基于WSN與移動通信公網融合的水環境監測系統模型

蔡曉勇，譚德坤，劉雨楠，吳威鑫，胡賓賓

（南昌工程學院 信息工程學院，江西 南昌 330099）

計算機科學與技術

基于WSN與移動通信公網融合的水環境監測系統模型

蔡曉勇，譚德坤，劉雨楠，吳威鑫，胡賓賓

（南昌工程學院 信息工程學院，江西 南昌 330099）

針對傳統水環境監測方法存在周期長、數據采集量少、監測水域范圍有限等缺點，在Zigbee和GPRS技術融合的基礎上設計了一種遠程水環境監測系統模型.本文給出了該系統的總體框架結構，詳細介紹了無線網關及監測節點的硬件和軟件設計.最后搭建了實驗驗證系統，實現了對南昌市瑤湖水溫、PH值和溶解氧等水質參數的遠程實時監測，實驗測試結果表明，系統模型是切實可行的，可滿足水環境遠程實時監測的要求，具有廣泛的應用前景.

Zigbee網絡；GPRS；水環境監測；融合

0 引言

傳統的水環境監測方法主要分為人工采樣和自動檢測系統兩種.前者不能對水環境參數進行實時監測，且存在監測周期長、工作人員野外作業、勞動強度大、數據采集量少，無法反映水環境的動態變化且不能及早發現污染源并實時報警等缺點.后者通過遠程監測中心及若干個監測子站構建有線網絡監測系統，較好地解決了上述不足，但由于有線網絡監測平臺需事先鋪設電纜、建立監測子站等施工要求，存在工程量大、系統成本高昂、監測范圍有限、在偏遠區域施工難度巨大等缺點[1].無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是由大量低成本、低功耗的具有感知、計算和通信能力的微型傳感器節點組成的自治網絡系統，各節點之間通過無線方式傳輸信息[2].因此，利用無線傳感器網絡的優點對水環境進行實時監測是一種全新的信息獲取和處理技術，是前述問題的一種有效解決方法.無線傳感器網絡具有成本低、環境監測點分布范圍廣、組網結構靈活且對生態環境影響小等諸多優點[3].

無線傳感網技術解決的是信息的獲取和感知問題，作為末梢感知網，其單個節點的通信距離比較有限，為了節省網絡能源，其組網規模覆蓋的范圍也不能太大[4]，需要借助廣域網絡實現監測數據的遠程傳輸與分發[5].移動通信公網運營成熟穩定，覆蓋范圍廣，技術成熟，因而利用移動通信網來實現WSN監測數據的遠距離傳輸更具有現實意義.

本文在深入研究無線傳感器網絡的基礎上，提出了一種基于無線傳感器網絡的水環境監測系統模型.該模型通過無線傳感網與移動通信網的異構融合，實現基站與傳感器監測節點之間、基站與遠程數據中心之間的雙向通信，從而完成對監測水域的遠距離實時動態監測.

1 系統總體結構

根據地表水環境監測標準[6]，對于地表水的水質檢測項目主要有：水溫、PH值、溶解氧、氨氮、化學需氧量等多項指標.對于偏遠復雜的監測區域，監測系統采用無人值守的無線傳感器網絡，借助移動通信公網的GPRS/3G/4G通信技術將監測數據傳送給遠程數據中心.整個監測系統的總體結構如圖1所示.

在圖1中，系統主要由傳感器監測節點、無線網關及遠程監測控制中心組成.傳感器節點隨機部署在某一監測區域，多個傳感器節點與1個無線網關節點構成1個監測子網.在監測子網范圍內，網絡各節點采用Zigbee協議進行通信，各個傳感器節點采集的數據再通過無線網關發送給移動通信網絡，移動通信網絡以GPRS/3G/4G方式將數據傳輸給遠程監測控制中心，選用何種通信標準取決于傳感數據傳輸量的大小.遠程監測控制中心存儲并處理各個網關節點發送的數據，對采集的數據進行分析和統計，向用戶提供可靠的水環境監測信息并能控制各傳感器節點的監測行為.

圖1 系統總體結構圖

2 系統設計

系統由數據感知層、數據傳輸層、數據存儲層及業務應用層等4層組成.數據感知層由傳感器節點和數據采集模塊組成，承擔數據的采集、處理和發送任務.數據傳輸層由無線網關、移動通信網絡和內部局域網組成，承擔數據的傳輸.數據存儲層由監測中心的數據庫服務器及相應支撐硬件組成，主要承擔數據的接收、轉換和數據存儲入庫.業務應用層主要為各類用戶提供業務邏輯和基礎服務，包括水環境監測、污染源管理、水質信息發布、預測預警等功能.

無線傳感器網絡采用Zigbee數據傳輸技術，Zigbee技術是一種低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信技術[7-8].水環境監測節點部署在野外，條件比較艱苦，節點能量有限，采用Zigbee技術作為本系統WSN的實現技術是非常適合的.無線傳感網接入移動通信網絡的方式有很多，有GSM、GPRS、3G和 4G等，而 GPRS的理論帶寬可達171.2Kb/s，實際使用帶寬也有約40～100Kb/s[9]，其底層支持TCP/IP協議，使得GPRS能夠與Internet實現無縫連接.對于水環境監測的數據通信量不高，采用GPRS方式數據帶寬是足夠的，同時具有覆蓋面廣、入網成本低廉、系統擴容方便等特點.

2.1 系統硬件設計

2.1.1 傳感器監測節點

傳感器監測節點是網絡中基本的工作單元，主要由低功耗處理器模塊、Zigbee模塊、傳感器模塊、電源模塊等構成，節點硬件結構如圖2所示.

圖2 節點硬件結構圖

處理器模塊采用TI公司的MSP430F149，它是一款超低功耗的16位MCU(Microcontroller Unit，微處理器)，其待機電流僅為1μA，活動模式時耗電250μA，系統中共有1種活動模式和5種低功耗模式，工作電壓1.8V～3.6V，支持超小型封裝結構，非常適合傳感器節點野外部署、能量受限等特點.傳感器主要功能是對水環境的水溫、溶解氧、PH值、氨氮等水質參數進行監測，并能定期上傳監測數據給匯聚節點，也能夠響應監測中心的查詢指令.傳感器模塊與處理器模塊采用RS485接口進行通信，485轉換器模塊的作用是將傳感器采集的數據轉換為處理器所能處理的數字信號. Zigbee無線通信模塊，選用CC2530芯片，它是一款符合Zigbee技術的2.4GHz低功耗、短距離射頻收發芯片，其工作電壓范圍為2.0～3.6V，其電流消耗很低，發射電流約為29mA，接收電流約為24mA，休眠模式時僅為1μA，能夠滿足系統高性能低功耗的要求.根據野外監測要求，電源模塊選用市面上最常見的鋰電池作為節點供電電源，可充電的鋰離子電池的額定電壓為3.6V，其放電曲線平緩，可以保證Zigbee模塊收發數據的穩定性.為了滿足傳感器的供電電壓要求，針對不同類型傳感器的供電要求，電源模塊還應設計相應的電壓轉換電路.

2.1.2 無線網關

無線傳感網和移動通信網在網絡結構和通信協議上，彼此相互獨立，分別有各自的管理機制，只有通過無線網關，才能實現兩網融合并進行互連互通.因此，水環境監測系統中網關是異構網絡融合中的核心部件.網關是無線傳感器網與移動通信網進行無線連接的數據中轉站，主要負責向傳感器節點發送上位機命令和傳感器節點采集數據的上傳，具有數據融合、仲裁請求和路由選擇等功能，同時還負責Zigbee網絡的自組建、傳感器節點的增加和刪除等維護工作.網關主要完成傳輸層以上的協議轉換，通常它連接兩個或多個彼此之間相互獨立的網絡，每接收一種網絡數據包，在轉發之前，將該數據包轉換成可以在另一個網絡上進行傳輸的數據包格式.本文所設計的網關基于ARM嵌入式技術，實現了Zigbee網絡和移動通信GPRS網絡的融合.

無線網關主要由處理器模塊、Zigbee模塊、GPRS模塊、電源及鍵盤、LED等構成，其硬件結構如圖3所示.由于網關要協調整個網絡并對采集數據進行運算處理，因此要求處理器具有較高的處理能力.網關核心采用三星公司的S5PV210，它是一款32位的低功耗、高性能的微處理器，主頻高達1GHz，而功耗約為11mW，支持Android 4.0、Linux2. 6和Wince6.0等高級嵌入式操作系統.網關節點配有與傳感器節點相同的Zigbee模塊，該模塊負責建立Zigbee網絡、管理傳感器節點、存儲傳感器節點信息、對消息進行路由選擇等功能，采用CC2530作為協處理器，實現無線網關與水環境數據監測子網間基于Zigbee協議的數據通信.GPRS模塊實現網關與監測中心間的遠程數據通信，GPRS是利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，以封包的形式將其發送給數據中心.無線網關作為數據的中轉站，其計算、管理和協調的任務非常繁重，因此其耗能較高，電源模塊采用雙電源設計，主電源在有條件的地方應采用市電電源供電，工作于野外條件受限的區域宜采用太陽能電池供電方式，后備電源采用鋰電池的供電方式.

圖3 無線網關硬件結構圖

網關系統中 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發器)接口電路實現網關核心與通信模塊的連接，它提供4個RS-232設備接口，Zigbee模塊與串口2進行連接，波特率為115200bps；GPRS模塊與串口1連接，波特率為9600bps，通過AT命令進行控制.

2.2 系統軟件設計

系統軟件主要包括監測節點軟件、無線網關軟件和遠程監測中心管理控制軟件3個部分.監測節點軟件主要實現數據的采集和發送；無線網關軟件主要收集各個節點發送的數據，進行數據融合和協議轉換，然后轉發給遠程監測中心；監測中心軟件主要實現水環境監測數據的存儲、實時顯示及對整個系統進行管理等功能.

在監測節點，MSP430處理器系統程序由μC/OS-Ⅱ操作系統和應用軟件組成，CC2530軟件系統主要由Zigbee協議棧和應用軟件組成.應用軟件在功能上主要包括數據采集、Zigbee通信、接收網關指令等任務.Zigbee協議棧能夠實現Zigbee網絡的組建和所有的Zigbee協議規定的服務與應用，協議棧分為4層：物理層、MAC層、網絡層和應用層.在節點軟件設計中，通過調用Zigbee協議棧提供的API函數完成相應的應用層服務.例如在Zigbee協議棧中進行數據發送就可以調用AF_DataRequest函數實現，該函數會調用協議棧里面與硬件相關的函數最終將數據通過天線發送出去.

在網關軟件設計中，選用Android4.0作為操作系統，網關的GPRS通信方式利用SIMCOM公司生產的SIM900模塊實現移動通信網絡的接入，SIM900模塊提供標準的RS232串行接口，可以通過串口使用AT指令完成對模塊的操作.

3 實驗測試

為了驗證系統模型的可行性，本文搭建了一套測試環境，對江西省南昌市最大的內陸天然湖泊——瑤湖的水質進行了實時監測，此次測試的數據監測節點掛接了水溫、PH值和溶解氧三種水質參數傳感器.無線網關是無線傳感網和移動通信公網融合的核心設備，也是整個系統是否成功運行的關鍵.傳感器監測節點采集的數據需發送給無線網關，由其轉發給GPRS移動通信網絡，然后上傳至數據中心服務器，實現Zigbee網絡數據的遠程交互.

無線傳感器節點在采集到水環境監測信息后周期性發送數據包，網關收到數據包后分離出傳感器數據，然后將監測數據添加到AT命令中，按照GPRS數據發送流場發往服務器.圖4給出了服務器接收到的某時刻瑤湖水質測試結果.結果表明，本文設計的網關GPRS接入方案具有實際可行性.

系統還實現了以AT指令將水環境監測數據以短信的形式發送給用戶手機，從而進行遠程實時監控.短信功能測試流程與GPRS數據傳輸功能類似，網關通過內部協議棧分析取出傳感器節點監測數據后，采用SIM900模塊通過短信的方式發送給目標手機，系統可設置目標用戶手機號碼，也可以自主設置短信發送的頻率.

圖4 遠程中心服務器某時刻水質監測結果

4 結束語

本文以Zigbee和GPRS技術為核心，設計了一種基于兩網融合的水環境監測系統模型，該系統由Zigbee傳感器網絡、無線網關、GPRS移動通信網絡和遠程監測中心的服務器等組成，系統具備WSN節點數量多、數據采集量大的優點，又具備移動通信網絡覆蓋范圍大、可以遠程大量傳輸數據的優點，解決了水環境數據的實時采集、數據遠程傳輸等問題，實現了大范圍的水環境監測，提高了水環境監測的實時性，并降低了部署和維護成本.本文搭建了實驗系統，對系統方案進行了驗證性測試，通過對南昌市瑤湖的水溫、PH值、溶解氧等三種水質參數實時監測數據表明，本文所設計的系統模型符合預期目標，能夠準確將傳感器節點采集的數據通過GPRS方式無線發送給服務器或者通過短信功能轉發給目標用戶，實驗測試結果驗證了系統模型的可行性和正確性.

〔1〕何志業.面向水環境監測的無線傳感器網絡網關設計[D].碩士學位論文，杭州：杭州電子科技大學，2010.

〔2〕劉昊靈，仲元昌，楊柳，等.基于三峽庫區水環境監測的WSN信息融合算法 [J].傳感技術學報，2012，25(12)：1761-1765.

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〔5〕鄭娟毅.基于GSM延伸的WSN研究與實現[D].碩士學位論文，西安：西安電子科技大學，2010.

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〔8〕樊棠懷，李曉芳，顧燕，等.一種改進的多傳感器系統網格狀分簇路由協議算法[J].南昌工程學院學報，2012，31(1)：6-12.

〔9〕王剛，劉志輝，姚遠.基于Zigbee和GPRS積雪數據監測系統設計[J].通信技術，2013，46(3)：46-48.

TP212；TP393

A

1673-260X（2017）05-0009-03

2017-01-04

江西省科技廳科技支撐計劃項目（20142BBE50040）；南昌工程學院大學生科研訓練計劃項目（2015042）