陳相南，李艷萍，王佩琦，龔杏雄

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

0 引 言

傳統(tǒng)的液位檢測方式［1－5］主要是單通道現(xiàn)場檢測，這些研究主要集中在傳感器的液位采集部分，而未考慮數(shù)據(jù)傳輸部分，需要人工定期檢查，不利于大范圍多儲水設(shè)施情況的集中監(jiān)管，浪費人力。目前還存在一些采用有線通訊方式的多通道的液位監(jiān)測方法，雖能實現(xiàn)多通道集中管理，但其施工復(fù)雜，不易擴展。盡管已有一些采用無線通信方式的液位檢測的研究［6，7］，但都未考慮直接向用戶及相關(guān)事故處理部門發(fā)送報警信息。針對工業(yè)和民用建筑物中大量的儲水設(shè)施，本文提出一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的多通道水位監(jiān)測及快速預(yù)警系統(tǒng)，將泄漏事故情況直接發(fā)給相應(yīng)用戶及相關(guān)事故處理部門。

1 系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)和民用建筑物中，存在一些通常情況下水位保持不變的儲水設(shè)施，具有數(shù)量大，分布不集中的特點。針對這些儲水設(shè)施的漏水事故問題，本文提出一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的低功耗緊急漏水事故快速預(yù)警系統(tǒng)，將漏水事故情況直接發(fā)送給用戶及相關(guān)處理部門。為實現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點采用SIM（subscriber identity module）卡類型ZigBee模塊。當(dāng)事故發(fā)生時，啟動現(xiàn)場報警器終端的同時，還將中控主機的決策結(jié)果，通過SMS（short message service）服務(wù)器直接發(fā)給相關(guān)事故處理部門及相應(yīng)注冊用戶的手機上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)的工作流程為：傳感器節(jié)點將采集的水位信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心節(jié)點，中心節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)送至中控主機進(jìn)行分析與決策。當(dāng)泄漏事故發(fā)生時，中控主機將警報信息經(jīng)由中心節(jié)點發(fā)送至終端報警器，同時，將事故信息通過SMS服務(wù)器直接發(fā)送到相關(guān)事故處理部門及相應(yīng)注冊用戶的手機上。

1.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)水位信息的采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心節(jié)點。傳感器節(jié)點分為傳感器和數(shù)據(jù)管理兩部分，本系統(tǒng)中采用帶溫補超聲波測距模塊作為傳感器模塊。其具有測量精度高，體積小，使用便捷，控制靈活等特點；數(shù)據(jù)管理部分包括：數(shù)據(jù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。

1.2 中心節(jié)點

中心節(jié)點是整個檢測系統(tǒng)的通訊核心，所有傳感器節(jié)點均通過中心節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的中央監(jiān)測。中心節(jié)點接收來自傳感器節(jié)點的水位數(shù)據(jù)，將其傳送至中控主機。當(dāng)發(fā)生儲水設(shè)施泄漏事故時，中心節(jié)點接收并處理來自中控主機的警報信息，并發(fā)送至終端報警器，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為實現(xiàn)對緊急事故的快速報警，中心節(jié)點采用SIM 卡類型ZigBee模塊，對每個傳感器節(jié)點進(jìn)行身份識別，與注冊用戶身份相關(guān)聯(lián)。這樣，當(dāng)某個儲水設(shè)施泄漏，系統(tǒng)將直接將泄漏信息發(fā)送到相應(yīng)注冊用戶的手機上，同時向相關(guān)事故處理部門報警。

圖2 中心節(jié)點

1.3 中控主機

中控主機分析來自中心節(jié)點的水位數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行分析與決策。當(dāng)泄漏事故發(fā)生時，中控主機將決策結(jié)果發(fā)送給中心節(jié)點來啟動終端報警器，同時，將事故信息通過SMS服務(wù)器發(fā)送到相應(yīng)注冊用戶的手機上，以及相關(guān)事故處理部門。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 中控主機

中控主機通過分析每個節(jié)點的水位數(shù)據(jù)變化量是否大于預(yù)設(shè)門限值來判斷是否發(fā)生泄漏事故，當(dāng)儲水設(shè)施發(fā)生嚴(yán)重泄漏事故時很容易判斷。但當(dāng)儲水設(shè)施發(fā)生滲水或緩慢漏水時，受到傳感器精度的限制，可能無法識別連續(xù)兩次接收到的水位數(shù)據(jù)的變化。為解決這一問題，提出一種多級循環(huán)比較算法，應(yīng)用于漏水決策環(huán)節(jié)。

多級循環(huán)比較算法的原理為，接收到的水位數(shù)據(jù)不僅與上一次接收到的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同時還與較長一段時間以前采集的水位數(shù)據(jù)比較。算法數(shù)學(xué)描述如下：首先定義第j級循環(huán)比較中連續(xù)兩次比較樣本的差值Δj（i），其表達(dá)式如下

式中：i∈（0，1，2，…，n），D（i）——第i個樣本數(shù)據(jù)。gj——第j級的比較間隔，其滿足gj＋1＞gj，且g1＝1，即第一級比較為連續(xù)兩次采集樣本比較。判斷漏水的依據(jù)為Δj（i）是否滿足式（2）

式中：ξ——系統(tǒng)預(yù)設(shè)的門限值。式（2）的含義為：第j 級的連續(xù)兩次比較樣本的差值若大于預(yù)設(shè)的門限值ξ，則判斷為有漏水事故發(fā)生。若有儲水設(shè)備晃動而引起水面波動或傳感器錯誤采集等突發(fā)狀況產(chǎn)生，那么按照式（2）進(jìn)行決策就很可能做出錯誤決策。在實際情況中，若儲水設(shè)施發(fā)生泄漏，則水通常會以一定的流速勻速流失，即水面高度勻速下降。因此，依據(jù)這一特點將第j級的決策依據(jù)改為

式中：k∈（0，1，2，…，n）。這樣，極大程度地避免了突發(fā)情況對決策產(chǎn)生的干擾。

針對儲水設(shè)施緩慢漏水或滲水情況中水面高度變化極小，難以檢測的問題，多級循環(huán)比較算法通過延長比較時間來累積水面高度的變化值，在相同傳感器精度的條件下極大地增加了系統(tǒng)檢測精度。

2 節(jié)點低功耗設(shè)計

由于網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點通常采用不能進(jìn)行能量補充的電池來提供能量，節(jié)點隨電池電量耗盡而失效，因此，功耗對于ZigBee網(wǎng)絡(luò)來說是一個非常重要的指標(biāo)。為減少節(jié)點能量消耗、延長節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的壽命，進(jìn)行節(jié)點的低功耗設(shè)計尤為重要。

在傳感器節(jié)點中，傳感器和處理器的功耗很小，傳感器節(jié)點的大部分能量被無線收發(fā)模塊消耗。因此，合理地減少節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)次數(shù)和降低天線的發(fā)射功率可以有效地降低傳感器節(jié)點的功耗。鑒于以上分析，本文采用以下兩種方法，以實現(xiàn)節(jié)點的低功耗設(shè)計。

2.1 節(jié)點數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機制

針對儲水設(shè)施水位報警系統(tǒng)，中控主機需要實時監(jiān)測水位信息以達(dá)到快速預(yù)警的功能，這就要求傳感器節(jié)點發(fā)送水位數(shù)據(jù)的頻率越高越好。而通常情況下水位均保持不變，系統(tǒng)不需要決策，這就產(chǎn)生了大量的重復(fù)冗余數(shù)據(jù)的傳輸，造成能量浪費。

根據(jù)以上情況，本文采用一種節(jié)點數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機制［8］。傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集周期為Tsensor，數(shù)據(jù)發(fā)送周期為Tsen，二者滿足式（4）

式中：m∈（0，1，2，…，n），即每采集m 次數(shù)據(jù)發(fā)送一次。同時，傳感器節(jié)點對一個發(fā)送周期Tsen內(nèi)的m 個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，記

式中：l∈（0，1，2，…，n），X（l）——第l個采集數(shù)據(jù)。當(dāng)τl均小于或等于預(yù)設(shè)閾值ω時，傳感器節(jié)點按周期Tsen正常發(fā)送數(shù)據(jù)，即只有數(shù)據(jù)X（m）被發(fā)送到中心節(jié)點，而X（1），X（2），…，X（m－1）均被舍棄。這樣，就減少了大量的重復(fù)冗余數(shù)據(jù)的傳輸。若τl大于預(yù)設(shè)閾值ω，表明水位信息有變化，發(fā)生漏水事故的可能性較大，所以從該時刻起，按采集周期Tsensor發(fā)送數(shù)據(jù)，等待中控主機的決策結(jié)果。

這樣，采用周期與非周期相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機制，在不犧牲系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確性的情況下，可以有效地降低節(jié)點能耗。其中，閾值ω、采樣周期Tsensor和Tsen可根據(jù)實際情況設(shè)定。

2.2 節(jié)點發(fā)射功率自適應(yīng)機制

本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點分布在建筑物中，與中心節(jié)點間的距離各不相等，且相隔不同程度的障礙物，所以，其與中心節(jié)點通信所需要的發(fā)生功率也不完全相同。若所有傳感器節(jié)點以相同的發(fā)射功率與中心節(jié)點通信，則會造成不必要的能量浪費。針對以上問題，本文采用節(jié)點發(fā)射功率自適應(yīng)機制［9］，其原理如圖4所示。

圖4 功率校正原理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立時，傳感器節(jié)點以最大發(fā)射功率與中心節(jié)點通信，向其發(fā)射功率校驗命令。然后，中心節(jié)點向傳感器節(jié)點返回一個接收信號強度指示信號（receiving signal strength indication，RSSI），傳感器節(jié)點根據(jù)返回的RSSI值對其發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整，然后再次向中心節(jié)點發(fā)送功率校驗命令，直到傳感器節(jié)點與中心節(jié)點以相對最小發(fā)射功率建立可靠的通信鏈路為止。

通過應(yīng)用節(jié)點發(fā)射功率自適應(yīng)機制，傳感器節(jié)點根據(jù)實際的通信信道質(zhì)量調(diào)整其發(fā)射功率，避免了所有節(jié)點按照統(tǒng)一發(fā)射功率傳輸數(shù)據(jù)所造成的能量浪費。

3 實驗與仿真分析

3.1 多級循環(huán)比較算法實驗分析

為測試多級循環(huán)比較算法的性能，我們對3個尺寸相同的水箱（分別記為Tank 1，Tank 2，Tank 3）進(jìn)行實驗。分別對3個水箱進(jìn)行兩組實驗，第一組實驗采用多級循環(huán)比較算法對其進(jìn)行漏水決策；第二組實驗采用傳統(tǒng)決策方法對其進(jìn)行漏水決策。根據(jù)式（3），第一組多級循環(huán)比較算法的參數(shù)設(shè)置如下：j＝2，k＝3，g1＝1，g2＝10，ξ ＝5mm；第二組實驗中的報警門限值也設(shè)為5mm。兩組實驗的采樣間隔Tsensor均設(shè)為5s。

兩組實驗分別對3個水箱進(jìn)行相同的試驗，初始水位均為200mm，然后在水箱底部開不同大小的孔或使水箱產(chǎn)生晃動，使Tank 1的水位以1.2mm／s的速度下降，Tank 2的水位以0.6mm／s的速度下降，而未對Tank 3水箱進(jìn)行破壞，只是輕微晃動水箱，使其水面發(fā)生波動，水位變化情況如圖5所示。

圖5 水位變化

第一組實驗中，系統(tǒng)對Tank 1 和Tank 2 產(chǎn)生報警信號；第二實驗中，系統(tǒng)對Tank 1和Tank 3產(chǎn)出報警信號?；诙嗉壯h(huán)比較算法的決策系統(tǒng)對3個水箱的漏水情況判斷完全正確，而第二組基于傳統(tǒng)判斷方法的實驗中，僅對Tank 1做出正確判斷。實驗結(jié)果說明，多級循環(huán)比較算法能夠有效地提高系統(tǒng)的報警靈敏度，并降低誤警率。

3.2 節(jié)點低功耗仿真分析

這里對本文所設(shè)計節(jié)點的低功耗性能進(jìn)行分析，首先建立節(jié)點能耗模型。本文引用基于通信和計算特征分析的能耗模型［10］，其數(shù)學(xué)模型表示如下：

（1）面向應(yīng)用的節(jié)點能耗

（2）節(jié)點通信能耗

（3）節(jié)點計算能耗

（4）傳感器采樣能耗

式中：psen——RF發(fā)送的平均功率，tsen——RF發(fā)送的每幀平均用時，Tsen——數(shù)據(jù)發(fā)送周期。類似地，式（7）中其它參數(shù)分別為通信模塊接收、空閑及睡眠時的功率、時間和周期。patom為原子計算的平均功率，tatom為原子計算的平均用時，Tatom為原子計算周期。psensor為傳感器采樣平均功率，tsensor為傳感器采樣平均用時，Nsensor為傳感器采樣周期。

本試驗中，節(jié)點ZigBee 模塊采用TEXAS INSTRUMENTS公司的CC2530SoC［11］，傳感器采用DYP－ME007超聲波模塊［12］，以下為其公司提供的節(jié)點物理特性參考值

psen＝u＊isen＝3.3V×29mA＝95.7mW

prec＝u＊irec＝3.3V×24mA＝79.2mW

pidle＝u＊iidle＝3.3V×0.2mA＝0.66mW

psleep＝u＊isleep＝3.3V×1μA＝3.3×10－3mW

psensor＝u＊isensor＝5V×15mA＝75mW

patom＝5／4＝1.25mW

tsensor＝1ms

根據(jù)以上能耗模型及物理參數(shù)，分別對采用節(jié)點低功耗設(shè)計與未采用低功耗設(shè)計的傳感器節(jié)點功耗進(jìn)行仿真分析。實驗中，為便于分析，網(wǎng)絡(luò)僅由一個中心節(jié)點和3 個傳感器節(jié)點（分別記為節(jié)點A，B，C）組成，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表1給出本實驗中兩種機制下3個傳感器節(jié)點的部分參數(shù)設(shè)置。

表1 傳感器節(jié)點部分參數(shù)

此外，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中一個通信周期內(nèi)，節(jié)點的各個狀態(tài)平均用時［10］為

tsen＝3.291ms

trec＝0.842ms

t

atom＝1.033ms

tidle＝T1－tsen－trec－tsleep＝45.867ms

結(jié)合以上參數(shù)與功耗模型，對采用低功耗設(shè)計的傳感器節(jié)點與未采用低功耗設(shè)計的傳感器節(jié)點的功耗進(jìn)行仿真。其中，又對采用低功耗設(shè)計的節(jié)點進(jìn)行兩種情況下的功耗仿真：一種是節(jié)點采集的水位數(shù)據(jù)一直保持平穩(wěn)的狀態(tài)；另一種是節(jié)點采集的水位數(shù)據(jù)在某段時間內(nèi)發(fā)生突變情況。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 低功耗與非低功耗節(jié)點能耗

從仿真結(jié)果可以看出，采用低功耗設(shè)計的節(jié)點功耗明顯低于未采用低功耗設(shè)計的節(jié)點功耗。由于節(jié)點數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機制，當(dāng)水位數(shù)據(jù)發(fā)生突變時，低功耗節(jié)點的功耗突然增大。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出，采用低功耗設(shè)計的傳感器節(jié)點的功耗相比于未采用低功耗設(shè)計的傳感器節(jié)點降低76.37%。本文低功耗設(shè)計的節(jié)能效果顯著，適用于本系統(tǒng)傳感器節(jié)點長期監(jiān)測的特點，有效延長系統(tǒng)壽命。

4 結(jié)束語

為解決民用及工業(yè)建筑物內(nèi)大量儲水設(shè)施監(jiān)管問題，本文設(shè)計了一種漏水監(jiān)測及快速報警系統(tǒng)，將緊急事故情況信息直接發(fā)送給相關(guān)緊急事故處理部門及相應(yīng)注冊用戶。并提出一種多級循環(huán)比較算法，應(yīng)用于中控主機決策環(huán)節(jié)。同時，對傳感器節(jié)點進(jìn)行了低功耗設(shè)計，通過節(jié)點數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機制與發(fā)射功率自適應(yīng)機制，降低節(jié)點功耗。相對于現(xiàn)有的水位監(jiān)測與報警系統(tǒng)，本設(shè)計具有報警速度快、靈敏度高、誤警率低和功耗低的特點。

［1］Luo K，Shui A，Li S，et al.Sensor cable－based tank leak detection system ［C］／／China：Control and Decision Conference，2011：1320－1324.

［2］Chen Y，Tang Z N，Yu J.Using multi－sensor data fusion to predict dangerous states of LNG transport tank［C］／／China： IEEE 5th International Conference on Advanced Computational Intelligence，2012：18－20.

［3］Moon C，Brown W C，Mellen S，et al.Ultrasound techniques for leak detection in vehicle and pressure vessel production lines［C］／／USA：Noise－Con，2008：1－6.

［4］Li C J，Qi T Z，Zhang Z Q.A smart design of coolant tank leak testing equipment in car manufacture using fault detection and isolation observer based method ［C］／／Singapore：Industrial Electronics and Applications，2008：1925－1928.

［5］Zeng C Z，Lin Z，Chen J H，et al.Analysis of pressurechanged effect on leakage in pressure decay leak detection ［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，101：189－192.

［6］Luo J，Wang Y H，Zhao Q W，et al.Study on liquid volume measurement based on wireless transmission and hydraulic sensors［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，263：392－397.

［7］Li Z，Shui A，Luo K，et al.SIR－based oil tanks leak detection method ［C］／／China：Control and Decision Conference，2011：1946－1950.

［8］XU Huanliang，ZHANG Hao，SHEN Yi，et al.Environment monitoring system for flowers in greenhouse using low－power transmission ［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29 （4）：237－244 （in Chinese）.［徐煥良，張灝，沈毅，等.基于低功耗傳輸方法的設(shè)施花卉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29 （4）：237－244.］

［9］SHI Fanrong，HUANG Yuqing，REN Zhenwen，et al.Design of adaptive tree－mesh hybrid wireless sensor networks for greenhouses［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29 （5）：102－108 （in Chinese）.［石繁榮，黃玉清，任珍文，等.自適應(yīng)Tree－Mesh結(jié)構(gòu)的大棚無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29 （5）：102－108.］

［10］CHENG Xiaoliang，DENG Zhidong，DONG Zhiran.A model of energy consumption based on characteristic analysis of wireless communication and computation ［J］.Journal of Computer Research and Development，2009，46 （12）：1985－1993（in Chinese）.［成小良，鄧志東，董志然.基于無線通信和計算特征分析的能耗模型 ［J］.計算機研究與發(fā)展，2009，46 （12）：1985－1993.］

［11］Instruments T.CC2530DataSheet（Rev.B）［EB／OL］.［2012－04－28］.http：／／www.ti.corn.

［12］Company Y P D.DYP－ME007V2，Ultrasonic module with temperature compensation［EB／OL］.［2011－09－16］.https：／／code.google.com／p／megapirateng／wiki／dypme007，（in Chinese）.［深圳市電應(yīng)普科技有限公司.DYP－ME007 V2帶溫補超聲波測距模塊［EB／OL］.［2011－09－16］.https：／／code.google.com／p／megapirateng／wiki／dypme007.］