基于物联网技术的水文监测系统研究
2012-10-27张洋洋赵建平徐娟娟
张洋洋, 赵建平, 徐娟娟
(曲阜师范大学 物理工程学院,山东 曲阜 273165)
0 引言
中国幅员辽阔,各地气候、地形、地质特性差异很大,受季风气候影响,洪涝灾害时有发生,给国家带来巨大损失。水情不明以及报讯不及时,又扩大了这些灾害带来的损失,在此背景下,建设水文监测系统就显得尤为重要。传统的水文监测系统大都采用人工记录以及有线传输方式,这些方式存在成本高、结构复杂、难于维护的缺点,加大了水文信息的采集难度。针对水文监测系统的特点,现提出了基于物联网技术的水文监测系统研究。
水文监测系统概括说来就是采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理的专门技术。事实证明水文监测系统是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段。目前研究的各水文监测单元根据水文监测要求,安装在河流的指定地点,以野外无人值守的方式工作。为满足水文监测系统的监测要求以及监控网络化的需求,这里利用Zigbee无线传感器网络以及GPRS通信技术实现对水文信息的监测。
1 物联网技术简介
物联网技术[1-2]是指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网所包括的关键技术主要包括以下几方面:
1)感知技术,是实现物联网的基础,主要包括电子标签和传感器技术。电子标签用于对采集的信息进行标准化标识,数据采集和设备控制通过射频识别读写器、二维码识读器等实现。传感器用来感知信息采集点的环境参数,为物联网系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。
2)数据融合与智能技术。数据融合是指将多种数据或信息进行处理,组合出高效且符合用户需求的数据的过程。在传感网应用中,多数情况只关心监测结果,并不需要收集大量原始数据,数据融合正是处理该问题的有效手段。智能技术是为了有效地达到预期目的,利用知识分析后所采用的各种方法和手段。
3)云计算。是指通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序,再交由多部服务器所组成的庞大处理系统进行处理。
4)网络通信技术。物联网所涵盖的网络通信技术,工作范围可以分成两大块:一块是体积小、能量低、存储容量小、运算能力弱的智能物体的互联,即传感网;另一块是没有上述约束的智能终端的互联。
Zigbee技术[3]是近几年快速发展起来的一种近距离无线通信技术,以2.4 GHz为主要频段,采用扩频技术。作为一种近距离无线通信技术,它具有以下优点。功耗非常低,工作模式下信号的收发时间比较短,非工作模式下 Zigbee节点又处于休眠模式,所以Zigbee节点的电池工作时间可以长达6~24个月。成本低,采用8位单片机和规模很小的存储器,大大降低了器件成本,并且 Zigbee协议是免专利费的。传输时延短,典型的搜索设备时延30 ms,休眠激活的时延是15 ms,活动设备信道接入的时延为15 ms。数据容量大,Zigbee可采用星状、树状和网状网络结构,且组网方式灵活,由一个主节点管理若干子节点,整个 Zigbee网络节点的数目非常可观,十分符合大面积传感器网络的布建要求。可靠性与安全性非常高,Zigbee提供了基于循环冗余校验(CRC,Cyclical Redundancy Check)的数据包完整性检测功能,支持鉴权和认证,并在数据传输中提供了三级安全处理,各个应用可以灵活确定其安全属性。
GPRS是全球移动通信系统(GSM,Global System for Mobile Communications)移动电话用户可用的一种移动数据业务,在远程数据传输中被视为比较理想的通信技术。一般情况下,GPRS用户的连接时间可能长达数小时,却只需支付相对低廉的连接费用;可以提供高达115 kbit/s的传输速率;GPRS终端可任意时刻与网络连接,分组交换接入时间短于 1 s;GPRS信号覆盖范围广,底层支持TCP/IP协议,使得 GPRS能够与 Internet实现无缝连接。系统采用GPRS网络来实现数据的远程传输,解决了水文信息检测现场与监控中心的距离限制问题。
考虑到Zigbee技术与GPRS技术各自的特点及其优势,将其应用于水文监测系统有着十分重要的意义。
2 水文监测系统的组成及特点
文中所设计的水文监测系统共分为以下3个部分:Zigbee无线传感器网络、GPRS网络和远程监控中心服务器[4]。其结构框图如图1所示。
图1 系统总体框图
1)远程监控中心。由数据库服务器、管理终端、Internet通信网络及相关的系统软件组成。主要利用计算机技术和数据库技术搭建软件平台,实现对监测区域的水文数据远程管理与显示。监控中心可以对运行中的监控终端进行参数设置,以及对水文数据的处理、存储和分析,便于水利部门工作人员对监测区域的情况进行实时分析。数据接收模块选用TI公司的 16位超低功耗单片机(MCU, Micro Controller Unit)MSP430F1232单片机和Chipcon公司的生产射频(RF,Radio Frequency)收发模块CC2430,实现与监控中心的计算机相连接。
2)GPRS网络。该部分由GPRS通信模块及现有的GPRS通信网络组成,由Zigbee网络采集到水文数据通过GPRS网络上传到Internet,从而实现数据的远距离传输。GPRS通讯模块选用 Simcom公司的SIM100,它内部集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器,适合于开发基于GPRS的无线应用产品。
3)Zigbee无线传感器网络,其功能主要有数据采集、数据处理、路由选择等,主要由分布在监测区域的各种水位传感器、雨量传感器、温度传感器等传感器与路由节点、协调器以及相关的系统软件组成。该网络主要负责各种水文数据的采集,各水文数据经过处理以后通过Zigbee网络上传到网络协调器节点,再由协调器节点发送到GPRS网络。协调器的MCU选用性能高、功耗低的MSP430F1232,选用Chipcon公司的生产CC2430作为其RF收发模块,将采集的水文数据通过RS-232C串行口被送至GPRS通信模块。协调器节点是整个系统的核心,需要具备网络管理、网络接入、信息收发、数据转换、人机交互等功能,协调器节点可与多个传感器节点通信,当被检测区域的障碍物较多或者协调器节点距传感器节点较远时,通过增加路由节点来增强网络的稳定性,所以路由节点完成数据的中转传递,这里选用 CC2430芯片作为路由器的核心,它将采集的各水文数据传递给协调器,并转发协调器发来的指令帧。所有触发事件被处理完成以后,系统将自动进入睡眠状态,更好的节约能量。
3 基于Zigbee的无线传感器节点设计
由于系统是由大量传感器节点构成,所以系统性能的好坏取决于传感器节点的性能,设计的关键是数据采集传感器节点。本系统采用Chipcon公司的生产的具有8051微控制器内核的CC2430芯片,该芯片内部集成 RF前端、电池监测等诸多功能模块,终端还包括传感器模块、电源、晶振、JTAG、时钟电路等简单外围电路[5]。采集终端传感器节点的组成框图如图2所示。
图2 采集终端传感器节点框
3.1 数据采集模块
传感器的选型应该突出体积小、低功耗、外围电路简单、启动时间较短的特点。结合采集的水文信息(水位、雨量、水温),相应传感器的输出量有模拟量和数字量[6]。水位传感器的输出信号是电压值,先经由滤波电路,再采用可单电源供电的仪表放大器AD623对信号进行放大,并将信号转化为能用于单片机A/D的+3.3 V电压后,进行水文数据采集。雨量的采集选用SRY-1容栅式雨量计,通过容栅位移传感器监测降雨量,计量精度高、可靠性好。综合以往水文监测系统研究方案的基础上,这里首次提出将水温测量作为水文信息的一个监测方面,采用 Dallas公司生产的DS18B20作为温度传感器[7]。
3.2 微处理器及无线通信模块的选取简介
本系统无线传感器网络的核心部分是具有微控制器和无线通信功能的 CC2430模块[8],它是美国TI公司推出的用来实现嵌入式Zigbee应用的片上系统,它支持2.4 GHz的IEEE802.15.4/Zigbee协议。CC2430采用增强性的8051MCU,128 KB可编程闪存,8 KB的RAM,主频达32 MHz,片内外设非常丰富,主要包括1个5通道8位至14位可编程模拟数字转换器(ADC)、4个定时器(其中包括 1个MAC定时器)、2个USART、1个DMA控制器、1个 AES128协同处理器、1个看门狗定时器(Watchdog Timer)、1个内部稳压器、21个可编程I/O引脚,可配置为通用I/O,也可配置为外设专用引脚。CC2430芯片采用0.18 µsCMOS工艺生产,在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27 mA和25 mA。具有3种休眠模式,从休眠模式转换到正常模式仅需54 µs,特别适合要求电池长期供电的应用场合。这一系列的优势使得它可以用很低的费用构成Zigbee节点,具有很强的市场竞争力。采集终端硬件电路图如图3所示。
3.3 电源模块
由于各水文监测点分散、分布范围广、大多设置在环境较恶劣地区且以野外无人值守的方式工作,所以不能保证随时都有交流供电。为满足水文监测系统的监测要求以及监控网络化的需求,这里选用太阳能蓄电池供电。太阳能供电系统白天采用太阳电池组件将光能转化成电能,对 MCU及其外围电路供电,并向蓄电池充电,夜间及连续阴雨天气则选用蓄电池为系统供电[9],其硬件电路的设计这里不作赘述。
图3 采集终端节点硬件电路
4 系统的软件设计
系统的软件设计(其流程图可概括如图4所示)是整个系统的核心部分,现着重考虑了传感器节点部分的软件设计。
图4 系统的软件实现方法
系统分时对水位、雨量、水温等数据进行采集,所以为避免干扰对水文信息的采集、处理以及传输,多个传感器采用定时器中断驱动采集命令执行。传感器节点在发送数据前先发送查询请求,然后启动定时器等待接收应答,若在规定时间内没有接收到相应的数据应答,将重新发送查询请求。水位传感器、雨量传感器以及水温传感器按固定的顺序分别每一个小时采集一次信息,也即在整点的时候采集水位信息,在X:20的时候采集雨量信息,在X:40时采集水温信息。为节省能量,系统在不工作时会维持在休眠状态,只有当定时时间到时才开始采集、处理并发送数据。
5 结语
本系统设计的基于物联网技术的水文监测系统,综合考虑了Zigbee技术与GPRS技术的特点和优势[10-11],达到短距离与长距离相结合,并对系统的组成、工作原理和特点进行了分析。该方案可应用在河道水文监测、湖泊水库监测、沿海潮汛潮位监测等,有助于解决当前水文监测所面临的各种困难。电源模块的供电模式还有待于进一步的设计,以实现更高效可靠的为系统供电。
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