基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的河流自動(dòng)監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)

0 引言
    河流是工農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要資源，同時(shí)對(duì)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(zāi)害和各種水污染問題嚴(yán)重影響河流的健康狀況。因此建立實(shí)時(shí)有效的河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)防洪及水污染治理有著重要意義。
    目前，河流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由前方的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和后方的控制中心組成。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)對(duì)河流的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)傳電臺(tái)等傳輸方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。
    現(xiàn)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)站大多由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和傳輸設(shè)備組成，體積較大。監(jiān)測(cè)站不同設(shè)備之間采用有線方式連接。河流監(jiān)測(cè)點(diǎn)大多位于偏僻地區(qū)，受到布線和環(huán)境因素限制，自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)范圍有限、靈活性差，無法大量部署站點(diǎn)。因此，監(jiān)測(cè)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(luò)的河流自動(dòng)監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)方案，擴(kuò)大現(xiàn)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)面積，提高靈活性，及時(shí)提供監(jiān)測(cè)區(qū)域河流的水文、水質(zhì)狀況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成
    系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)：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(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)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(luò)的河流自動(dòng)監(jiān)測(cè)站由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)站組成，分別實(shí)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(diǎn)具有可擴(kuò)展、易部署的特點(diǎn)。可以根據(jù)監(jiān)測(cè)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(cè)斷面及沿岸。這些節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成多跳網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)信息以逐跳傳遞到自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的匯聚節(jié)點(diǎn)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站由匯聚節(jié)點(diǎn)和RTU組成，是整個(gè)河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信樞紐。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的河流信息，并傳輸?shù)礁骷?jí)主控中心；接收控制中心命令，啟動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為原有自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的一路擴(kuò)充信號(hào)，可以根據(jù)需求調(diào)整節(jié)點(diǎn)部署位置和密度，提高原有監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)范圍和靈活度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)包括節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及路由協(xié)議三個(gè)方面。
2．1 節(jié)點(diǎn)硬件
    傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元，并且實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端和路由器雙重功能。節(jié)點(diǎn)一般具備信息采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單處理、無線通信功能，并且可以與其他無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作，完成指定的任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)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(tái)的核心，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊的控制，數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)戎匾蝿?wù)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器應(yīng)具有功耗低、集成度高、性能良好、成本低的特點(diǎn)。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(fù)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(shè)置關(guān)閉MUC不使用的模塊，方便實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在休眠和工作狀態(tài)的切換，
降低能耗。可提供8個(gè)通道的10位ADC轉(zhuǎn)換功能以及外部中斷功能，便于外部擴(kuò)展。
    傳感器模塊的選擇依據(jù)水文、水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)，主要包括水位、雨量、流速、含氧量、pH值等。由于節(jié)點(diǎn)部署在戶外，要考慮到能量供應(yīng)、壽命等因素選擇低功耗，穩(wěn)定性好的傳感器。設(shè)計(jì)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(jì)量翻斗承受的降水量到一定量(0．2 mm)時(shí)，計(jì)量翻斗會(huì)把降水傾倒至計(jì)數(shù)翻斗，計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次送出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。雨量計(jì)提供兩根連接線，一根線和電源相連，另一根是信號(hào)線。傳感器的信號(hào)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(hào)。ATmega128L的中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā)，設(shè)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(qǐng)求。SREG寄存器的1標(biāo)志位以及外部中斷屏蔽寄存器EMISK的INT1置1，當(dāng)INT1引腳產(chǎn)生電平跳變時(shí)，雨量計(jì)產(chǎn)生一個(gè)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(yán)酷外部環(huán)境，具有極好的線性和較弱的滯后效應(yīng)，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到微小的水位變化，提供4～20 mA電流輸出，溫度與電壓自動(dòng)補(bǔ)償。該傳感器接口簡(jiǎn)單，總共有兩個(gè)引腳，分別是電源和信號(hào)輸出。由于ATmega128 L的ADC端口是對(duì)電壓信號(hào)采樣，因此先使用轉(zhuǎn)換電路將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為0．5～2．5 V的平穩(wěn)電壓信號(hào)。將轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)與芯片的ADC引腳相連，通過軟件編程對(duì)相應(yīng)引腳采樣讀取水位值。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，能量消耗主要由節(jié)點(diǎn)間通信產(chǎn)生。因此通信芯片的性能、功耗對(duì)整體能量消耗、網(wǎng)絡(luò)壽命至關(guān)重要。TIChipeon公司生產(chǎn)的CC2420芯片具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)，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(jī)模式，CC2420則是從設(shè)備。[!--empirenews.page--]
2．2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)本身特性和應(yīng)用需求，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)降低了程序規(guī)模，適用于存儲(chǔ)資源少和處理能力有限的傳感器。TinyOS采用事件驅(qū)動(dòng)模式，任務(wù)隊(duì)列為空時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，有效降低能量消耗。TinyOS支持的nesC語言是對(duì)C語言的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了組件化／模塊化思想與事件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模型的結(jié)合，開發(fā)方便。
    采集節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖2所示。

    系統(tǒng)上電后首先完成各個(gè)模塊的初始化及對(duì)通信模塊、外圍電路、電源的檢測(cè)等。因要采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，因此分別采用中斷和輪詢兩種方式采集感知信號(hào)。節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，設(shè)置外部中斷寄存器開啟外部中斷，設(shè)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(diǎn)啟動(dòng)后開啟Timer，當(dāng)時(shí)間Timer．fire()觸發(fā)拋出Datdtask()任務(wù)，進(jìn)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(diǎn)。
2．3 路由協(xié)議
    河流監(jiān)測(cè)屬于數(shù)據(jù)聚集應(yīng)用，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一類重要應(yīng)用模式。網(wǎng)絡(luò)的惟一目的節(jié)點(diǎn)是匯聚節(jié)點(diǎn)，所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都要發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)中選用LEPS(Link Estimation and Parent Select)協(xié)議，適用于數(shù)據(jù)聚集應(yīng)用的TinyOS多跳路由協(xié)議。
    LEPS路由協(xié)議建立以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹形拓?fù)?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)自己與鄰居節(jié)點(diǎn)間的雙向鏈路質(zhì)量評(píng)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(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)網(wǎng)路層應(yīng)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(diǎn)。

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)
    自動(dòng)監(jiān)測(cè)站在原有河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，而基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站既要實(shí)現(xiàn)原有的數(shù)據(jù)采集功能，還要充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和通信功能。
3．1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站硬件設(shè)計(jì)
    自動(dòng)監(jiān)測(cè)站位于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中部，是信息傳遞的樞紐。負(fù)責(zé)啟動(dòng)、配置監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和原有自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)Zig-Bee無線協(xié)議與RTU通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。
    自動(dòng)監(jiān)測(cè)站處理大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和命令，因此設(shè)計(jì)中考慮到穩(wěn)定性、可靠性等因素，自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的匯聚節(jié)點(diǎn)使用Micaz節(jié)點(diǎn)。其51針擴(kuò)展接口能夠連接I2C，SPI，UART等接口，易與其他設(shè)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(diǎn)與Mib510板連接即可以構(gòu)成一個(gè)提供RS 232接口的基站。
    RTU是自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的核心設(shè)備，既要作為原有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，還要承擔(dān)無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)管功能。SIXNET的IPm2m RTU嵌入Linux系統(tǒng)，具有高級(jí)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(gè)。設(shè)計(jì)中RS 232接口用于和上層的PC機(jī)連接。RTU則通過RS 485接口與匯聚節(jié)點(diǎn)連接，RTU工作在主機(jī)狀態(tài)，整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則可看作從設(shè)備。[!--empirenews.page--]
3．2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站軟件設(shè)計(jì)
    自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的主要功能就是實(shí)現(xiàn)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包格式解析成RTU數(shù)據(jù)格式并進(jìn)行存儲(chǔ)。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)闹鲃?dòng)消息包內(nèi)容包括地址(Destination Address)、句柄ID(Handler ID)、組ID(group ID)、消息長(zhǎng)度(Message Length)和有效數(shù)據(jù)載荷(Payload)。其中最大長(zhǎng)度(29 B)的有效數(shù)據(jù)載荷中保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及源節(jié)點(diǎn)號(hào)這些重要信息。RTU通信消息格式包括包長(zhǎng)、源地址、CRC校驗(yàn)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(jìn)行調(diào)整。
    自動(dòng)監(jiān)測(cè)站接收來自無線傳感器網(wǎng)的所有主動(dòng)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(chǔ)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(jié)論
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、與應(yīng)用相關(guān)、便于部署等特點(diǎn)。適于在惡劣、復(fù)雜環(huán)境下完成目標(biāo)監(jiān)測(cè)、跟蹤等功能，因此在環(huán)境監(jiān)測(cè)，戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤方面具有廣泛前景。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與原有河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合能夠擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍和精度。在下一步工作中將優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)效率。