基于Zigbee的水情監(jiān)測系統(tǒng)的設計

張捐凈+張陽

摘要：水情監(jiān)測系統(tǒng)的設計，主要是將基于Zigbee技術的無線傳感器網(wǎng)絡應用到信息采集中，在監(jiān)測區(qū)域布置若干終端節(jié)點作為監(jiān)測點，它接收匯聚節(jié)點發(fā)送的控制命令，進而將采集到的信息傳輸給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點通過RS232和上位機相連，可以實現(xiàn)上位機命令的接收和向上位機傳輸信息。監(jiān)測節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息是雨量數(shù)據(jù)，水位數(shù)據(jù)以及流速數(shù)據(jù)。監(jiān)測網(wǎng)絡實現(xiàn)無線傳輸使用的是CC2520射頻芯片，它抗干擾能力強，可以實現(xiàn)信息穩(wěn)定可靠的傳送。實驗結(jié)果表明，此系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測點實時采集、通信和控制等功能，極大地節(jié)省了功耗，降低了成本，為水情信息監(jiān)測開辟了一種新的方法，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：Zigbee；水情；監(jiān)測

在誘發(fā)河流發(fā)生災害的各種影響因子中，水情數(shù)據(jù)是最為活躍的因素。依據(jù)現(xiàn)有的監(jiān)測手段獲取河流的水情信息可以建立后臺河流預警模型，從而規(guī)避災害。因此在河流災害防治方面，如何采集水情數(shù)據(jù)就成為了關鍵的研究重點。近年來由于通信和計算機技術的提高及應用，同時伴隨著成本低、測量精度高、穩(wěn)定可靠性好的傳感技術的發(fā)展與應用，為設計并實現(xiàn)具有現(xiàn)代化特點的水情監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種切實可行的研究策略，這樣的系統(tǒng)具有自動化程度高，分布靈活并且安裝方便的特點。同時又由于而無線傳感器網(wǎng)絡（即WSN）采用分布式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，利用節(jié)點自組織的特性，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的獲取提供了一種全方位整體式模式，使得它的應用越來越受到用戶的青睞。因此本文提出基于Zigbee技術的水情監(jiān)測系統(tǒng)的設計，目的在于合理實現(xiàn)人工不能到達的惡劣環(huán)境中水情數(shù)據(jù)的獲取，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點實時采集、通信和控制等功能，而且極大地節(jié)省了功耗，降低了成本，為水情信息的監(jiān)測開辟了一種新的方法，具有廣闊的應用前景。

1監(jiān)測系統(tǒng)整體設計

整個系統(tǒng)的設計由三部分組成，分別是匯聚節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。在節(jié)點構(gòu)成的傳感網(wǎng)當中，一般只有一個匯聚節(jié)點，它負責系統(tǒng)自組織網(wǎng)絡的建立，充當協(xié)調(diào)器的角色。它是用戶上位機和網(wǎng)絡其他節(jié)點的橋梁，負責上位機命令的接收并向外傳輸，同時負責網(wǎng)絡內(nèi)終端節(jié)點數(shù)據(jù)的接收并上傳給上位機；路由器節(jié)點主要的功能是保證數(shù)據(jù)從終端到匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)的多跳傳輸，因此它能夠自動建立并維護路由表，這樣即使一個路由器節(jié)點損壞，網(wǎng)絡內(nèi)的終端節(jié)點可以搜索并發(fā)現(xiàn)其他路由節(jié)點，申請并加入它們，自動生成一條新的路徑保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；終端節(jié)點也就是傳感器節(jié)點負責監(jiān)測區(qū)域信息的采集，這些信息主要包括雨量、水位、流速以及溫度、濕度等數(shù)據(jù)，它可以對數(shù)據(jù)進行簡單的處理之后將信息發(fā)送至匯聚節(jié)點，最后在上位機進行顯示。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的設計

一般無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成包括四個部分，分別是傳感器模塊，處理器模塊，通信模塊，傳感器模塊和電源模塊，另外根據(jù)設計的需要，還可以外擴存儲器模塊。終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集，它包括所有的模塊。而對于匯聚節(jié)點來說相當于功能強大的終端節(jié)點，它主要起到上傳下達作用，但是不需要采集數(shù)據(jù)因此不包括傳感器模塊，但是與上位機進行通信需要加人通信轉(zhuǎn)換模塊RS232；同樣對于路由器節(jié)點，它的實際作用就是數(shù)據(jù)信息的中轉(zhuǎn)站，那么它也不包括傳感器模塊。又因為水情監(jiān)測系統(tǒng)涉及的信息量不是很龐大，在此采集到的數(shù)據(jù)信息直接保存在處理器之中。

3系統(tǒng)硬件設計

經(jīng)過比較分析，系統(tǒng)的硬件設計主要實現(xiàn)系統(tǒng)在野外監(jiān)測環(huán)境下盡可能工作時間長的特性，因此需要具備低功耗的特點。通過比較，選用MSPF5437芯片作為處理器，它不但具有最低的工作能耗而且在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達25MIPS；無線通信模塊的選用考慮到系統(tǒng)設計的通用性和公用頻段的開放性，選擇可以為各種應用提供廣泛硬件支持的CC2520芯片，它是一款符合zigbee-2006標準的2.4GHz的射頻芯片；根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)需要的水情信息，考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精確度和穩(wěn)定性，要求傳感器結(jié)構(gòu)緊湊且安裝方便，同時具備低功耗的特性，測量雨情選用用氣象變送器WXT520傳感器；測量水位選用超聲波液位計GLP-71G480；測量流速選用MGC/KL-DCB型便攜式明渠流速/流量計，這些傳感器控制簡單，只需要發(fā)送簡單的命令就可以控制數(shù)據(jù)的采集。

4系統(tǒng)通信功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件部分主要是網(wǎng)絡節(jié)點之間的相互通信，以便于數(shù)據(jù)從終端節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點直接和上位機進行通信。終端節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)的前端觸角，負責區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，它攜帶各種傳感器，接收匯聚節(jié)點的命令進行數(shù)據(jù)采集。同時考慮到系統(tǒng)的低功耗特點，終端節(jié)點不需要一直處于工作狀態(tài)，設計必要的休眠機制來降低功耗，因此根據(jù)系統(tǒng)的水情信息，在監(jiān)測點設置了水情的閾值和命令控制信息，如果監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)沒有超出預設值并且沒有接收到命令信息，此時終端節(jié)點直接暫存數(shù)據(jù)并不上傳輸，它處于休眠狀態(tài)。但是如果采集的數(shù)據(jù)超出了水情閾值或者是接收到采集命令，此時終端節(jié)點的處理器模塊就會喚醒發(fā)射芯片CC2520，通過無線傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，當然中間需要路由節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)。終端節(jié)點采集信息的流程如圖2所示。

監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各種類型的網(wǎng)絡節(jié)點之間進行的無線通信以及網(wǎng)絡的自組織都是基于zigbee 2007協(xié)議的，系統(tǒng)設置的工作頻段是2.4GHz，采用的是IEEE.15.4標準，在野外惡劣的環(huán)境下它具有比較強的抗干擾能力。網(wǎng)絡中的各個節(jié)點首先要進行初始化，無論是匯聚節(jié)點還是終端和路由節(jié)點，節(jié)點之間相互進行無線通信，需要實現(xiàn)接收和發(fā)送的功能。

5結(jié)論分析

基于Zigbee的水情監(jiān)測系統(tǒng)的設計在實驗室環(huán)境下進行了仿真測試，終端節(jié)點分布在各個監(jiān)測點上，匯聚節(jié)點連接上位機，它接收上位機的命令并且向終端發(fā)送，以此上位機獲得采集到的信息。網(wǎng)絡中同時布置了若干路由器節(jié)點，便于距離匯聚節(jié)點較遠的終端進行多跳無線傳輸信息。圖3描述的是上位機發(fā)送測試水位的控制命令時，上位機獲得信息的情況。實驗結(jié)果表明，此系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測點實時采集、通信和控制等功能，極大地節(jié)省了功耗，降低了成本，為水雨情信息采集開辟了一種新的方法，具有廣闊的應用前景。