基于無線傳感器網(wǎng)絡的河流自動監(jiān)測站設計

0 引言
河流是工農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要資源，同時對區(qū)域生態(tài)資源有著重要影響。伴隨著自然條件的變化以及工業(yè)發(fā)展，頻發(fā)的洪澇災害和各種水污染問題嚴重影響河流的健康狀況。因此建立實時有效的河流監(jiān)測系統(tǒng)對防洪及水污染治理有著重要意義。
目前，河流自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由前方的自動監(jiān)測站點和后方的控制中心組成。自動監(jiān)測站負責對河流的各項指標進行監(jiān)測，并使用移動通信網(wǎng)絡，計算機網(wǎng)絡、數(shù)傳電臺等傳輸方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。
現(xiàn)有自動監(jiān)測站大多由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和傳輸設備組成，體積較大。監(jiān)測站不同設備之間采用有線方式連接。河流監(jiān)測點大多位于偏僻地區(qū)，受到布線和環(huán)境因素限制，自動監(jiān)測站監(jiān)測范圍有限、靈活性差，無法大量部署站點。因此，監(jiān)測系統(tǒng)無法提供大量有效數(shù)據(jù)覆蓋河流流域。本文提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的河流自動監(jiān)測站設計方案，擴大現(xiàn)有自動監(jiān)測站的監(jiān)測面積，提高靈活性，及時提供監(jiān)測區(qū)域河流的水文、水質(zhì)狀況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成
系統(tǒng)采用兩級結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)匯聚層。數(shù)據(jù)采集層具有采集和傳輸功能，負責采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)并選擇有效的路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚層；數(shù)據(jù)匯聚層具有數(shù)據(jù)匯集、封裝、傳輸功能，匯聚不同通道的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議封裝原始數(shù)據(jù)并發(fā)送出去。
基于無線傳感器網(wǎng)絡的河流自動監(jiān)測站由無線傳感器網(wǎng)絡和自動監(jiān)測站組成，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)匯聚功能。系統(tǒng)組成如圖1所示。

無線傳感器節(jié)點具有可擴展、易部署的特點?？梢愿鶕?jù)監(jiān)測方案的需求，攜帶不同的水文、水質(zhì)傳感器，部署在河流監(jiān)測斷面及沿岸。這些節(jié)點以自組織的方式形成多跳網(wǎng)絡，監(jiān)測信息以逐跳傳遞到自動監(jiān)測站的匯聚節(jié)點。自動監(jiān)測站由匯聚節(jié)點和RTU組成，是整個河流監(jiān)測系統(tǒng)的通信樞紐。自動監(jiān)測站接收無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送的河流信息，并傳輸?shù)礁骷壷骺刂行模唤邮湛刂浦行拿?，啟動無線傳感器網(wǎng)絡并監(jiān)測網(wǎng)絡運行狀況。

2 無線傳感器網(wǎng)絡
無線傳感器網(wǎng)絡作為原有自動監(jiān)測站的一路擴充信號，可以根據(jù)需求調(diào)整節(jié)點部署位置和密度，提高原有監(jiān)測站的監(jiān)測范圍和靈活度。無線傳感器網(wǎng)絡設計包括節(jié)點硬件設計、軟件設計以及路由協(xié)議三個方面。
2．1 節(jié)點硬件
傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本組成單元，并且實現(xiàn)網(wǎng)絡終端和路由器雙重功能。節(jié)點一般具備信息采集、數(shù)據(jù)存儲和簡單處理、無線通信功能，并且可以與其他無線傳感器節(jié)點協(xié)作，完成指定的任務。傳感器節(jié)點通常由處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。
處理器是硬件平臺的核心，負責節(jié)點各個模塊的控制，數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)戎匾蝿铡o線傳感器節(jié)點的處理器應具有功耗低、集成度高、性能良好、成本低的特點。ATmega公司開發(fā)的ATmega128L是一款低功耗、高性能的AVR 8位芯片。內(nèi)部有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，適合反復燒寫程序。該芯片提供電源管理及睡眠模式，可以通過寄存器設置關(guān)閉MUC不使用的模塊，方便實現(xiàn)節(jié)點在休眠和工作狀態(tài)的切換，
降低能耗?？商峁?個通道的10位ADC轉(zhuǎn)換功能以及外部中斷功能，便于外部擴展。
傳感器模塊的選擇依據(jù)水文、水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測項，主要包括水位、雨量、流速、含氧量、pH值等。由于節(jié)點部署在戶外，要考慮到能量供應、壽命等因素選擇低功耗，穩(wěn)定性好的傳感器。設計中使用了雨量傳感器與水位傳感器。
Delta-T Devices生產(chǎn)的RG2翻斗式雨量傳感器的工作原理是，在計量翻斗承受的降水量到一定量(0．2 mm)時，計量翻斗會把降水傾倒至計數(shù)翻斗，計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次送出一個開關(guān)信號。雨量計提供兩根連接線，一根線和電源相連，另一根是信號線。傳感器的信號線與處理器的INT1引腳連接。
雨量傳感器提供數(shù)字量輸出，因此使用處理器提供的外部中斷方式采集信號。ATmega128L的中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā)，設置外部中斷寄存器EICRA的ISC11位和ISC10位均為1，即開啟INT1引腳的上升沿異步中斷請求。SREG寄存器的1標志位以及外部中斷屏蔽寄存器EMISK的INT1置1，當INT1引腳產(chǎn)生電平跳變時，雨量計產(chǎn)生一個量程式觸發(fā)中斷。
水位傳感器采用GIobal Water的WL400水位傳感器。它適合用于嚴酷外部環(huán)境，具有極好的線性和較弱的滯后效應，能夠及時監(jiān)測到微小的水位變化，提供4～20 mA電流輸出，溫度與電壓自動補償。該傳感器接口簡單，總共有兩個引腳，分別是電源和信號輸出。由于ATmega128 L的ADC端口是對電壓信號采樣，因此先使用轉(zhuǎn)換電路將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為0．5～2．5 V的平穩(wěn)電壓信號。將轉(zhuǎn)化后的電壓信號與芯片的ADC引腳相連，通過軟件編程對相應引腳采樣讀取水位值。
無線傳感器網(wǎng)絡工作時，能量消耗主要由節(jié)點間通信產(chǎn)生。因此通信芯片的性能、功耗對整體能量消耗、網(wǎng)絡壽命至關(guān)重要。TIChipeon公司生產(chǎn)的CC2420芯片具有低電壓、低功耗的特點，使用IEEE 802．15．4協(xié)議能確保短距離通信的可靠性。CC2420芯片通過SPI針腳與處理器連接，處理器工作在主機模式，CC2420則是從設備。