便攜式水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)管理終端設(shè)計(jì)

林志貴，劉曉峰，揚(yáng)子原，陳珍星

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津　300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300387；3.國家海洋技術(shù)中心 近海海洋環(huán)境觀測與監(jiān)測技術(shù)研究室，天津　300112）

便攜式水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)管理終端設(shè)計(jì)

林志貴1，2，劉曉峰1，2，揚(yáng)子原3，陳珍星1，2

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387；3.國家海洋技術(shù)中心 近海海洋環(huán)境觀測與監(jiān)測技術(shù)研究室，天津300112）

結(jié)合水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)實(shí)時(shí)配置、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析要求，基于終端管理思想，構(gòu)建便攜式水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)管理終端.該終端采用雙層結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，基于模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)以便于管理終端的更新和維護(hù).測試結(jié)果表明：該管理終端能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)、采樣頻率、通信半徑、網(wǎng)絡(luò)路由的配置，對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、采樣頻率、通信半徑、剩余能量、路由等進(jìn)行監(jiān)測，并可分析歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，為分析管理水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了新的平臺(tái).

水環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；管理終端；便攜式

水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)將大量采集水環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)（數(shù)量從幾百到幾千個(gè)）布置到監(jiān)測水域，節(jié)點(diǎn)通過自組織形成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域水環(huán)境的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，這為水環(huán)境監(jiān)測提供了一種新手段［1-5］.網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測過程中，水環(huán)境可能出現(xiàn)突發(fā)事件如污染物排放、油輪泄漏等，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸量猛增，造成網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量耗盡導(dǎo)致失效，需要實(shí)時(shí)對其進(jìn)行配置和管理［6］；同時(shí)也需要對這些突發(fā)事件帶來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為水環(huán)境保護(hù)提供依據(jù).因此，對于一種便于實(shí)時(shí)、快捷地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析的管理終端的需求越來越緊迫.

目前，一些學(xué)者采用客戶端/服務(wù)器（C/S）模式，設(shè)計(jì)開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)［7-10］.這種系統(tǒng)由信息采集、傳輸和監(jiān)控中心3部分組成.該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一固定，主要完成數(shù)據(jù)采集、分析等功能.監(jiān)測中心是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)管理、控制、分析等功能的指揮中心，通常位于固定區(qū)域，體積龐大.有些學(xué)者對無線傳感網(wǎng)絡(luò)提出管理終端設(shè)計(jì)的思想，如Linnyer等［11］設(shè)計(jì)了MANNA無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理框架；Deb等［12］提出層次式WSN網(wǎng)絡(luò)管理框架sNMP，通過定義網(wǎng)絡(luò)模型以及網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)能量圖、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞裙芾?，有效地減少網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣r(shí)的能量消耗.

經(jīng)過文獻(xiàn)分析，有關(guān)水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的管理終端設(shè)計(jì)未見報(bào)道，因此本文在水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上，基于管理終端的思想，結(jié)合便攜式要求，構(gòu)建便攜式水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)管理終端.該終端能夠?qū)ΡO(jiān)測節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、采樣頻率、通信半徑、剩余能量、路由等進(jìn)行監(jiān)測，并能夠?qū)ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、基站以及監(jiān)控中心組成，如圖1所示.在原有監(jiān)控中心基礎(chǔ)上，增加便攜式管理終端，為監(jiān)測人員出差在外或巡視監(jiān)測現(xiàn)場時(shí)使用.當(dāng)管理終端建立鏈接后，向監(jiān)控中心發(fā)出網(wǎng)絡(luò)管理請求，獲得監(jiān)控中心授權(quán)后對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理.監(jiān)測人員通過便攜式管理終端對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置、管理和分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速地與遠(yuǎn)程基站通信，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)及收集數(shù)據(jù)監(jiān)測命令.

圖1　水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)示意圖Fig.1　Structure diagram of water environment wireless monitoring networks

1.1功能設(shè)計(jì)

管理終端的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示.便攜式管理終端主要有3大功能：①配置功能，初始化路由網(wǎng)絡(luò)，配置節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為工作狀態(tài)、采樣頻率及通信半徑.②監(jiān)控功能，對區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)，以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的查詢，便于監(jiān)測人員及時(shí)掌握區(qū)域水質(zhì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化；對網(wǎng)絡(luò)路由以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及顯示，以便監(jiān)測人員即時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)狀態(tài).③電源電壓預(yù)警功能，實(shí)現(xiàn)對管理終端的電量信息實(shí)時(shí)采集及分析，為其正常工作提供保障.

圖2　管理終端功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　Function structure diagram of management terminal

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到便攜式管理終端的更新和維修方便，采用雙層結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，如圖3所示.上層為觸摸屏；下層為主控電路、GPRS模塊的外圍電路和電源電路.兩層之間通過數(shù)據(jù)排線連接.

圖3　管理終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖Fig.3　Structure design diagram of management terminal

2 　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

便攜式管理終端硬件方案如圖4所示，由可視化模塊、主控模塊、電源模塊和無線通信模塊組成.可視化模塊采用觸摸屏通過串行接口與主控模塊通信.監(jiān)測人員通過觸摸屏輸入對網(wǎng)絡(luò)的配置命令及監(jiān)控命令，通過串口傳給主控模塊；主控模塊將監(jiān)測、查詢信息上傳至觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和初始化路由信息的配置，對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、路由信息以及水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的查詢.

主控模塊一方面接收觸摸屏發(fā)送的配置和監(jiān)控信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為無線通信模塊可識(shí)別的信息格式發(fā)送至無線通信模塊，同時(shí)給觸摸屏反饋監(jiān)控信息；另一方面主控模塊接收無線通信模塊傳來的數(shù)據(jù)及反饋信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及存儲(chǔ)，將相關(guān)信息傳送至觸摸屏顯示.水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)中，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過ZigBee通信方式將采集到的數(shù)據(jù)傳給基站，基站通過GPRS通信方式把數(shù)據(jù)傳給便攜式管理終端.管理終端無線通信模塊由GPRS無線模塊及輔助電路組成，通過串行接口與外部處理器通信，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收.

考慮到管理終端便于攜帶的特點(diǎn)，電源采用鋰電池供電，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.根據(jù)系統(tǒng)所需電源電壓（+5 V、+3.8 V及+3.3 V）、電流以及鋰電池放電特性，該終端采用TI電源管理芯片TPS65581對電池放電進(jìn)行管理，滿足系統(tǒng)所需電壓.

圖4　管理終端硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.4　Hardware design diagram of management terminal

圖5　電源模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.5　Diagram of power module structure

2.2軟件設(shè)計(jì)

為便于升級(jí)及測試，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由可視化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及通信程序設(shè)計(jì)3大模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示.管理終端采用EEPROM存儲(chǔ)器對基站傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，為數(shù)據(jù)查詢和處理提供條件.

圖6　管理終端軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Software design structure diagram of management terminal

可視化界面圖片設(shè)計(jì)邏輯如圖7所示，主要由登錄主界面、配置主頁面以及監(jiān)控主頁面構(gòu)成，各個(gè)主頁面分別由多個(gè)子頁面組成.界面下載到觸摸屏，觸摸屏與主控模塊之間采用串口通信，當(dāng)觸摸屏發(fā)出命令，觸摸屏命令標(biāo)志位置位.主控模塊通過判斷命令是網(wǎng)絡(luò)配置命令還是監(jiān)控命令，選擇執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)配置操作或監(jiān)控操作.

圖7　界面圖片設(shè)計(jì)邏輯圖Fig.7　Interface picture design logic diagram

觸摸屏處理程序流程如圖8所示.程序首先清除標(biāo)志位并對命令功能進(jìn)行判斷.若是監(jiān)控命令，將監(jiān)控信息轉(zhuǎn)發(fā)給基站，啟動(dòng)EEPROM讀取程序讀取數(shù)據(jù)，若讀取失敗則重新讀??；若讀取成功，則將數(shù)據(jù)發(fā)送至觸摸屏顯示.若不是監(jiān)控命令，判斷命令是否是監(jiān)測網(wǎng)配置信息.若不是配置命令，則結(jié)束程序；若是配置命令，啟動(dòng)GPRS發(fā)送程序發(fā)送配置信息，判斷是否成功發(fā)送，如果沒有發(fā)送成功，重發(fā)；否則，結(jié)束程序.

主程序包括芯片初始化、觸摸屏處理程序、GPRS接收程序以及電壓監(jiān)測程序，其流程圖如圖9所示.便攜式管理終端上電之后，首先關(guān)閉看門狗，初始化芯片；然后打開看門狗，開中斷，管理終端進(jìn)入主循環(huán)階段.如果檢測到觸摸屏有命令傳來，程序分析處理觸摸屏命令，將配置信息通過GPRS發(fā)送出去或者將要顯示的內(nèi)容回發(fā)給觸摸屏顯示.如果觸摸屏沒有接收到命令，繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)程序；否則啟動(dòng)GPRS接收程序接收數(shù)據(jù)，終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)等處理.如果GPRS接收到數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)程序.如果檢測到電壓監(jiān)測標(biāo)志位置位，對電源電壓進(jìn)行檢測并判斷是否超限，若超限系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，提醒監(jiān)測人員及時(shí)更換電池，保證管理終端的工作正常進(jìn)行.

圖8　觸摸屏處理流程圖Fig.8　Flow diagram of data procession in touch screen

圖9　主程序流程圖Fig.9　Main flow diagram

3 　系統(tǒng)測試及分析

3.1配置功能測試

便攜式管理終端具有對水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行初始化配置功能，包括對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、采樣頻率、通信半徑進(jìn)行配置，對網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議初始化配置.系統(tǒng)上電后，輸入登錄名和密碼之后點(diǎn)擊登錄即可進(jìn)入配置頁面，配置節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)、采樣頻率和通信半徑.圖10為節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)配置界面，輸入所要配置的節(jié)點(diǎn)編號(hào)及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，“1”表示節(jié)點(diǎn)正常工作，“0”表示節(jié)點(diǎn)休眠.受便攜式管理終端軟硬件的限制，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)編號(hào)最大能達(dá)到5400.可以選擇路由算法，便攜式管理終端發(fā)送算法代號(hào)、監(jiān)測區(qū)域大小、節(jié)點(diǎn)的數(shù)目以及節(jié)點(diǎn)的位置信息至基站，配置監(jiān)測節(jié)點(diǎn)使用路由協(xié)議組網(wǎng)，傳輸數(shù)據(jù).

圖10　節(jié)點(diǎn)狀態(tài)配置界面圖Fig.10　Configuration interface picture of nodes states

3.2監(jiān)控功能測試

便攜式管理終端能夠監(jiān)測水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)、采樣頻率、通信半徑、剩余能量、路由、水質(zhì)參數(shù)pH、溫度和鹽度等以及查詢顯示歷史數(shù)據(jù)，如圖11所示.

圖11　水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測圖Fig.11　Data monitoring picture of water environment

圖11左半部分為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)參數(shù)的列表，第1列是監(jiān)測節(jié)點(diǎn)編號(hào)，顯示范圍為1至9 999；第2列為監(jiān)測水域的pH，顯示范圍為2至10.正常海水的pH穩(wěn)定在7.9～8.4之間，監(jiān)測結(jié)果顯示水環(huán)境pH在8.0左右，屬于正常范圍；第3列為水體溫度，顯示范圍為-5～30℃，正常的海水溫度變化在-2～30℃之間，滿足要求；第4列為鹽度，顯示范圍為0～30%，單位為g/kg，水環(huán)境的鹽度值在0.7%～3.8%之間，滿足要求.圖11右半部分為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的曲線顯示，從上到下依次為pH曲線、鹽度曲線和溫度曲線.通過曲線圖可以清晰地觀察某一時(shí)刻所有節(jié)點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)，分析曲線可判斷水質(zhì)是否出現(xiàn)異常.

圖12為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控圖，第1列為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)編號(hào)，顯示范圍為1～9 999；第2列為節(jié)點(diǎn)采樣頻率，表示節(jié)點(diǎn)每小時(shí)采樣的次數(shù)，根據(jù)水環(huán)境變化緩慢的特點(diǎn)，監(jiān)測顯示為每小時(shí)進(jìn)行20次采樣；第3列為通信半徑，通信距離不超過50 m.系統(tǒng)的通信距離范圍為0～99 m，監(jiān)測結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)通信半徑為30 m.

圖12　監(jiān)測網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控圖Fig.12　Status monitoring picture of monitoring network nodes

圖13為節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測圖，左半部分為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量數(shù)據(jù)列表顯示，其中第1列為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)編號(hào)，第2列為節(jié)點(diǎn)剩余能量，單位為mW/h.圖13右半部分為節(jié)點(diǎn)剩余能量曲線顯示，若曲線上出現(xiàn)低凹嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)，說明該節(jié)點(diǎn)能量消耗大.監(jiān)測人員通過監(jiān)測節(jié)點(diǎn)剩余能量，對能量較低的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠配置，降低節(jié)點(diǎn)功耗.

圖13　監(jiān)測網(wǎng)節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測圖Fig.13　Surplus energy picture of monitoring network nodes

測試路由選擇基于地理位置的多跳分簇路由算法（GEEMHCR）［13-15］，如圖14所示.圖14（a）第1列為當(dāng)前監(jiān)測節(jié)點(diǎn)編號(hào)，第2列為當(dāng)前監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，第3列為當(dāng)前監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)數(shù)目.通過路由列表可觀察當(dāng)前監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)以及子節(jié)點(diǎn)數(shù)目. 圖14（b）中，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)清晰可見，路由信息更加直觀.

圖14　路由監(jiān)測顯示圖Fig.14　Picture of monitoring router

便攜式管理終端提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能.圖15所示為節(jié)點(diǎn)2的歷史數(shù)據(jù)查詢圖，左邊為節(jié)點(diǎn)在24次監(jiān)測中的剩余能量變化曲線圖，右邊為pH、鹽度和溫度的變化曲線圖.4條曲線均以月份作為橫坐標(biāo)，每個(gè)月的2個(gè)刻度表示2次監(jiān)測.節(jié)點(diǎn)剩余能量曲線近似一條斜率為負(fù)的直線，表示節(jié)點(diǎn)剩余能量隨著使用次數(shù)逐漸減少；pH曲線在監(jiān)測過程中沒有太大變化；鹽度曲線在五月的第2個(gè)刻度處有很明顯的凸起，說明該段時(shí)間水質(zhì)有異常；水溫曲線緩慢上升又緩慢下降，受到外界氣溫的影響，屬于正常變化.

圖15　節(jié)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)查詢Fig.15　Historical data inquiry of nodes

4 結(jié)語

在分析配置、監(jiān)控、電源電壓預(yù)警功能的基礎(chǔ)上，便攜式水環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)管理終端采用雙層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，便于管理終端的更新和維護(hù).終端的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由可視化模塊、主控模塊、電源模塊和無線通信模塊組成.可視化模塊采用觸摸屏，便于用戶使用；主控模塊采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核處理器設(shè)計(jì)，滿足其處理速度要求.軟件設(shè)計(jì)也采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將不同功能模塊的程序單獨(dú)編寫及封裝，僅留下函數(shù)調(diào)用接口和參數(shù)，方便其它程序調(diào)用.經(jīng)過軟硬件聯(lián)調(diào)測試，分別對便攜式管理終端的系統(tǒng)配置功能、監(jiān)控功能進(jìn)行測試.結(jié)果表明，便攜式管理終端能夠配置監(jiān)測節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)、采樣頻率、通信半徑、網(wǎng)絡(luò)路由以及分析節(jié)點(diǎn)的剩余能量和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù).

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Design of portable management terminal in water environmental wireless monitoring network

LIN Zhi-gui1，2，LIU Xiao-feng1，2，YANG Zi-yuan3，CHEN Zhen-xing1，2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and Systems，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.Laboratory of Marine Environment Observation and Monitoring Technology of Offshore，National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China）

Combined with real-time collecting data and quickly configuring network，monitoring and analyzing data，a portable management terminal in water environmental wireless sensor monitoring network is designed on management terminal method.Two-tier structure was adopted，its hardware and software were designed based on the modular design idea in the management terminal，which is convenient to update and maintain the management terminal.Results of test show that the management terminal can accomplish configuration of working status，sampling frequency，communication radius and network router of monitoring nodes，and monitor of working condition，sampling frequency，communication radius，surplus energy and network router of monitoring nodes，as well as analyze the historical monitoring data，which provides a new platform for analysis and management of water environment monitoring data.

water environment monitoring；wireless sensor network；management terminal；portable

TP391

A

1671－024X（2016）04－0075－06

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.04.013