基于WSN与移动通信公网融合的水环境监测系统模型

蔡晓勇，谭德坤，刘雨楠，吴威鑫，胡宾宾

（南昌工程学院 信息工程学院，江西 南昌 330099）

计算机科学与技术

基于WSN与移动通信公网融合的水环境监测系统模型

蔡晓勇，谭德坤，刘雨楠，吴威鑫，胡宾宾

（南昌工程学院 信息工程学院，江西 南昌 330099）

针对传统水环境监测方法存在周期长、数据采集量少、监测水域范围有限等缺点，在Zigbee和GPRS技术融合的基础上设计了一种远程水环境监测系统模型.本文给出了该系统的总体框架结构，详细介绍了无线网关及监测节点的硬件和软件设计.最后搭建了实验验证系统，实现了对南昌市瑶湖水温、PH值和溶解氧等水质参数的远程实时监测，实验测试结果表明，系统模型是切实可行的，可满足水环境远程实时监测的要求，具有广泛的应用前景.

Zigbee网络；GPRS；水环境监测；融合

0 引言

传统的水环境监测方法主要分为人工采样和自动检测系统两种.前者不能对水环境参数进行实时监测，且存在监测周期长、工作人员野外作业、劳动强度大、数据采集量少，无法反映水环境的动态变化且不能及早发现污染源并实时报警等缺点.后者通过远程监测中心及若干个监测子站构建有线网络监测系统，较好地解决了上述不足，但由于有线网络监测平台需事先铺设电缆、建立监测子站等施工要求，存在工程量大、系统成本高昂、监测范围有限、在偏远区域施工难度巨大等缺点[1].无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是由大量低成本、低功耗的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点组成的自治网络系统，各节点之间通过无线方式传输信息[2].因此，利用无线传感器网络的优点对水环境进行实时监测是一种全新的信息获取和处理技术，是前述问题的一种有效解决方法.无线传感器网络具有成本低、环境监测点分布范围广、组网结构灵活且对生态环境影响小等诸多优点[3].

无线传感网技术解决的是信息的获取和感知问题，作为末梢感知网，其单个节点的通信距离比较有限，为了节省网络能源，其组网规模覆盖的范围也不能太大[4]，需要借助广域网络实现监测数据的远程传输与分发[5].移动通信公网运营成熟稳定，覆盖范围广，技术成熟，因而利用移动通信网来实现WSN监测数据的远距离传输更具有现实意义.

本文在深入研究无线传感器网络的基础上，提出了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统模型.该模型通过无线传感网与移动通信网的异构融合，实现基站与传感器监测节点之间、基站与远程数据中心之间的双向通信，从而完成对监测水域的远距离实时动态监测.

1 系统总体结构

根据地表水环境监测标准[6]，对于地表水的水质检测项目主要有：水温、PH值、溶解氧、氨氮、化学需氧量等多项指标.对于偏远复杂的监测区域，监测系统采用无人值守的无线传感器网络，借助移动通信公网的GPRS/3G/4G通信技术将监测数据传送给远程数据中心.整个监测系统的总体结构如图1所示.

在图1中，系统主要由传感器监测节点、无线网关及远程监测控制中心组成.传感器节点随机部署在某一监测区域，多个传感器节点与1个无线网关节点构成1个监测子网.在监测子网范围内，网络各节点采用Zigbee协议进行通信，各个传感器节点采集的数据再通过无线网关发送给移动通信网络，移动通信网络以GPRS/3G/4G方式将数据传输给远程监测控制中心，选用何种通信标准取决于传感数据传输量的大小.远程监测控制中心存储并处理各个网关节点发送的数据，对采集的数据进行分析和统计，向用户提供可靠的水环境监测信息并能控制各传感器节点的监测行为.

图1 系统总体结构图

2 系统设计

系统由数据感知层、数据传输层、数据存储层及业务应用层等4层组成.数据感知层由传感器节点和数据采集模块组成，承担数据的采集、处理和发送任务.数据传输层由无线网关、移动通信网络和内部局域网组成，承担数据的传输.数据存储层由监测中心的数据库服务器及相应支撑硬件组成，主要承担数据的接收、转换和数据存储入库.业务应用层主要为各类用户提供业务逻辑和基础服务，包括水环境监测、污染源管理、水质信息发布、预测预警等功能.

无线传感器网络采用Zigbee数据传输技术，Zigbee技术是一种低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信技术[7-8].水环境监测节点部署在野外，条件比较艰苦，节点能量有限，采用Zigbee技术作为本系统WSN的实现技术是非常适合的.无线传感网接入移动通信网络的方式有很多，有GSM、GPRS、3G和 4G等，而 GPRS的理论带宽可达171.2Kb/s，实际使用带宽也有约40～100Kb/s[9]，其底层支持TCP/IP协议，使得GPRS能够与Internet实现无缝连接.对于水环境监测的数据通信量不高，采用GPRS方式数据带宽是足够的，同时具有覆盖面广、入网成本低廉、系统扩容方便等特点.

2.1 系统硬件设计

2.1.1 传感器监测节点

传感器监测节点是网络中基本的工作单元，主要由低功耗处理器模块、Zigbee模块、传感器模块、电源模块等构成，节点硬件结构如图2所示.

图2 节点硬件结构图

处理器模块采用TI公司的MSP430F149，它是一款超低功耗的16位MCU(Microcontroller Unit，微处理器)，其待机电流仅为1μA，活动模式时耗电250μA，系统中共有1种活动模式和5种低功耗模式，工作电压1.8V～3.6V，支持超小型封装结构，非常适合传感器节点野外部署、能量受限等特点.传感器主要功能是对水环境的水温、溶解氧、PH值、氨氮等水质参数进行监测，并能定期上传监测数据给汇聚节点，也能够响应监测中心的查询指令.传感器模块与处理器模块采用RS485接口进行通信，485转换器模块的作用是将传感器采集的数据转换为处理器所能处理的数字信号. Zigbee无线通信模块，选用CC2530芯片，它是一款符合Zigbee技术的2.4GHz低功耗、短距离射频收发芯片，其工作电压范围为2.0～3.6V，其电流消耗很低，发射电流约为29mA，接收电流约为24mA，休眠模式时仅为1μA，能够满足系统高性能低功耗的要求.根据野外监测要求，电源模块选用市面上最常见的锂电池作为节点供电电源，可充电的锂离子电池的额定电压为3.6V，其放电曲线平缓，可以保证Zigbee模块收发数据的稳定性.为了满足传感器的供电电压要求，针对不同类型传感器的供电要求，电源模块还应设计相应的电压转换电路.

2.1.2 无线网关

无线传感网和移动通信网在网络结构和通信协议上，彼此相互独立，分别有各自的管理机制，只有通过无线网关，才能实现两网融合并进行互连互通.因此，水环境监测系统中网关是异构网络融合中的核心部件.网关是无线传感器网与移动通信网进行无线连接的数据中转站，主要负责向传感器节点发送上位机命令和传感器节点采集数据的上传，具有数据融合、仲裁请求和路由选择等功能，同时还负责Zigbee网络的自组建、传感器节点的增加和删除等维护工作.网关主要完成传输层以上的协议转换，通常它连接两个或多个彼此之间相互独立的网络，每接收一种网络数据包，在转发之前，将该数据包转换成可以在另一个网络上进行传输的数据包格式.本文所设计的网关基于ARM嵌入式技术，实现了Zigbee网络和移动通信GPRS网络的融合.

无线网关主要由处理器模块、Zigbee模块、GPRS模块、电源及键盘、LED等构成，其硬件结构如图3所示.由于网关要协调整个网络并对采集数据进行运算处理，因此要求处理器具有较高的处理能力.网关核心采用三星公司的S5PV210，它是一款32位的低功耗、高性能的微处理器，主频高达1GHz，而功耗约为11mW，支持Android 4.0、Linux2. 6和Wince6.0等高级嵌入式操作系统.网关节点配有与传感器节点相同的Zigbee模块，该模块负责建立Zigbee网络、管理传感器节点、存储传感器节点信息、对消息进行路由选择等功能，采用CC2530作为协处理器，实现无线网关与水环境数据监测子网间基于Zigbee协议的数据通信.GPRS模块实现网关与监测中心间的远程数据通信，GPRS是利用GSM网络中未使用的TDMA信道，以封包的形式将其发送给数据中心.无线网关作为数据的中转站，其计算、管理和协调的任务非常繁重，因此其耗能较高，电源模块采用双电源设计，主电源在有条件的地方应采用市电电源供电，工作于野外条件受限的区域宜采用太阳能电池供电方式，后备电源采用锂电池的供电方式.

图3 无线网关硬件结构图

网关系统中 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器)接口电路实现网关核心与通信模块的连接，它提供4个RS-232设备接口，Zigbee模块与串口2进行连接，波特率为115200bps；GPRS模块与串口1连接，波特率为9600bps，通过AT命令进行控制.

2.2 系统软件设计

系统软件主要包括监测节点软件、无线网关软件和远程监测中心管理控制软件3个部分.监测节点软件主要实现数据的采集和发送；无线网关软件主要收集各个节点发送的数据，进行数据融合和协议转换，然后转发给远程监测中心；监测中心软件主要实现水环境监测数据的存储、实时显示及对整个系统进行管理等功能.

在监测节点，MSP430处理器系统程序由μC/OS-Ⅱ操作系统和应用软件组成，CC2530软件系统主要由Zigbee协议栈和应用软件组成.应用软件在功能上主要包括数据采集、Zigbee通信、接收网关指令等任务.Zigbee协议栈能够实现Zigbee网络的组建和所有的Zigbee协议规定的服务与应用，协议栈分为4层：物理层、MAC层、网络层和应用层.在节点软件设计中，通过调用Zigbee协议栈提供的API函数完成相应的应用层服务.例如在Zigbee协议栈中进行数据发送就可以调用AF_DataRequest函数实现，该函数会调用协议栈里面与硬件相关的函数最终将数据通过天线发送出去.

在网关软件设计中，选用Android4.0作为操作系统，网关的GPRS通信方式利用SIMCOM公司生产的SIM900模块实现移动通信网络的接入，SIM900模块提供标准的RS232串行接口，可以通过串口使用AT指令完成对模块的操作.

3 实验测试

为了验证系统模型的可行性，本文搭建了一套测试环境，对江西省南昌市最大的内陆天然湖泊——瑶湖的水质进行了实时监测，此次测试的数据监测节点挂接了水温、PH值和溶解氧三种水质参数传感器.无线网关是无线传感网和移动通信公网融合的核心设备，也是整个系统是否成功运行的关键.传感器监测节点采集的数据需发送给无线网关，由其转发给GPRS移动通信网络，然后上传至数据中心服务器，实现Zigbee网络数据的远程交互.

无线传感器节点在采集到水环境监测信息后周期性发送数据包，网关收到数据包后分离出传感器数据，然后将监测数据添加到AT命令中，按照GPRS数据发送流场发往服务器.图4给出了服务器接收到的某时刻瑶湖水质测试结果.结果表明，本文设计的网关GPRS接入方案具有实际可行性.

系统还实现了以AT指令将水环境监测数据以短信的形式发送给用户手机，从而进行远程实时监控.短信功能测试流程与GPRS数据传输功能类似，网关通过内部协议栈分析取出传感器节点监测数据后，采用SIM900模块通过短信的方式发送给目标手机，系统可设置目标用户手机号码，也可以自主设置短信发送的频率.

图4 远程中心服务器某时刻水质监测结果

4 结束语

本文以Zigbee和GPRS技术为核心，设计了一种基于两网融合的水环境监测系统模型，该系统由Zigbee传感器网络、无线网关、GPRS移动通信网络和远程监测中心的服务器等组成，系统具备WSN节点数量多、数据采集量大的优点，又具备移动通信网络覆盖范围大、可以远程大量传输数据的优点，解决了水环境数据的实时采集、数据远程传输等问题，实现了大范围的水环境监测，提高了水环境监测的实时性，并降低了部署和维护成本.本文搭建了实验系统，对系统方案进行了验证性测试，通过对南昌市瑶湖的水温、PH值、溶解氧等三种水质参数实时监测数据表明，本文所设计的系统模型符合预期目标，能够准确将传感器节点采集的数据通过GPRS方式无线发送给服务器或者通过短信功能转发给目标用户，实验测试结果验证了系统模型的可行性和正确性.

〔1〕何志业.面向水环境监测的无线传感器网络网关设计[D].硕士学位论文，杭州：杭州电子科技大学，2010.

〔2〕刘昊灵，仲元昌，杨柳，等.基于三峡库区水环境监测的WSN信息融合算法 [J].传感技术学报，2012，25(12)：1761-1765.

〔3〕王静，赵鹏举，胡云冰，等.基于无线传感网络的三峡流域水环境监测系统 [J].西南师范大学学报 (自然科学版)，2012，37(7)：75-79.

〔4〕孙辉，朱德刚，王晖，等.自适应子空间高斯学习的粒子群优化算法[J].南昌工程学院学报，2015，34(4)：31-42.

〔5〕郑娟毅.基于GSM延伸的WSN研究与实现[D].硕士学位论文，西安：西安电子科技大学，2010.

〔6〕GB3838-2002,地表水环境质量标准[S].

〔7〕Zigbee Alliance.Zigbee Specification[EB/OL].http:// www.zigbee.org.

〔8〕樊棠怀，李晓芳，顾燕，等.一种改进的多传感器系统网格状分簇路由协议算法[J].南昌工程学院学报，2012，31(1)：6-12.

〔9〕王刚，刘志辉，姚远.基于Zigbee和GPRS积雪数据监测系统设计[J].通信技术，2013，46(3)：46-48.

TP212；TP393

A

1673-260X（2017）05-0009-03

2017-01-04

江西省科技厅科技支撑计划项目（20142BBE50040）；南昌工程学院大学生科研训练计划项目（2015042）