基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)研究

張洋洋， 趙建平， 徐娟娟

（曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165）

0 引言

中國幅員遼闊，各地氣候、地形、地質(zhì)特性差異很大，受季風(fēng)氣候影響，洪澇災(zāi)害時有發(fā)生，給國家?guī)砭薮髶p失。水情不明以及報(bào)訊不及時，又?jǐn)U大了這些災(zāi)害帶來的損失，在此背景下，建設(shè)水文監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)大都采用人工記錄以及有線傳輸方式，這些方式存在成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于維護(hù)的缺點(diǎn)，加大了水文信息的采集難度。針對水文監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，現(xiàn)提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)研究。

水文監(jiān)測系統(tǒng)概括說來就是采用現(xiàn)代科技對水文信息進(jìn)行實(shí)時遙測、傳送和處理的專門技術(shù)。事實(shí)證明水文監(jiān)測系統(tǒng)是有效解決江河流域及水庫洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度及水資源合理利用的先進(jìn)手段。目前研究的各水文監(jiān)測單元根據(jù)水文監(jiān)測要求，安裝在河流的指定地點(diǎn)，以野外無人值守的方式工作。為滿足水文監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測要求以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的需求，這里利用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水文信息的監(jiān)測。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-2]是指通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。物聯(lián)網(wǎng)所包括的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾方面：

1）感知技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要包括電子標(biāo)簽和傳感器技術(shù)。電子標(biāo)簽用于對采集的信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)識，數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制通過射頻識別讀寫器、二維碼識讀器等實(shí)現(xiàn)。傳感器用來感知信息采集點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。

2）數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)。數(shù)據(jù)融合是指將多種數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出高效且符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。在傳感網(wǎng)應(yīng)用中，多數(shù)情況只關(guān)心監(jiān)測結(jié)果，并不需要收集大量原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合正是處理該問題的有效手段。智能技術(shù)是為了有效地達(dá)到預(yù)期目的，利用知識分析后所采用的各種方法和手段。

3）云計(jì)算。是指通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

4）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)所涵蓋的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，工作范圍可以分成兩大塊：一塊是體積小、能量低、存儲容量小、運(yùn)算能力弱的智能物體的互聯(lián)，即傳感網(wǎng)；另一塊是沒有上述約束的智能終端的互聯(lián)。

Zigbee技術(shù)[3]是近幾年快速發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術(shù)，以2.4 GHz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)。作為一種近距離無線通信技術(shù)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)。功耗非常低，工作模式下信號的收發(fā)時間比較短，非工作模式下 Zigbee節(jié)點(diǎn)又處于休眠模式，所以Zigbee節(jié)點(diǎn)的電池工作時間可以長達(dá)6～24個月。成本低，采用8位單片機(jī)和規(guī)模很小的存儲器，大大降低了器件成本，并且 Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的。傳輸時延短，典型的搜索設(shè)備時延30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15 ms。數(shù)據(jù)容量大，Zigbee可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且組網(wǎng)方式靈活，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，整個 Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目非?？捎^，十分符合大面積傳感器網(wǎng)絡(luò)的布建要求?？煽啃耘c安全性非常高，Zigbee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC，Cyclical Redundancy Check）的數(shù)據(jù)包完整性檢測功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，并在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全處理,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

GPRS是全球移動通信系統(tǒng)(GSM，Global System for Mobile Communications)移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸中被視為比較理想的通信技術(shù)。一般情況下，GPRS用戶的連接時間可能長達(dá)數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費(fèi)用；可以提供高達(dá)115 kbit/s的傳輸速率；GPRS終端可任意時刻與網(wǎng)絡(luò)連接，分組交換接入時間短于 1 s；GPRS信號覆蓋范圍廣，底層支持TCP/IP協(xié)議，使得 GPRS能夠與 Internet實(shí)現(xiàn)無縫連接。系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，解決了水文信息檢測現(xiàn)場與監(jiān)控中心的距離限制問題。

考慮到Zigbee技術(shù)與GPRS技術(shù)各自的特點(diǎn)及其優(yōu)勢，將其應(yīng)用于水文監(jiān)測系統(tǒng)有著十分重要的意義。

2 水文監(jiān)測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

文中所設(shè)計(jì)的水文監(jiān)測系統(tǒng)共分為以下3個部分：Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器[4]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管理終端、Internet通信網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的系統(tǒng)軟件組成。主要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)搭建軟件平臺，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的水文數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程管理與顯示。監(jiān)控中心可以對運(yùn)行中的監(jiān)控終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以及對水文數(shù)據(jù)的處理、存儲和分析，便于水利部門工作人員對監(jiān)測區(qū)域的情況進(jìn)行實(shí)時分析。數(shù)據(jù)接收模塊選用TI公司的 16位超低功耗單片機(jī)(MCU, Micro Controller Unit)MSP430F1232單片機(jī)和Chipcon公司的生產(chǎn)射頻（RF，Radio Frequency）收發(fā)模塊CC2430，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)相連接。

2）GPRS網(wǎng)絡(luò)。該部分由GPRS通信模塊及現(xiàn)有的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)組成，由Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集到水文數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到Internet，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。GPRS通訊模塊選用 Simcom公司的SIM100，它內(nèi)部集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發(fā)基于GPRS的無線應(yīng)用產(chǎn)品。

3）Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、路由選擇等，主要由分布在監(jiān)測區(qū)域的各種水位傳感器、雨量傳感器、溫度傳感器等傳感器與路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及相關(guān)的系統(tǒng)軟件組成。該網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)各種水文數(shù)據(jù)的采集，各水文數(shù)據(jù)經(jīng)過處理以后通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器的MCU選用性能高、功耗低的MSP430F1232，選用Chipcon公司的生產(chǎn)CC2430作為其RF收發(fā)模塊，將采集的水文數(shù)據(jù)通過RS-232C串行口被送至GPRS通信模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個系統(tǒng)的核心，需要具備網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)接入、信息收發(fā)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互等功能，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可與多個傳感器節(jié)點(diǎn)通信，當(dāng)被檢測區(qū)域的障礙物較多或者協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距傳感器節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時，通過增加路由節(jié)點(diǎn)來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，所以路由節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)傳遞，這里選用 CC2430芯片作為路由器的核心，它將采集的各水文數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器，并轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令幀。所有觸發(fā)事件被處理完成以后，系統(tǒng)將自動進(jìn)入睡眠狀態(tài)，更好的節(jié)約能量。

3 基于Zigbee的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，所以系統(tǒng)性能的好壞取決于傳感器節(jié)點(diǎn)的性能，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Chipcon公司的生產(chǎn)的具有8051微控制器內(nèi)核的CC2430芯片，該芯片內(nèi)部集成 RF前端、電池監(jiān)測等諸多功能模塊，終端還包括傳感器模塊、電源、晶振、JTAG、時鐘電路等簡單外圍電路[5]。采集終端傳感器節(jié)點(diǎn)的組成框圖如圖2所示。

圖2 采集終端傳感器節(jié)點(diǎn)框

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器的選型應(yīng)該突出體積小、低功耗、外圍電路簡單、啟動時間較短的特點(diǎn)。結(jié)合采集的水文信息（水位、雨量、水溫），相應(yīng)傳感器的輸出量有模擬量和數(shù)字量[6]。水位傳感器的輸出信號是電壓值，先經(jīng)由濾波電路，再采用可單電源供電的儀表放大器AD623對信號進(jìn)行放大，并將信號轉(zhuǎn)化為能用于單片機(jī)A/D的+3.3 V電壓后，進(jìn)行水文數(shù)據(jù)采集。雨量的采集選用SRY-1容柵式雨量計(jì)，通過容柵位移傳感器監(jiān)測降雨量，計(jì)量精度高、可靠性好。綜合以往水文監(jiān)測系統(tǒng)研究方案的基礎(chǔ)上，這里首次提出將水溫測量作為水文信息的一個監(jiān)測方面，采用 Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20作為溫度傳感器[7]。

3.2 微處理器及無線通信模塊的選取簡介

本系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心部分是具有微控制器和無線通信功能的 CC2430模塊[8]，它是美國TI公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，它支持2.4 GHz的IEEE802.15.4/Zigbee協(xié)議。CC2430采用增強(qiáng)性的8051MCU，128 KB可編程閃存，8 KB的RAM，主頻達(dá)32 MHz，片內(nèi)外設(shè)非常豐富，主要包括1個5通道8位至14位可編程模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、4個定時器（其中包括 1個MAC定時器）、2個USART、1個DMA控制器、1個 AES128協(xié)同處理器、1個看門狗定時器（Watchdog Timer）、1個內(nèi)部穩(wěn)壓器、21個可編程I/O引腳，可配置為通用I/O，也可配置為外設(shè)專用引腳。CC2430芯片采用0.18 μsCMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA。具有3種休眠模式，從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式僅需54 μs，特別適合要求電池長期供電的應(yīng)用場合。這一系列的優(yōu)勢使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成Zigbee節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場競爭力。采集終端硬件電路圖如圖3所示。

3.3 電源模塊

由于各水文監(jiān)測點(diǎn)分散、分布范圍廣、大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣地區(qū)且以野外無人值守的方式工作，所以不能保證隨時都有交流供電。為滿足水文監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測要求以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的需求，這里選用太陽能蓄電池供電。太陽能供電系統(tǒng)白天采用太陽電池組件將光能轉(zhuǎn)化成電能，對 MCU及其外圍電路供電，并向蓄電池充電，夜間及連續(xù)陰雨天氣則選用蓄電池為系統(tǒng)供電[9]，其硬件電路的設(shè)計(jì)這里不作贅述。

圖3 采集終端節(jié)點(diǎn)硬件電路

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（其流程圖可概括如圖4所示）是整個系統(tǒng)的核心部分，現(xiàn)著重考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)部分的軟件設(shè)計(jì)。

圖4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)分時對水位、雨量、水溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所以為避免干擾對水文信息的采集、處理以及傳輸，多個傳感器采用定時器中斷驅(qū)動采集命令執(zhí)行。傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前先發(fā)送查詢請求，然后啟動定時器等待接收應(yīng)答，若在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)答，將重新發(fā)送查詢請求。水位傳感器、雨量傳感器以及水溫傳感器按固定的順序分別每一個小時采集一次信息，也即在整點(diǎn)的時候采集水位信息，在X:20的時候采集雨量信息，在X:40時采集水溫信息。為節(jié)省能量，系統(tǒng)在不工作時會維持在休眠狀態(tài)，只有當(dāng)定時時間到時才開始采集、處理并發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)，綜合考慮了Zigbee技術(shù)與GPRS技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢[10-11]，達(dá)到短距離與長距離相結(jié)合，并對系統(tǒng)的組成、工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析。該方案可應(yīng)用在河道水文監(jiān)測、湖泊水庫監(jiān)測、沿海潮汛潮位監(jiān)測等，有助于解決當(dāng)前水文監(jiān)測所面臨的各種困難。電源模塊的供電模式還有待于進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高效可靠的為系統(tǒng)供電。

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