟Timer，當時間Timer．fire()觸發(fā)拋出Datdtask()任務，進行ADC采樣、封裝數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到簇頭節(jié)點。
2．3 路由協(xié)議
    河流監(jiān)測屬于數(shù)據(jù)聚集應用，是無線傳感器網(wǎng)絡的一類重要應用模式。網(wǎng)絡的惟一目的節(jié)點是匯聚節(jié)點，所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)都要發(fā)送到匯聚節(jié)點。因此設計中選用LEPS(Link Estimation and Parent Select)協(xié)議，適用于數(shù)據(jù)聚集應用的TinyOS多跳路由協(xié)議。
    LEPS路由協(xié)議建立以匯聚節(jié)點為根節(jié)點的樹形拓撲，每個節(jié)點維護自己與鄰居節(jié)點間的雙向鏈路質(zhì)量評估，并以此為依據(jù)選擇鏈路質(zhì)量最好、跳數(shù)最小的鄰居節(jié)點作為父節(jié)點。數(shù)據(jù)轉發(fā)時網(wǎng)路層應用程序根據(jù)LEPS路由協(xié)議完成路由決策，選擇有效路徑將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。

3 自動監(jiān)測站設計
    自動監(jiān)測站在原有河流監(jiān)測系統(tǒng)中只負責數(shù)據(jù)采集，而基于無線傳感器網(wǎng)絡的河流監(jiān)測系統(tǒng)中的自動監(jiān)測站既要實現(xiàn)原有的數(shù)據(jù)采集功能，還要充當無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關實現(xiàn)協(xié)議轉換和通信功能。
3．1 自動監(jiān)測站硬件設計
    自動監(jiān)測站位于整個監(jiān)測系統(tǒng)的中部，是信息傳遞的樞紐。負責啟動、配置監(jiān)測網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡和原有自動監(jiān)測，實現(xiàn)Zig-Bee無線協(xié)議與RTU通信協(xié)議之間的轉換。
    自動監(jiān)測站處理大量監(jiān)測數(shù)據(jù)和命令，因此設計中考慮到穩(wěn)定性、可靠性等因素，自動監(jiān)測站的匯聚節(jié)點使用Micaz節(jié)點。其51針擴展接口能夠連接I2C，SPI，UART等接口，易與其他設備連接，射頻模塊還具有高速傳輸速率和加密功能。將Micaz節(jié)點與Mib510板連接即可以構成一個提供RS 232接口的基站。
    RTU是自動監(jiān)測站的核心設備，既要作為原有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，還要承擔無限傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)管功能。SIXNET的IPm2m RTU嵌入Linux系統(tǒng)，具有高級編程能力，并具有數(shù)據(jù)記錄功能。接口豐富，不僅提供數(shù)字模擬混合I／O，還有RS 232，RS 485，以太網(wǎng)接口各一個。設計中RS 232接口用于和上層的PC機連接。RTU則通過RS 485接口與匯聚節(jié)點連接，RTU工作在主機狀態(tài)，整個無線傳感器網(wǎng)絡則可看作從設備。
3．2 自動監(jiān)測站軟件設計
    自動監(jiān)測站的主要功能就是實現(xiàn)協(xié)議間的轉換，將無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包格式解析成RTU數(shù)據(jù)格式并進行存儲。
    無線傳感器網(wǎng)絡中傳輸?shù)闹鲃酉鼉?nèi)容包括地址(Destination Address)、句柄ID(Handler ID)、組ID(group ID)、消息長度(Message Length)和有效數(shù)據(jù)載荷(Payload)。其中最大長度(29 B)的有效數(shù)據(jù)載荷中保存監(jiān)測數(shù)據(jù)及源節(jié)點號這些重要信息。RTU通信消息格式包括包長、源地址、CRC校驗位等固定部分，其中數(shù)據(jù)域內(nèi)容包括消息類型、寄存器起始地址、占用寄存器的大小。數(shù)據(jù)域的大小可以根據(jù)需要進行調(diào)整。
    自動監(jiān)測站接收來自無線傳感器網(wǎng)的所有主動消息包，剔除冗余信息提取有效數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否有效，無效則拋棄該數(shù)據(jù)包，有效則存儲到RTU消息包的數(shù)據(jù)域，完成數(shù)據(jù)的二次封裝，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到主控中心。軟件流程如圖3所示。

4 結論
    無線傳感器網(wǎng)絡具有低成本、低功耗、與應用相關、便于部署等特點。適于在惡劣、復雜環(huán)境下完成目標監(jiān)測、跟蹤等功能，因此在環(huán)境監(jiān)測，戰(zhàn)場目標跟蹤方面具有廣泛前景。將無線傳感器網(wǎng)絡與原有河流監(jiān)測系統(tǒng)結合能夠擴大監(jiān)測范圍和精度。在下一步工作中將優(yōu)化網(wǎng)絡，提高網(wǎng)絡的監(jiān)測效率。