基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的河南省水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□張　茹（河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站）

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的河南省水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□張茹（河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站）

文章探索提出了水土保持在線監(jiān)測(cè)方案，該方案著重探索了利用 Zi gBee技術(shù)在小范圍無線通信方面的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合G PRS網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)水土保持監(jiān)測(cè)的技術(shù)指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幫助下，形成無線自動(dòng)化的水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，由此使得水土保持監(jiān)測(cè)工作變得更加簡(jiǎn)單快捷。

水土保持監(jiān)測(cè)；Zi gBee網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1　引言

近些年來，中國水土保持自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，所建系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，為水土保持預(yù)防和監(jiān)督的決策提供了依據(jù)和參考，但整體的智能化水平還比較低，其中信息采集、傳輸手段和技術(shù)比較落后，信息時(shí)效性差，不能滿足對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)要求。文章提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS遠(yuǎn)程通信架構(gòu)的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用無線通信技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)中的重要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。經(jīng)多個(gè)行業(yè)廣泛測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行較為可靠，應(yīng)在水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)上具有一定的探索前景。

圖1　水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)平臺(tái)圖

圖2　水土保持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析

隨著水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系的不斷完善，相關(guān)的信息系統(tǒng)二期建設(shè)工作也在大力開展過程中，這使得區(qū)域的水土監(jiān)測(cè)建設(shè)工作在更加好的環(huán)境下開展。以河南省為例，經(jīng)過一段時(shí)間的努力，建立起1個(gè)監(jiān)測(cè)總站，6個(gè)監(jiān)測(cè)分站，29個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管理結(jié)構(gòu)，初步形成了相對(duì)完善的監(jiān)測(cè)體系，這為河南省水土保持監(jiān)測(cè)工作的開展打下了良好的基礎(chǔ)。通過升級(jí)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站網(wǎng)設(shè)備和培訓(xùn)操作人員等方式，建成物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)水土流失和發(fā)布水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)平臺(tái)是可行的，（見圖1）

水土保持在線監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于及時(shí)綜合監(jiān)測(cè)徑流場(chǎng)、小流域、開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失變化情況并作出報(bào)警。如圖2所示說明了傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)組成。ZigBee技術(shù)和傳感器的結(jié)合就形成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在特定的水土流失環(huán)境部署所需的降雨、徑流、泥沙等參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備能根據(jù)自身節(jié)點(diǎn)類型，執(zhí)行下列的操作：其一，自建網(wǎng)絡(luò)；其二，在必要的情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)；其三，依照要求，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息的采集。在此基礎(chǔ)上以無線的方式，傳送給協(xié)調(diào)器，接著就是對(duì)對(duì)應(yīng)的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，此操作完成之后就會(huì)將其傳輸給上位機(jī)，接下來的分析工作就由上位機(jī)來完成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過與其他遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備相連，傳輸給遠(yuǎn)程管理設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和處理水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)關(guān)以及在線水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)平臺(tái)組成，見圖3。

圖3　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)從理論上來講，其價(jià)值主要體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。其運(yùn)行原理是：在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的幫助下，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的采集和傳輸。也就是說，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都存在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，正是在這些節(jié)點(diǎn)的幫助下，使得信息數(shù)據(jù)能夠得以采集和傳輸。目前，急需對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)如：降雨量、徑流、泥沙等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線采集分析。根據(jù)目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)傳感器類型，選擇了其中的降雨量、徑流量2個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖2），探索組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。每一種傳感器采集一個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)掛接一種傳感器，網(wǎng)絡(luò)采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)揮的作用在于協(xié)作感知，在獲取水土保持參數(shù)信息之后，會(huì)以路由器節(jié)點(diǎn)傳遞的方式，將其傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的價(jià)值在于：采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的指標(biāo)參數(shù)，并且以互聯(lián)信號(hào)的方式傳送給總站管理系統(tǒng)，通過對(duì)信息進(jìn)行規(guī)整，將其納入到對(duì)應(yīng)的水土監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)中去，方便將其作為水土保持工作的儲(chǔ)備信息。服務(wù)器管理程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示和數(shù)據(jù)共享，用戶按照一定權(quán)限可以觀察、記錄監(jiān)測(cè)區(qū)域的水土保持狀況，為相關(guān)業(yè)務(wù)提供大數(shù)據(jù)支持。

3　Zi gBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

水土保持監(jiān)測(cè)對(duì)象通常是較大面積地域單元，節(jié)點(diǎn)多，如果遇到地域單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外界影響因素不確定的情況，此時(shí)就要求無線通信技術(shù)能夠以更高的水準(zhǔn)來運(yùn)行，否則就會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。對(duì)于ZigBee協(xié)議規(guī)范而言，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要涉及到三種：其一，星形結(jié)構(gòu)；其二，樹形結(jié)構(gòu)；其三，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。上述三種結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)在于：都具有一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)無線設(shè)備，這是其基本的結(jié)構(gòu)模式；三者之間的不同點(diǎn)體現(xiàn)在：星形結(jié)構(gòu)拓?fù)鋵儆谧顬楹?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)模式，運(yùn)用這種模式，設(shè)備之間的通信都是在協(xié)調(diào)器的幫助下，以轉(zhuǎn)發(fā)的方式來進(jìn)行的，也就是說其節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較少，這就注定其應(yīng)用的范圍會(huì)受到局限；樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)在于，不僅僅具備比較好的可靠性，還能夠?qū)⒆陨淼墓慕档偷阶钚〉姆秶?；至于網(wǎng)狀拓?fù)淠Ｊ?，其需要設(shè)置很多的設(shè)備，結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出復(fù)雜性的特點(diǎn)，前期需要很大的投入，但是在建成之后，就會(huì)表現(xiàn)出很高的可靠性，這一點(diǎn)是難能可貴的。由于小流域、徑流場(chǎng)監(jiān)測(cè)的流動(dòng)性變化特點(diǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)布置位置產(chǎn)生變化。因此，采用隨機(jī)地址分配方式的Z-Strack協(xié)議棧，比較適合用于經(jīng)常變動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)節(jié)點(diǎn)布置的不同位置，形成合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，靈活性高，組網(wǎng)方便，投入少。

4　水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的總體方案

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)應(yīng)該是：數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般會(huì)對(duì)于以下因素提出對(duì)應(yīng)的要求：其一，節(jié)點(diǎn)功耗要處于合理的狀態(tài)；其二，覆蓋能力要能夠滿足需求；其三，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行要保證穩(wěn)定。在上述三個(gè)因素的基礎(chǔ)上，選擇合適的系統(tǒng)組網(wǎng)方式。根據(jù)目前常用星型拓?fù)?、樹型拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)涞韧負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型及其特點(diǎn)，在分析眾多因素之后，設(shè)計(jì)過程運(yùn)用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)組網(wǎng)模式的選取。一般情況下，其設(shè)備主要牽涉到：協(xié)調(diào)器，路由器和傳感器，在上述設(shè)備結(jié)構(gòu)的幫助下，不僅僅可以展現(xiàn)出眾多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，還可以使得其運(yùn)用的環(huán)境得到改善和調(diào)整。在此過程中還需注意的是：僅僅依靠單一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，是難以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的有效性的，如果對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了損壞的情況，此時(shí)就會(huì)造成數(shù)據(jù)信息的失真，為了解決這樣的問題，一般都會(huì)在同樣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)安置兩個(gè)相同的傳感節(jié)點(diǎn)。如圖3所示，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置一個(gè)由1 個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、2個(gè)ZigBee路由器和4個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)（2組節(jié)點(diǎn)）組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行，還需要對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的地址進(jìn)行合理的規(guī)劃和安排。對(duì)于本次設(shè)計(jì)而言，使用分布式地址分派的方式，才完成此項(xiàng)工作。在節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行計(jì)算的過程中，主要會(huì)運(yùn)用到多項(xiàng)參數(shù)信息：其一，設(shè)備體系能夠容納的子設(shè)備數(shù)量；其二，網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到的最大深度；其三，子設(shè)備能夠允許的路由數(shù)量；其四，父設(shè)備能夠給子設(shè)備提供的地址數(shù)量。

設(shè)計(jì)中的水土保持監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中主要有三個(gè)節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、信息收集、存儲(chǔ)和處理；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，擴(kuò)展傳輸距離；終端設(shè)備負(fù)責(zé)水土流失參數(shù)的采集，并且將其傳輸給父節(jié)點(diǎn)；在協(xié)調(diào)器和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息相融合的過程中，使得內(nèi)部與外部之間能夠達(dá)到通信的狀態(tài)。對(duì)于水土保持監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，主要運(yùn)用到以下的技術(shù)方案：其一，在結(jié)構(gòu)方面，選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行協(xié)議棧Z-track實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；其二，在設(shè)備方面，以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)形成；其三，在通信方面，在協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立動(dòng)作完成之后，以此為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)GPRS信號(hào)模塊的連接，使得內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部網(wǎng)絡(luò)達(dá)到融合的狀態(tài)；其四，在運(yùn)作方面，路由器的價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，傳感器的價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)參數(shù)信息的監(jiān)測(cè)，分析和存儲(chǔ)，并且將其轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在進(jìn)行信息處理和分析之后，會(huì)將信息傳送給互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊，接著就需要將對(duì)應(yīng)的信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)平臺(tái)的中心數(shù)據(jù)庫中去，其中上位機(jī)的效能在于對(duì)于數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判別。具體來講，可以參照3圖示，這就是ZigBee網(wǎng)絡(luò)水土監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮效能的全過程。

5　結(jié)果與結(jié)論

采用本系統(tǒng)對(duì)河南省嵩縣胡溝小流域控制站的降雨量、徑流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成果表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行正常，較為正確的反映了所在區(qū)域的年降雨量和年徑流量為水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和其合理開發(fā)利用提供了重要的技術(shù)支撐。

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（責(zé)任編輯：韋詩佳）

S157

C

1673-8853（2016）07-0019-03

張茹（1980-），女，工程師，主要從事區(qū)域水土保持監(jiān)測(cè)和環(huán)境工作。

2016-04-19