基于物聯網技術的水文監測系統研究

張洋洋， 趙建平， 徐娟娟

（曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜 273165）

0 引言

中國幅員遼闊，各地氣候、地形、地質特性差異很大，受季風氣候影響，洪澇災害時有發生，給國家帶來巨大損失。水情不明以及報訊不及時，又擴大了這些災害帶來的損失，在此背景下，建設水文監測系統就顯得尤為重要。傳統的水文監測系統大都采用人工記錄以及有線傳輸方式，這些方式存在成本高、結構復雜、難于維護的缺點，加大了水文信息的采集難度。針對水文監測系統的特點，現提出了基于物聯網技術的水文監測系統研究。

水文監測系統概括說來就是采用現代科技對水文信息進行實時遙測、傳送和處理的專門技術。事實證明水文監測系統是有效解決江河流域及水庫洪水預報、防洪調度及水資源合理利用的先進手段。目前研究的各水文監測單元根據水文監測要求，安裝在河流的指定地點，以野外無人值守的方式工作。為滿足水文監測系統的監測要求以及監控網絡化的需求，這里利用Zigbee無線傳感器網絡以及GPRS通信技術實現對水文信息的監測。

1 物聯網技術簡介

物聯網技術[1-2]是指通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念。物聯網所包括的關鍵技術主要包括以下幾方面：

1）感知技術，是實現物聯網的基礎，主要包括電子標簽和傳感器技術。電子標簽用于對采集的信息進行標準化標識，數據采集和設備控制通過射頻識別讀寫器、二維碼識讀器等實現。傳感器用來感知信息采集點的環境參數，為物聯網系統的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。

2）數據融合與智能技術。數據融合是指將多種數據或信息進行處理，組合出高效且符合用戶需求的數據的過程。在傳感網應用中，多數情況只關心監測結果，并不需要收集大量原始數據，數據融合正是處理該問題的有效手段。智能技術是為了有效地達到預期目的，利用知識分析后所采用的各種方法和手段。

3）云計算。是指通過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大處理系統進行處理。

4）網絡通信技術。物聯網所涵蓋的網絡通信技術，工作范圍可以分成兩大塊：一塊是體積小、能量低、存儲容量小、運算能力弱的智能物體的互聯，即傳感網；另一塊是沒有上述約束的智能終端的互聯。

Zigbee技術[3]是近幾年快速發展起來的一種近距離無線通信技術，以2.4 GHz為主要頻段，采用擴頻技術。作為一種近距離無線通信技術，它具有以下優點。功耗非常低，工作模式下信號的收發時間比較短，非工作模式下 Zigbee節點又處于休眠模式，所以Zigbee節點的電池工作時間可以長達6～24個月。成本低，采用8位單片機和規模很小的存儲器，大大降低了器件成本，并且 Zigbee協議是免專利費的。傳輸時延短，典型的搜索設備時延30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。數據容量大，Zigbee可采用星狀、樹狀和網狀網絡結構,且組網方式靈活，由一個主節點管理若干子節點，整個 Zigbee網絡節點的數目非常可觀，十分符合大面積傳感器網絡的布建要求。可靠性與安全性非常高，Zigbee提供了基于循環冗余校驗（CRC，Cyclical Redundancy Check）的數據包完整性檢測功能，支持鑒權和認證，并在數據傳輸中提供了三級安全處理,各個應用可以靈活確定其安全屬性。

GPRS是全球移動通信系統(GSM，Global System for Mobile Communications)移動電話用戶可用的一種移動數據業務，在遠程數據傳輸中被視為比較理想的通信技術。一般情況下，GPRS用戶的連接時間可能長達數小時，卻只需支付相對低廉的連接費用；可以提供高達115 kbit/s的傳輸速率；GPRS終端可任意時刻與網絡連接，分組交換接入時間短于 1 s；GPRS信號覆蓋范圍廣，底層支持TCP/IP協議，使得 GPRS能夠與 Internet實現無縫連接。系統采用GPRS網絡來實現數據的遠程傳輸，解決了水文信息檢測現場與監控中心的距離限制問題。

考慮到Zigbee技術與GPRS技術各自的特點及其優勢，將其應用于水文監測系統有著十分重要的意義。

2 水文監測系統的組成及特點

文中所設計的水文監測系統共分為以下3個部分：Zigbee無線傳感器網絡、GPRS網絡和遠程監控中心服務器[4]。其結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

1）遠程監控中心。由數據庫服務器、管理終端、Internet通信網絡及相關的系統軟件組成。主要利用計算機技術和數據庫技術搭建軟件平臺，實現對監測區域的水文數據遠程管理與顯示。監控中心可以對運行中的監控終端進行參數設置，以及對水文數據的處理、存儲和分析，便于水利部門工作人員對監測區域的情況進行實時分析。數據接收模塊選用TI公司的 16位超低功耗單片機(MCU, Micro Controller Unit)MSP430F1232單片機和Chipcon公司的生產射頻（RF，Radio Frequency）收發模塊CC2430，實現與監控中心的計算機相連接。

2）GPRS網絡。該部分由GPRS通信模塊及現有的GPRS通信網絡組成，由Zigbee網絡采集到水文數據通過GPRS網絡上傳到Internet，從而實現數據的遠距離傳輸。GPRS通訊模塊選用 Simcom公司的SIM100，它內部集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發基于GPRS的無線應用產品。

3）Zigbee無線傳感器網絡，其功能主要有數據采集、數據處理、路由選擇等，主要由分布在監測區域的各種水位傳感器、雨量傳感器、溫度傳感器等傳感器與路由節點、協調器以及相關的系統軟件組成。該網絡主要負責各種水文數據的采集，各水文數據經過處理以后通過Zigbee網絡上傳到網絡協調器節點，再由協調器節點發送到GPRS網絡。協調器的MCU選用性能高、功耗低的MSP430F1232，選用Chipcon公司的生產CC2430作為其RF收發模塊，將采集的水文數據通過RS-232C串行口被送至GPRS通信模塊。協調器節點是整個系統的核心，需要具備網絡管理、網絡接入、信息收發、數據轉換、人機交互等功能，協調器節點可與多個傳感器節點通信，當被檢測區域的障礙物較多或者協調器節點距傳感器節點較遠時，通過增加路由節點來增強網絡的穩定性，所以路由節點完成數據的中轉傳遞，這里選用 CC2430芯片作為路由器的核心，它將采集的各水文數據傳遞給協調器，并轉發協調器發來的指令幀。所有觸發事件被處理完成以后，系統將自動進入睡眠狀態，更好的節約能量。

3 基于Zigbee的無線傳感器節點設計

由于系統是由大量傳感器節點構成，所以系統性能的好壞取決于傳感器節點的性能，設計的關鍵是數據采集傳感器節點。本系統采用Chipcon公司的生產的具有8051微控制器內核的CC2430芯片，該芯片內部集成 RF前端、電池監測等諸多功能模塊，終端還包括傳感器模塊、電源、晶振、JTAG、時鐘電路等簡單外圍電路[5]。采集終端傳感器節點的組成框圖如圖2所示。

圖2 采集終端傳感器節點框

3.1 數據采集模塊

傳感器的選型應該突出體積小、低功耗、外圍電路簡單、啟動時間較短的特點。結合采集的水文信息（水位、雨量、水溫），相應傳感器的輸出量有模擬量和數字量[6]。水位傳感器的輸出信號是電壓值，先經由濾波電路，再采用可單電源供電的儀表放大器AD623對信號進行放大，并將信號轉化為能用于單片機A/D的+3.3 V電壓后，進行水文數據采集。雨量的采集選用SRY-1容柵式雨量計，通過容柵位移傳感器監測降雨量，計量精度高、可靠性好。綜合以往水文監測系統研究方案的基礎上，這里首次提出將水溫測量作為水文信息的一個監測方面，采用 Dallas公司生產的DS18B20作為溫度傳感器[7]。

3.2 微處理器及無線通信模塊的選取簡介

本系統無線傳感器網絡的核心部分是具有微控制器和無線通信功能的 CC2430模塊[8]，它是美國TI公司推出的用來實現嵌入式Zigbee應用的片上系統，它支持2.4 GHz的IEEE802.15.4/Zigbee協議。CC2430采用增強性的8051MCU，128 KB可編程閃存，8 KB的RAM，主頻達32 MHz，片內外設非常豐富，主要包括1個5通道8位至14位可編程模擬數字轉換器（ADC）、4個定時器（其中包括 1個MAC定時器）、2個USART、1個DMA控制器、1個 AES128協同處理器、1個看門狗定時器（Watchdog Timer）、1個內部穩壓器、21個可編程I/O引腳，可配置為通用I/O，也可配置為外設專用引腳。CC2430芯片采用0.18 μsCMOS工藝生產，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA。具有3種休眠模式，從休眠模式轉換到正常模式僅需54 μs，特別適合要求電池長期供電的應用場合。這一系列的優勢使得它可以用很低的費用構成Zigbee節點，具有很強的市場競爭力。采集終端硬件電路圖如圖3所示。

3.3 電源模塊

由于各水文監測點分散、分布范圍廣、大多設置在環境較惡劣地區且以野外無人值守的方式工作，所以不能保證隨時都有交流供電。為滿足水文監測系統的監測要求以及監控網絡化的需求，這里選用太陽能蓄電池供電。太陽能供電系統白天采用太陽電池組件將光能轉化成電能，對 MCU及其外圍電路供電，并向蓄電池充電，夜間及連續陰雨天氣則選用蓄電池為系統供電[9]，其硬件電路的設計這里不作贅述。

圖3 采集終端節點硬件電路

4 系統的軟件設計

系統的軟件設計（其流程圖可概括如圖4所示）是整個系統的核心部分，現著重考慮了傳感器節點部分的軟件設計。

圖4 系統的軟件實現方法

系統分時對水位、雨量、水溫等數據進行采集，所以為避免干擾對水文信息的采集、處理以及傳輸，多個傳感器采用定時器中斷驅動采集命令執行。傳感器節點在發送數據前先發送查詢請求，然后啟動定時器等待接收應答，若在規定時間內沒有接收到相應的數據應答，將重新發送查詢請求。水位傳感器、雨量傳感器以及水溫傳感器按固定的順序分別每一個小時采集一次信息，也即在整點的時候采集水位信息，在X:20的時候采集雨量信息，在X:40時采集水溫信息。為節省能量，系統在不工作時會維持在休眠狀態，只有當定時時間到時才開始采集、處理并發送數據。

5 結語

本系統設計的基于物聯網技術的水文監測系統，綜合考慮了Zigbee技術與GPRS技術的特點和優勢[10-11]，達到短距離與長距離相結合，并對系統的組成、工作原理和特點進行了分析。該方案可應用在河道水文監測、湖泊水庫監測、沿海潮汛潮位監測等，有助于解決當前水文監測所面臨的各種困難。電源模塊的供電模式還有待于進一步的設計，以實現更高效可靠的為系統供電。

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[5]吳美文.基于 Zigbee技術的石油生產遠程監測系統設計[D].山東:曲阜師范大學,2010.

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[9]張浩.基于 GPRS的遠程水文水資源信息監測系統研制[D].蘭州:蘭州理工大學,2011.

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