基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的河流自動(dòng)監測站設計

0 引言
河流是工農業(yè)發(fā)展的重要資源，同時(shí)對區域生態(tài)資源有著(zhù)重要影響。伴隨著(zhù)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(wèn)題嚴重影響河流的健康狀況。因此建立實(shí)時(shí)有效的河流監測系統對防洪及水污染治理有著(zhù)重要意義。
目前，河流自動(dòng)監測系統主要由前方的自動(dòng)監測站點(diǎn)和后方的控制中心組成。自動(dòng)監測站負責對河流的各項指標進(jìn)行監測，并使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，計算機網(wǎng)絡(luò )、數傳電臺等傳輸方式將監測數據發(fā)送到控制中心。
現有自動(dòng)監測站大多由傳感器、數據采集器和傳輸設備組成，體積較大。監測站不同設備之間采用有線(xiàn)方式連接。河流監測點(diǎn)大多位于偏僻地區，受到布線(xiàn)和環(huán)境因素限制，自動(dòng)監測站監測范圍有限、靈活性差，無(wú)法大量部署站點(diǎn)。因此，監測系統無(wú)法提供大量有效數據覆蓋河流流域。本文提出一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的河流自動(dòng)監測站設計方案，擴大現有自動(dòng)監測站的監測面積，提高靈活性，及時(shí)提供監測區域河流的水文、水質(zhì)狀況。

1 系統結構及組成
系統采用兩級結構：數據采集層和數據匯聚層。數據采集層具有采集和傳輸功能，負責采集監測區域內數據并選擇有效的路由將數據傳輸到匯聚層；數據匯聚層具有數據匯集、封裝、傳輸功能，匯聚不同通道的數據，根據通信協(xié)議封裝原始數據并發(fā)送出去。
基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的河流自動(dòng)監測站由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和自動(dòng)監測站組成，分別實(shí)現數據采集和數據匯聚功能。系統組成如圖1所示。

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)具有可擴展、易部署的特點(diǎn)?？梢愿鶕O測方案的需求，攜帶不同的水文、水質(zhì)傳感器，部署在河流監測斷面及沿岸。這些節點(diǎn)以自組織的方式形成多跳網(wǎng)絡(luò )，監測信息以逐跳傳遞到自動(dòng)監測站的匯聚節點(diǎn)。自動(dòng)監測站由匯聚節點(diǎn)和RTU組成，是整個(gè)河流監測系統的通信樞紐。自動(dòng)監測站接收無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)送的河流信息，并傳輸到各級主控中心；接收控制中心命令，啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )并監測網(wǎng)絡(luò )運行狀況。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為原有自動(dòng)監測站的一路擴充信號，可以根據需求調整節點(diǎn)部署位置和密度，提高原有監測站的監測范圍和靈活度。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計包括節點(diǎn)硬件設計、軟件設計以及路由協(xié)議三個(gè)方面。
2．1 節點(diǎn)硬件
傳感器節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本組成單元，并且實(shí)現網(wǎng)絡(luò )終端和路由器雙重功能。節點(diǎn)一般具備信息采集、數據存儲和簡(jiǎn)單處理、無(wú)線(xiàn)通信功能，并且可以與其他無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)協(xié)作，完成指定的任務(wù)。傳感器節點(diǎn)通常由處理器模塊、傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成。
處理器是硬件平臺的核心，負責節點(diǎn)各個(gè)模塊的控制，數據處理和傳輸等重要任務(wù)。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的處理器應具有功耗低、集成度高、性能良好、成本低的特點(diǎn)。ATmega公司開(kāi)發(fā)的ATmega128L是一款低功耗、高性能的AVR 8位芯片。內部有128 KB的系統內可編程FLASH，適合反復燒寫(xiě)程序。該芯片提供電源管理及睡眠模式，可以通過(guò)寄存器設置關(guān)閉MUC不使用的模塊，方便實(shí)現節點(diǎn)在休眠和工作狀態(tài)的切換，
降低能耗?？商峁?個(gè)通道的10位ADC轉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水文、水質(zhì)常規監測項，主要包括水位、雨量、流速、含氧量、pH值等。由于節點(diǎn)部署在戶(hù)外，要考慮到能量供應、壽命等因素選擇低功耗，穩定性好的傳感器。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(shí)，計量翻斗會(huì )把降水傾倒至計數翻斗，計數翻斗翻轉一次送出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號。雨量計提供兩根連接線(xiàn)，一根線(xiàn)和電源相連，另一根是信號線(xiàn)。傳感器的信號線(xiàn)與處理器的INT1引腳連接。
雨量傳感器提供數字量輸出，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(kāi)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(shí)，雨量計產(chǎn)生一個(gè)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(xiàn)性和較弱的滯后效應，能夠及時(shí)監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(dòng)補償。該傳感器接口簡(jiǎn)單，總共有兩個(gè)引腳，分別是電源和信號輸出。由于A(yíng)Tmega128 L的ADC端口是對電壓信號采樣，因此先使用轉換電路將傳感器的輸出信號轉換為0．5～2．5 V的平穩電壓信號。將轉化后的電壓信號與芯片的ADC引腳相連，通過(guò)軟件編程對相應引腳采樣讀取水位值。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )工作時(shí)，能量消耗主要由節點(diǎn)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(luò )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(diǎn)，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(guò)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。