張捐凈+張陽(yáng)

摘要：水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是將基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到信息采集中，在監(jiān)測(cè)區(qū)域布置若干終端節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，它接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令，進(jìn)而將采集到的信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232和上位機(jī)相連，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)命令的接收和向上位機(jī)傳輸信息。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸使用的是CC2520射頻芯片，它抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)信息穩(wěn)定可靠的傳送。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(cè)開(kāi)辟了一種新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Zigbee；水情；監(jiān)測(cè)

在誘發(fā)河流發(fā)生災(zāi)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(cè)手段獲取河流的水情信息可以建立后臺(tái)河流預(yù)警模型，從而規(guī)避災(zāi)害。因此在河流災(zāi)害防治方面，如何采集水情數(shù)據(jù)就成為了關(guān)鍵的研究重點(diǎn)。近年來(lái)由于通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高及應(yīng)用，同時(shí)伴隨著成本低、測(cè)量精度高、穩(wěn)定可靠性好的傳感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)代化特點(diǎn)的水情監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一種切實(shí)可行的研究策略，這樣的系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，分布靈活并且安裝方便的特點(diǎn)。同時(shí)又由于而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（即WSN）采用分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用節(jié)點(diǎn)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(yīng)用越來(lái)越受到用戶(hù)的青睞。因此本文提出基于Zigbee技術(shù)的水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目的在于合理實(shí)現(xiàn)人工不能到達(dá)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(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(cè)開(kāi)辟了一種新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由三部分組成，分別是匯聚節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的傳感網(wǎng)當(dāng)中，一般只有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)的建立，充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色。它是用戶(hù)上位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的橋梁，負(fù)責(zé)上位機(jī)命令的接收并向外傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收并上傳給上位機(jī)；路由器節(jié)點(diǎn)主要的功能是保證數(shù)據(jù)從終端到匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的多跳傳輸，因此它能夠自動(dòng)建立并維護(hù)路由表，這樣即使一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)損壞，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)可以搜索并發(fā)現(xiàn)其他路由節(jié)點(diǎn)，申請(qǐng)并加入它們，自動(dòng)生成一條新的路徑保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；終端節(jié)點(diǎn)也就是傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理之后將信息發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，最后在上位機(jī)進(jìn)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(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

一般無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成包括四個(gè)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(shè)計(jì)的需要，還可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，它包括所有的模塊。而對(duì)于匯聚節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于功能強(qiáng)大的終端節(jié)點(diǎn)，它主要起到上傳下達(dá)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(jī)進(jìn)行通信需要加人通信轉(zhuǎn)換模塊RS232；同樣對(duì)于路由器節(jié)點(diǎn)，它的實(shí)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?yàn)樗楸O(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)比較分析，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在野外監(jiān)測(cè)環(huán)境下盡可能工作時(shí)間長(zhǎng)的特性，因此需要具備低功耗的特點(diǎn)。通過(guò)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(dá)25MIPS；無(wú)線(xiàn)通信模塊的選用考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性和公用頻段的開(kāi)放性，選擇可以為各種應(yīng)用提供廣泛硬件支持的CC2520芯片，它是一款符合zigbee-2006標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的射頻芯片；根據(jù)監(jiān)測(cè)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(shí)具備低功耗的特性，測(cè)量雨情選用用氣象變送器WXT520傳感器；測(cè)量水位選用超聲波液位計(jì)GLP-71G480；測(cè)量流速選用MGC/KL-DCB型便攜式明渠流速/流量計(jì)，這些傳感器控制簡(jiǎn)單，只需要發(fā)送簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件部分主要是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，以便于數(shù)據(jù)從終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)直接和上位機(jī)進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端觸角，負(fù)責(zé)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(diǎn)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)考慮到系統(tǒng)的低功耗特點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)不需要一直處于工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)必要的休眠機(jī)制來(lái)降低功耗，因此根據(jù)系統(tǒng)的水情信息，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置了水情的閾值和命令控制信息，如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)沒(méi)有超出預(yù)設(shè)值并且沒(méi)有接收到命令信息，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)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(shí)終端節(jié)點(diǎn)的處理器模塊就會(huì)喚醒發(fā)射芯片CC2520，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然中間需要路由節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)。終端節(jié)點(diǎn)采集信息的流程如圖2所示。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行的無(wú)線(xiàn)通信以及網(wǎng)絡(luò)的自組織都是基于zigbee 2007協(xié)議的，系統(tǒng)設(shè)置的工作頻段是2.4GHz，采用的是IEEE.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在野外惡劣的環(huán)境下它具有比較強(qiáng)的抗干擾能力。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)首先要進(jìn)行初始化，無(wú)論是匯聚節(jié)點(diǎn)還是終端和路由節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間相互進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，需要實(shí)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了仿真測(cè)試，終端節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，匯聚節(jié)點(diǎn)連接上位機(jī)，它接收上位機(jī)的命令并且向終端發(fā)送，以此上位機(jī)獲得采集到的信息。網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)布置了若干路由器節(jié)點(diǎn)，便于距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的終端進(jìn)行多跳無(wú)線(xiàn)傳輸信息。圖3描述的是上位機(jī)發(fā)送測(cè)試水位的控制命令時(shí)，上位機(jī)獲得信息的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(kāi)辟了一種新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。