基于WSN的山洪監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布設(shè)與工程實(shí)現(xiàn)的研究

蘇健民，張捐凈，劉嘉新

（東北林業(yè)大學(xué)林科學(xué)院，哈爾濱 150040）

近年來(lái)，山洪災(zāi)害頻頻發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失不斷上升，嚴(yán)重影響了人們的生活和社會(huì)的發(fā)展。目前，對(duì)山洪災(zāi)害的科學(xué)研究正在蓬勃發(fā)展，大多從環(huán)境因子推求動(dòng)力理論關(guān)系去研究［1］，包括降雨量，水位，滑坡，泥石流等環(huán)境因素。山洪監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)比較完整的是劉陽(yáng)、王洪肖等提出的各個(gè)小流域匯總數(shù)學(xué)模型，其中涉及到降雨強(qiáng)度，流域各個(gè)區(qū)段的蓄積水量，水道情況等信息［2］。但是這個(gè)模型只是數(shù)學(xué)的模擬仿真，沒(méi)有研究節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集工程上的實(shí)現(xiàn)。

本文在分析山洪監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。它作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端采集模塊，獲取區(qū)域的降雨，流速，流量等水情信息，為后臺(tái)山洪監(jiān)測(cè)的數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于野外環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的能耗嚴(yán)重影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取，因此設(shè)計(jì)了新型的節(jié)點(diǎn)布設(shè)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的工程設(shè)計(jì)，提出了基于WSN的分布式山洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)布設(shè)模型與工程實(shí)現(xiàn)的研究。采用分布式結(jié)構(gòu)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)傳感器，分別采集不同的數(shù)據(jù)，按照布設(shè)模型配置多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域的全方位監(jiān)測(cè)，擴(kuò)大了采集的信息量，形成了分布式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從而為規(guī)避山洪風(fēng)險(xiǎn)，避免或減少山洪災(zāi)害導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，有效防御山洪災(zāi)害?實(shí)施指揮決策和調(diào)度以及搶險(xiǎn)救災(zāi)提供了保障［3］。

1 節(jié)點(diǎn)布設(shè)模型研究

節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，構(gòu)建分布式山洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于一種線型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)區(qū)域選擇河流，保證節(jié)點(diǎn)在通信距離之內(nèi)。研究表明無(wú)線通信模塊是系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的主要能耗單元，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送狀態(tài)下能耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)下的能耗相當(dāng)，略小于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，而在睡眠狀態(tài)下的能量消耗最?。?］。文獻(xiàn)［5］構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型過(guò)于理想化，忽略了節(jié)點(diǎn)空閑狀態(tài)的能耗，在此引入節(jié)點(diǎn)空閑狀態(tài)能耗的參數(shù)［6］，優(yōu)化改進(jìn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)布設(shè)的數(shù)學(xué)模型，從而合理布設(shè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，從理論和實(shí)際應(yīng)用方面研究具有工程應(yīng)用價(jià)值的節(jié)點(diǎn)布設(shè)模型。

由于節(jié)點(diǎn)的位置與它的能量消耗有關(guān)，假設(shè)ρ（r）是距離匯聚節(jié)點(diǎn)為r處的節(jié)點(diǎn)的密度［6］。監(jiān)測(cè)區(qū)域A，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)區(qū)域A圖形說(shuō)明Fig.1 Explanation of the monitoring area A

區(qū)域A的能耗速度包括3部分:轉(zhuǎn)發(fā)A外側(cè)數(shù)據(jù)能耗，A區(qū)域產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送能耗和空閑狀態(tài)能耗。即:

由c=2n/L2進(jìn)一步求出式中:L為監(jiān)測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度;e為節(jié)點(diǎn)初始能量;v為單位監(jiān)測(cè)區(qū)域的系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)速度速度;t為節(jié)點(diǎn)間的通信距離;S為發(fā)送單位數(shù)據(jù)消耗的能量;R為接收單位數(shù)據(jù)消耗的能量。

公式ρ（r）計(jì)算得出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的密度函數(shù)，在此選取區(qū)域B（即區(qū)間 ［0，t］），對(duì)比系統(tǒng)的生命期 （總能量/能量消耗速度）與均勻布置的差別。

對(duì)比公式 （1）和公式 （2）發(fā)現(xiàn)，它們的比值是（2L－t）/L，本文研究的節(jié)點(diǎn)布設(shè)數(shù)學(xué)模型優(yōu)于均勻布置模型，具有更長(zhǎng)的生命期。

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于實(shí)際監(jiān)測(cè)，不但需要研究它的布設(shè)方式，還要研究它的工程實(shí)施方式。分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)有三種類(lèi)型分別是匯聚節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建立。同時(shí)它直接和上位機(jī)相連，通過(guò)串口接收上位機(jī)的命令，并向廣播方式向外發(fā)送，進(jìn)而獲得終端的數(shù)據(jù)信息;路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的多跳傳輸，并且能夠自動(dòng)建立路由表，當(dāng)一個(gè)路由器斷開(kāi)，它允許終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入其它路由節(jié)點(diǎn)，保證了終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸;終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的水雨情信息，經(jīng)過(guò)處理發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 山洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The overall structure diagram of flash flood monitoring system

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成一般包括:處理器模塊，通信模塊，傳感器模塊和電源模塊以及存儲(chǔ)器模塊，它的硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件框圖Fig.3 System node hardware block diagram

終端節(jié)點(diǎn)的完整結(jié)構(gòu)如圖3的描述，但是匯聚節(jié)點(diǎn)不包括傳感器模塊，加入與上位機(jī)通信的RS232轉(zhuǎn)換模塊，同樣路由器節(jié)點(diǎn)也不包括傳感器模塊，它的實(shí)際作用只是數(shù)據(jù)信息的中轉(zhuǎn)站。

經(jīng)過(guò)分析，考慮到工程的可操作性和穩(wěn)定性以及野外監(jiān)測(cè)環(huán)境下低功耗的要求，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)選用MSPF5437芯片作為處理器，它具有最低的工作能耗，在1.8V－3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS;選用CC2520作為無(wú)線通信模塊，它是一款符合zigbee－2006標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的射頻芯片，為各種的應(yīng)用提供了廣泛的硬件支持［7］;選用氣象變送器WXT520作為雨量傳感器測(cè)量雨情;選用超聲波液位計(jì)GLP－71G4B0測(cè)量水位數(shù)據(jù);選用MGC/KL－DCB型便攜式明渠流速/流量計(jì)測(cè)量流速，它們不但能夠精確且穩(wěn)定的測(cè)量最主要的水情參數(shù)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，具有低功耗的特性。同時(shí)操作處理簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單的串口發(fā)送命令就可以獲得測(cè)量的數(shù)據(jù)。傳感器硬件數(shù)據(jù)接口說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 傳感器數(shù)據(jù)接口說(shuō)明Tab.1 Description of the sensor data interface

為了滿足系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的規(guī)范化，統(tǒng)一將傳感器的數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口。硬件設(shè)計(jì)部分主要包括控制器MSPF5437，無(wú)線發(fā)射?接收和傳感器數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換電路三部分。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件原理圖Fig.4 The hardware principle diagram of system design

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)雖然執(zhí)行不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)，但在程序設(shè)計(jì)上它們均應(yīng)包括初始化程序?協(xié)議棧配置?組網(wǎng)方式配置程序?各處理層設(shè)置程序以及發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對(duì)CC2520、協(xié)議棧、UART串口等進(jìn)行初始化;發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)通過(guò)CC2520調(diào)制并通過(guò)DMA直接送至射頻輸出;接收程序完成數(shù)據(jù)的接收?遠(yuǎn)傳及返回信息處理。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要是完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，處理和傳輸。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The flow chart of the main program

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)中的終端節(jié)點(diǎn)配置不同的傳感器采集數(shù)據(jù)，在此系統(tǒng)中需要采集的是監(jiān)測(cè)區(qū)域的風(fēng)、溫度和雨量以及水位和流速等數(shù)據(jù)。發(fā)送不同的命令采集不同的信息。為了降低能耗，設(shè)定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水量閾值以及接受命令的信息幀，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息沒(méi)有超出預(yù)設(shè)值且沒(méi)有接收到命令信息的時(shí)候，終端節(jié)點(diǎn)一直休眠狀態(tài)，不向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。一旦超出了水量閾值或者是接收到采集命令，處理器MSPF5437就會(huì)喚醒發(fā)射芯片CC2520，將當(dāng)前測(cè)試點(diǎn)的信息發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，它是經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)多跳進(jìn)行傳輸?shù)?。終端節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖6所示。

4 測(cè)試分析

為了驗(yàn)證山洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)按照布設(shè)數(shù)學(xué)模型分布在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各個(gè)區(qū)域，每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)傳感器，匯聚節(jié)點(diǎn)連接上位機(jī)，它接收上位機(jī)的命令并且向終端發(fā)送。系統(tǒng)中同時(shí)布置了若干路由器節(jié)點(diǎn)，便于距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的終端進(jìn)行多跳無(wú)線傳輸信息。上位機(jī)獲得的信息如圖7示。

由圖分析可知，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)可以順利獲取各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息。其中0R1返回的是風(fēng)信息，0R2返回的是溫濕度信息，0R3返回的是雨情信息，0R5測(cè)量的是監(jiān)控方信息［8］。以“04”為標(biāo)志測(cè)試的是空氣距離（m），液位是空氣距離之差;以“0A”為標(biāo)志測(cè)試的是河流的流速（m/s）。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.6 The flow chart of the terminal node program

圖7 上位機(jī)獲得采集到的信息Fig.7 The collected information of PC acquired

5 結(jié)論

本文研究基于WSN的分布式山洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化了節(jié)點(diǎn)布設(shè)數(shù)學(xué)模型，研究了節(jié)點(diǎn)工程應(yīng)用的軟硬件設(shè)計(jì)，完成分布式山洪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集?處理和傳輸?shù)裙δ?，它為后臺(tái)數(shù)學(xué)模型的建立提供了準(zhǔn)確的信息。設(shè)計(jì)極大地節(jié)省了功耗，降低了成本，適用于野外環(huán)境監(jiān)測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域，為山洪監(jiān)測(cè)開(kāi)辟了一種新的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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