基于WSN的山洪监测节点布设与工程实现的研究

苏健民，张捐净，刘嘉新

（东北林业大学林科学院，哈尔滨 150040）

近年来，山洪灾害频频发生，造成的经济损失不断上升，严重影响了人们的生活和社会的发展。目前，对山洪灾害的科学研究正在蓬勃发展，大多从环境因子推求动力理论关系去研究［1］，包括降雨量，水位，滑坡，泥石流等环境因素。山洪监测预测比较完整的是刘阳、王洪肖等提出的各个小流域汇总数学模型，其中涉及到降雨强度，流域各个区段的蓄积水量，水道情况等信息［2］。但是这个模型只是数学的模拟仿真，没有研究节点数据采集工程上的实现。

本文在分析山洪监测数学模型的基础上，研究系统的节点。它作为监测系统的前端采集模块，获取区域的降雨，流速，流量等水情信息，为后台山洪监测的数学模型提供数据。监测系统应用于野外环境，节点的能耗严重影响系统数据的获取，因此设计了新型的节点布设数学模型，结合节点的工程设计，提出了基于WSN的分布式山洪监测系统的节点布设模型与工程实现的研究。采用分布式结构，一个节点分配一个传感器，分别采集不同的数据，按照布设模型配置多个传感器，实现了区域的全方位监测，扩大了采集的信息量，形成了分布式的监测系统。从而为规避山洪风险，避免或减少山洪灾害导致的人员伤亡和财产损失，有效防御山洪灾害?实施指挥决策和调度以及抢险救灾提供了保障［3］。

1 节点布设模型研究

节点分布在监测区域完成监测任务，构建分布式山洪监测系统基于一种线型的无线传感器网络，监测区域选择河流，保证节点在通信距离之内。研究表明无线通信模块是系统节点的主要能耗单元，节点在发送状态下能耗最大，在空闲状态和接收状态下的能耗相当，略小于发送状态的能量消耗，而在睡眠状态下的能量消耗最小［4］。文献［5］构建的数学模型过于理想化，忽略了节点空闲状态的能耗，在此引入节点空闲状态能耗的参数［6］，优化改进系统节点布设的数学模型，从而合理布设系统节点，从理论和实际应用方面研究具有工程应用价值的节点布设模型。

由于节点的位置与它的能量消耗有关，假设ρ（r）是距离汇聚节点为r处的节点的密度［6］。监测区域A，如图1所示。

图1 监测区域A图形说明Fig.1 Explanation of the monitoring area A

区域A的能耗速度包括3部分:转发A外侧数据能耗，A区域产生数据发送能耗和空闲状态能耗。即:

由c=2n/L2进一步求出式中:L为监测区域长度;e为节点初始能量;v为单位监测区域的系统生成数据速度速度;t为节点间的通信距离;S为发送单位数据消耗的能量;R为接收单位数据消耗的能量。

公式ρ（r）计算得出了监测系统节点的密度函数，在此选取区域B（即区间 ［0，t］），对比系统的生命期 （总能量/能量消耗速度）与均匀布置的差别。

对比公式 （1）和公式 （2）发现，它们的比值是（2L－t）/L，本文研究的节点布设数学模型优于均匀布置模型，具有更长的生命期。

2 节点硬件设计

系统的节点应用于实际监测，不但需要研究它的布设方式，还要研究它的工程实施方式。分布式监测系统的节点有三种类型分别是汇聚节点，路由器节点和终端节点。汇聚节点是网络的协调器，负责系统网络的建立。同时它直接和上位机相连，通过串口接收上位机的命令，并向广播方式向外发送，进而获得终端的数据信息;路由器节点负责数据的多跳传输，并且能够自动建立路由表，当一个路由器断开，它允许终端节点自动加入其它路由节点，保证了终端节点数据的可靠传输;终端节点负责采集监测区域的水雨情信息，经过处理发送至汇聚节点。由节点构成的分布式监测系统的整体结构框图如图2所示。

图2 山洪监测系统的整体结构框图Fig.2 The overall structure diagram of flash flood monitoring system

系统节点的构成一般包括:处理器模块，通信模块，传感器模块和电源模块以及存储器模块，它的硬件框图如图3所示。

图3 系统节点硬件框图Fig.3 System node hardware block diagram

终端节点的完整结构如图3的描述，但是汇聚节点不包括传感器模块，加入与上位机通信的RS232转换模块，同样路由器节点也不包括传感器模块，它的实际作用只是数据信息的中转站。

经过分析，考虑到工程的可操作性和稳定性以及野外监测环境下低功耗的要求，系统节点的硬件设计选用MSPF5437芯片作为处理器，它具有最低的工作能耗，在1.8V－3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS;选用CC2520作为无线通信模块，它是一款符合zigbee－2006标准的2.4GHz的射频芯片，为各种的应用提供了广泛的硬件支持［7］;选用气象变送器WXT520作为雨量传感器测量雨情;选用超声波液位计GLP－71G4B0测量水位数据;选用MGC/KL－DCB型便携式明渠流速/流量计测量流速，它们不但能够精确且稳定的测量最主要的水情参数，而且结构紧凑，具有低功耗的特性。同时操作处理简单，通过简单的串口发送命令就可以获得测量的数据。传感器硬件数据接口说明见表1。

表1 传感器数据接口说明Tab.1 Description of the sensor data interface

为了满足系统节点的规范化，统一将传感器的数据接口转换成标准的RS232接口。硬件设计部分主要包括控制器MSPF5437，无线发射?接收和传感器数据接口转换电路三部分。系统节点的硬件原理图如图4所示。

图4 系统设计的硬件原理图Fig.4 The hardware principle diagram of system design

3 节点软件设计

监测系统的不同节点虽然执行不同的监测任务，但在程序设计上它们均应包括初始化程序?协议栈配置?组网方式配置程序?各处理层设置程序以及发射程序和接收程序。初始化程序主要是对CC2520、协议栈、UART串口等进行初始化;发射程序将所采集的数据通过CC2520调制并通过DMA直接送至射频输出;接收程序完成数据的接收?远传及返回信息处理。系统节点的软件设计主要是完成节点数据的采集，处理和传输。主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 The flow chart of the main program

系统节点中的终端节点配置不同的传感器采集数据，在此系统中需要采集的是监测区域的风、温度和雨量以及水位和流速等数据。发送不同的命令采集不同的信息。为了降低能耗，设定了监测点的水量阈值以及接受命令的信息帧，在监测点信息没有超出预设值且没有接收到命令信息的时候，终端节点一直休眠状态，不向汇聚节点发送信息。一旦超出了水量阈值或者是接收到采集命令，处理器MSPF5437就会唤醒发射芯片CC2520，将当前测试点的信息发送给汇聚节点，它是经路由器节点多跳进行传输的。终端节点的程序流程如图6所示。

4 测试分析

为了验证山洪监测系统节点设计的可行性，在实验室环境下进行了测试。系统节点按照布设数学模型分布在监测点的各个区域，每一个终端节点配置一个传感器，汇聚节点连接上位机，它接收上位机的命令并且向终端发送。系统中同时布置了若干路由器节点，便于距离汇聚节点较远的终端进行多跳无线传输信息。上位机获得的信息如图7示。

由图分析可知，系统节点可以顺利获取各个监测点的信息。其中0R1返回的是风信息，0R2返回的是温湿度信息，0R3返回的是雨情信息，0R5测量的是监控方信息［8］。以“04”为标志测试的是空气距离（m），液位是空气距离之差;以“0A”为标志测试的是河流的流速（m/s）。

图6 终端节点程序流程图Fig.6 The flow chart of the terminal node program

图7 上位机获得采集到的信息Fig.7 The collected information of PC acquired

5 结论

本文研究基于WSN的分布式山洪监测系统的节点，优化了节点布设数学模型，研究了节点工程应用的软硬件设计，完成分布式山洪监测系统的前端设计。实现了监测点数据的采集?处理和传输等功能，它为后台数学模型的建立提供了准确的信息。设计极大地节省了功耗，降低了成本，适用于野外环境监测的各个领域，为山洪监测开辟了一种新的方法，具有广阔的应用前景。

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［1］潘 华.盛气候与环境对山洪暴发及等级划分的影响研究［J］.黑龙江水利科技，2006，6（34）:5 －7.

［2］刘 阳，王洪肖，高战国，等.山洪预测的数学模型及数值模拟［J］.吉林大学学报，2009，27（1）:100 －103.

［3］山洪灾害监测预警系统设计方案编制工作组.山洪灾害监测预警系统设计方案指导书［EB/OL］，2007.

［4］凌 超.无线传感器网络覆盖问题研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

［5］陆克中，刘应玲.一种线型无线传感器网络的节点布置方案［J］.计算机应用，2007，27（7）:1566 －1568.

［6］张捐净，苏健民，刘嘉新.小流域山洪监测网络节点布设模型的研究［J］.森林工程，2012，28（4）:81 －84.

［7］赵 琦，陈佳品，李振波，等.基于射频CC2520实现的Zigbee通信设计［J］.微计算机信息，2010（5）:37 －38.

［8］维萨拉公司.Vaisala气象变送器WXT520操作手册［EB/OL］.2010.