蘇健民，張捐凈，劉嘉新

（東北林業(yè)大學林科學院，哈爾濱 150040）

近年來，山洪災害頻頻發(fā)生，造成的經濟損失不斷上升，嚴重影響了人們的生活和社會的發(fā)展。目前，對山洪災害的科學研究正在蓬勃發(fā)展，大多從環(huán)境因子推求動力理論關系去研究［1］，包括降雨量，水位，滑坡，泥石流等環(huán)境因素。山洪監(jiān)測預測比較完整的是劉陽、王洪肖等提出的各個小流域匯總數(shù)學模型，其中涉及到降雨強度，流域各個區(qū)段的蓄積水量，水道情況等信息［2］。但是這個模型只是數(shù)學的模擬仿真，沒有研究節(jié)點數(shù)據(jù)采集工程上的實現(xiàn)。

本文在分析山洪監(jiān)測數(shù)學模型的基礎上，研究系統(tǒng)的節(jié)點。它作為監(jiān)測系統(tǒng)的前端采集模塊，獲取區(qū)域的降雨，流速，流量等水情信息，為后臺山洪監(jiān)測的數(shù)學模型提供數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)應用于野外環(huán)境，節(jié)點的能耗嚴重影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取，因此設計了新型的節(jié)點布設數(shù)學模型，結合節(jié)點的工程設計，提出了基于WSN的分布式山洪監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點布設模型與工程實現(xiàn)的研究。采用分布式結構，一個節(jié)點分配一個傳感器，分別采集不同的數(shù)據(jù)，按照布設模型配置多個傳感器，實現(xiàn)了區(qū)域的全方位監(jiān)測，擴大了采集的信息量，形成了分布式的監(jiān)測系統(tǒng)。從而為規(guī)避山洪風險，避免或減少山洪災害導致的人員傷亡和財產損失，有效防御山洪災害?實施指揮決策和調度以及搶險救災提供了保障［3］。

1 節(jié)點布設模型研究

節(jié)點分布在監(jiān)測區(qū)域完成監(jiān)測任務，構建分布式山洪監(jiān)測系統(tǒng)基于一種線型的無線傳感器網絡，監(jiān)測區(qū)域選擇河流，保證節(jié)點在通信距離之內。研究表明無線通信模塊是系統(tǒng)節(jié)點的主要能耗單元，節(jié)點在發(fā)送狀態(tài)下能耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)下的能耗相當，略小于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，而在睡眠狀態(tài)下的能量消耗最?。?］。文獻［5］構建的數(shù)學模型過于理想化，忽略了節(jié)點空閑狀態(tài)的能耗，在此引入節(jié)點空閑狀態(tài)能耗的參數(shù)［6］，優(yōu)化改進系統(tǒng)節(jié)點布設的數(shù)學模型，從而合理布設系統(tǒng)節(jié)點，從理論和實際應用方面研究具有工程應用價值的節(jié)點布設模型。

由于節(jié)點的位置與它的能量消耗有關，假設ρ（r）是距離匯聚節(jié)點為r處的節(jié)點的密度［6］。監(jiān)測區(qū)域A，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測區(qū)域A圖形說明Fig.1 Explanation of the monitoring area A

區(qū)域A的能耗速度包括3部分:轉發(fā)A外側數(shù)據(jù)能耗，A區(qū)域產生數(shù)據(jù)發(fā)送能耗和空閑狀態(tài)能耗。即:

由c=2n/L2進一步求出式中:L為監(jiān)測區(qū)域長度;e為節(jié)點初始能量;v為單位監(jiān)測區(qū)域的系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)速度速度;t為節(jié)點間的通信距離;S為發(fā)送單位數(shù)據(jù)消耗的能量;R為接收單位數(shù)據(jù)消耗的能量。

公式ρ（r）計算得出了監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點的密度函數(shù)，在此選取區(qū)域B（即區(qū)間 ［0，t］），對比系統(tǒng)的生命期 （總能量/能量消耗速度）與均勻布置的差別。

對比公式 （1）和公式 （2）發(fā)現(xiàn)，它們的比值是（2L－t）/L，本文研究的節(jié)點布設數(shù)學模型優(yōu)于均勻布置模型，具有更長的生命期。

2 節(jié)點硬件設計

系統(tǒng)的節(jié)點應用于實際監(jiān)測，不但需要研究它的布設方式，還要研究它的工程實施方式。分布式監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點有三種類型分別是匯聚節(jié)點，路由器節(jié)點和終端節(jié)點。匯聚節(jié)點是網絡的協(xié)調器，負責系統(tǒng)網絡的建立。同時它直接和上位機相連，通過串口接收上位機的命令，并向廣播方式向外發(fā)送，進而獲得終端的數(shù)據(jù)信息;路由器節(jié)點負責數(shù)據(jù)的多跳傳輸，并且能夠自動建立路由表，當一個路由器斷開，它允許終端節(jié)點自動加入其它路由節(jié)點，保證了終端節(jié)點數(shù)據(jù)的可靠傳輸;終端節(jié)點負責采集監(jiān)測區(qū)域的水雨情信息，經過處理發(fā)送至匯聚節(jié)點。由節(jié)點構成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構框圖如圖2所示。

圖2 山洪監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構框圖Fig.2 The overall structure diagram of flash flood monitoring system

系統(tǒng)節(jié)點的構成一般包括:處理器模塊，通信模塊，傳感器模塊和電源模塊以及存儲器模塊，它的硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點硬件框圖Fig.3 System node hardware block diagram

終端節(jié)點的完整結構如圖3的描述，但是匯聚節(jié)點不包括傳感器模塊，加入與上位機通信的RS232轉換模塊，同樣路由器節(jié)點也不包括傳感器模塊，它的實際作用只是數(shù)據(jù)信息的中轉站。

經過分析，考慮到工程的可操作性和穩(wěn)定性以及野外監(jiān)測環(huán)境下低功耗的要求，系統(tǒng)節(jié)點的硬件設計選用MSPF5437芯片作為處理器，它具有最低的工作能耗，在1.8V－3.6V的工作電壓范圍內性能高達25MIPS;選用CC2520作為無線通信模塊，它是一款符合zigbee－2006標準的2.4GHz的射頻芯片，為各種的應用提供了廣泛的硬件支持［7］;選用氣象變送器WXT520作為雨量傳感器測量雨情;選用超聲波液位計GLP－71G4B0測量水位數(shù)據(jù);選用MGC/KL－DCB型便攜式明渠流速/流量計測量流速，它們不但能夠精確且穩(wěn)定的測量最主要的水情參數(shù)，而且結構緊湊，具有低功耗的特性。同時操作處理簡單，通過簡單的串口發(fā)送命令就可以獲得測量的數(shù)據(jù)。傳感器硬件數(shù)據(jù)接口說明見表1。

表1 傳感器數(shù)據(jù)接口說明Tab.1 Description of the sensor data interface

為了滿足系統(tǒng)節(jié)點的規(guī)范化，統(tǒng)一將傳感器的數(shù)據(jù)接口轉換成標準的RS232接口。硬件設計部分主要包括控制器MSPF5437，無線發(fā)射?接收和傳感器數(shù)據(jù)接口轉換電路三部分。系統(tǒng)節(jié)點的硬件原理圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設計的硬件原理圖Fig.4 The hardware principle diagram of system design

3 節(jié)點軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)的不同節(jié)點雖然執(zhí)行不同的監(jiān)測任務，但在程序設計上它們均應包括初始化程序?協(xié)議棧配置?組網方式配置程序?各處理層設置程序以及發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對CC2520、協(xié)議棧、UART串口等進行初始化;發(fā)射程序將所采集的數(shù)據(jù)通過CC2520調制并通過DMA直接送至射頻輸出;接收程序完成數(shù)據(jù)的接收?遠傳及返回信息處理。系統(tǒng)節(jié)點的軟件設計主要是完成節(jié)點數(shù)據(jù)的采集，處理和傳輸。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The flow chart of the main program

系統(tǒng)節(jié)點中的終端節(jié)點配置不同的傳感器采集數(shù)據(jù)，在此系統(tǒng)中需要采集的是監(jiān)測區(qū)域的風、溫度和雨量以及水位和流速等數(shù)據(jù)。發(fā)送不同的命令采集不同的信息。為了降低能耗，設定了監(jiān)測點的水量閾值以及接受命令的信息幀，在監(jiān)測點信息沒有超出預設值且沒有接收到命令信息的時候，終端節(jié)點一直休眠狀態(tài)，不向匯聚節(jié)點發(fā)送信息。一旦超出了水量閾值或者是接收到采集命令，處理器MSPF5437就會喚醒發(fā)射芯片CC2520，將當前測試點的信息發(fā)送給匯聚節(jié)點，它是經路由器節(jié)點多跳進行傳輸?shù)摹＝K端節(jié)點的程序流程如圖6所示。

4 測試分析

為了驗證山洪監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點設計的可行性，在實驗室環(huán)境下進行了測試。系統(tǒng)節(jié)點按照布設數(shù)學模型分布在監(jiān)測點的各個區(qū)域，每一個終端節(jié)點配置一個傳感器，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。系統(tǒng)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。上位機獲得的信息如圖7示。

由圖分析可知，系統(tǒng)節(jié)點可以順利獲取各個監(jiān)測點的信息。其中0R1返回的是風信息，0R2返回的是溫濕度信息，0R3返回的是雨情信息，0R5測量的是監(jiān)控方信息［8］。以“04”為標志測試的是空氣距離（m），液位是空氣距離之差;以“0A”為標志測試的是河流的流速（m/s）。

圖6 終端節(jié)點程序流程圖Fig.6 The flow chart of the terminal node program

圖7 上位機獲得采集到的信息Fig.7 The collected information of PC acquired

5 結論

本文研究基于WSN的分布式山洪監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點，優(yōu)化了節(jié)點布設數(shù)學模型，研究了節(jié)點工程應用的軟硬件設計，完成分布式山洪監(jiān)測系統(tǒng)的前端設計。實現(xiàn)了監(jiān)測點數(shù)據(jù)的采集?處理和傳輸?shù)裙δ埽鼮楹笈_數(shù)學模型的建立提供了準確的信息。設計極大地節(jié)省了功耗，降低了成本，適用于野外環(huán)境監(jiān)測的各個領域，為山洪監(jiān)測開辟了一種新的方法，具有廣闊的應用前景。

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［1］潘 華.盛氣候與環(huán)境對山洪暴發(fā)及等級劃分的影響研究［J］.黑龍江水利科技，2006，6（34）:5 －7.

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［3］山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)設計方案編制工作組.山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)設計方案指導書［EB/OL］，2007.

［4］凌 超.無線傳感器網絡覆蓋問題研究［D］.大連:大連理工大學，2007.

［5］陸克中，劉應玲.一種線型無線傳感器網絡的節(jié)點布置方案［J］.計算機應用，2007，27（7）:1566 －1568.

［6］張捐凈，蘇健民，劉嘉新.小流域山洪監(jiān)測網絡節(jié)點布設模型的研究［J］.森林工程，2012，28（4）:81 －84.

［7］趙 琦，陳佳品，李振波，等.基于射頻CC2520實現(xiàn)的Zigbee通信設計［J］.微計算機信息，2010（5）:37 －38.

［8］維薩拉公司.Vaisala氣象變送器WXT520操作手冊［EB/OL］.2010.