基于WSN與移動通信公網(wǎng)融合的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型

蔡曉勇，譚德坤，劉雨楠，吳威鑫，胡賓賓

（南昌工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

計算機科學(xué)與技術(shù)

基于WSN與移動通信公網(wǎng)融合的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型

蔡曉勇，譚德坤，劉雨楠，吳威鑫，胡賓賓

（南昌工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

針對傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測方法存在周期長、數(shù)據(jù)采集量少、監(jiān)測水域范圍有限等缺點，在Zigbee和GPRS技術(shù)融合的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種遠程水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型.本文給出了該系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)，詳細介紹了無線網(wǎng)關(guān)及監(jiān)測節(jié)點的硬件和軟件設(shè)計.最后搭建了實驗驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)了對南昌市瑤湖水溫、PH值和溶解氧等水質(zhì)參數(shù)的遠程實時監(jiān)測，實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)模型是切實可行的，可滿足水環(huán)境遠程實時監(jiān)測的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景.

Zigbee網(wǎng)絡(luò)；GPRS；水環(huán)境監(jiān)測；融合

0 引言

傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法主要分為人工采樣和自動檢測系統(tǒng)兩種.前者不能對水環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，且存在監(jiān)測周期長、工作人員野外作業(yè)、勞動強度大、數(shù)據(jù)采集量少，無法反映水環(huán)境的動態(tài)變化且不能及早發(fā)現(xiàn)污染源并實時報警等缺點.后者通過遠程監(jiān)測中心及若干個監(jiān)測子站構(gòu)建有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，較好地解決了上述不足，但由于有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺需事先鋪設(shè)電纜、建立監(jiān)測子站等施工要求，存在工程量大、系統(tǒng)成本高昂、監(jiān)測范圍有限、在偏遠區(qū)域施工難度巨大等缺點[1].無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(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(jié)點組成的自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各節(jié)點之間通過無線方式傳輸信息[2].因此，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點對水環(huán)境進行實時監(jiān)測是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，是前述問題的一種有效解決方法.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、環(huán)境監(jiān)測點分布范圍廣、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活且對生態(tài)環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點[3].

無線傳感網(wǎng)技術(shù)解決的是信息的獲取和感知問題，作為末梢感知網(wǎng)，其單個節(jié)點的通信距離比較有限，為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能源，其組網(wǎng)規(guī)模覆蓋的范圍也不能太大[4]，需要借助廣域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸與分發(fā)[5].移動通信公網(wǎng)運營成熟穩(wěn)定，覆蓋范圍廣，技術(shù)成熟，因而利用移動通信網(wǎng)來實現(xiàn)WSN監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠距離傳輸更具有現(xiàn)實意義.

本文在深入研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型.該模型通過無線傳感網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的異構(gòu)融合，實現(xiàn)基站與傳感器監(jiān)測節(jié)點之間、基站與遠程數(shù)據(jù)中心之間的雙向通信，從而完成對監(jiān)測水域的遠距離實時動態(tài)監(jiān)測.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)地表水環(huán)境監(jiān)測標準[6]，對于地表水的水質(zhì)檢測項目主要有：水溫、PH值、溶解氧、氨氮、化學(xué)需氧量等多項指標.對于偏遠復(fù)雜的監(jiān)測區(qū)域，監(jiān)測系統(tǒng)采用無人值守的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，借助移動通信公網(wǎng)的GPRS/3G/4G通信技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給遠程數(shù)據(jù)中心.整個監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

在圖1中，系統(tǒng)主要由傳感器監(jiān)測節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)及遠程監(jiān)測控制中心組成.傳感器節(jié)點隨機部署在某一監(jiān)測區(qū)域，多個傳感器節(jié)點與1個無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成1個監(jiān)測子網(wǎng).在監(jiān)測子網(wǎng)范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點采用Zigbee協(xié)議進行通信，各個傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)再通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送給移動通信網(wǎng)絡(luò)，移動通信網(wǎng)絡(luò)以GPRS/3G/4G方式將數(shù)據(jù)傳輸給遠程監(jiān)測控制中心，選用何種通信標準取決于傳感數(shù)據(jù)傳輸量的大小.遠程監(jiān)測控制中心存儲并處理各個網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，向用戶提供可靠的水環(huán)境監(jiān)測信息并能控制各傳感器節(jié)點的監(jiān)測行為.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層及業(yè)務(wù)應(yīng)用層等4層組成.數(shù)據(jù)感知層由傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)采集模塊組成，承擔數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送任務(wù).數(shù)據(jù)傳輸層由無線網(wǎng)關(guān)、移動通信網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部局域網(wǎng)組成，承擔數(shù)據(jù)的傳輸.數(shù)據(jù)存儲層由監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及相應(yīng)支撐硬件組成，主要承擔數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲入庫.業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要為各類用戶提供業(yè)務(wù)邏輯和基礎(chǔ)服務(wù)，包括水環(huán)境監(jiān)測、污染源管理、水質(zhì)信息發(fā)布、預(yù)測預(yù)警等功能.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，Zigbee技術(shù)是一種低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信技術(shù)[7-8].水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點部署在野外，條件比較艱苦，節(jié)點能量有限，采用Zigbee技術(shù)作為本系統(tǒng)WSN的實現(xiàn)技術(shù)是非常適合的.無線傳感網(wǎng)接入移動通信網(wǎng)絡(luò)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(xié)議，使得GPRS能夠與Internet實現(xiàn)無縫連接.對于水環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)通信量不高，采用GPRS方式數(shù)據(jù)帶寬是足夠的，同時具有覆蓋面廣、入網(wǎng)成本低廉、系統(tǒng)擴容方便等特點.

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 傳感器監(jiān)測節(jié)點

傳感器監(jiān)測節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成，節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)，非常適合傳感器節(jié)點野外部署、能量受限等特點.傳感器主要功能是對水環(huán)境的水溫、溶解氧、PH值、氨氮等水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)測，并能定期上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，也能夠響應(yīng)監(jiān)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(zhuǎn)換器模塊的作用是將傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為處理器所能處理的數(shù)字信號. Zigbee無線通信模塊，選用CC2530芯片，它是一款符合Zigbee技術(shù)的2.4GHz低功耗、短距離射頻收發(fā)芯片，其工作電壓范圍為2.0～3.6V，其電流消耗很低，發(fā)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(tǒng)高性能低功耗的要求.根據(jù)野外監(jiān)測要求，電源模塊選用市面上最常見的鋰電池作為節(jié)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(fā)數(shù)據(jù)的穩(wěn)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(yīng)設(shè)計相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換電路.

2.1.2 無線網(wǎng)關(guān)

無線傳感網(wǎng)和移動通信網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)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(wǎng)關(guān)，才能實現(xiàn)兩網(wǎng)融合并進行互連互通.因此，水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中的核心部件.網(wǎng)關(guān)是無線傳感器網(wǎng)與移動通信網(wǎng)進行無線連接的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，主要負責向傳感器節(jié)點發(fā)送上位機命令和傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的上傳，具有數(shù)據(jù)融合、仲裁請求和路由選擇等功能，同時還負責Zigbee網(wǎng)絡(luò)的自組建、傳感器節(jié)點的增加和刪除等維護工作.網(wǎng)關(guān)主要完成傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換，通常它連接兩個或多個彼此之間相互獨立的網(wǎng)絡(luò)，每接收一種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，在轉(zhuǎn)發(fā)之前，將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成可以在另一個網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式.本文所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)基于ARM嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)和移動通信GPRS網(wǎng)絡(luò)的融合.

無線網(wǎng)關(guān)主要由處理器模塊、Zigbee模塊、GPRS模塊、電源及鍵盤、LED等構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.由于網(wǎng)關(guān)要協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)并對采集數(shù)據(jù)進行運算處理，因此要求處理器具有較高的處理能力.網(wǎng)關(guān)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(tǒng).網(wǎng)關(guān)節(jié)點配有與傳感器節(jié)點相同的Zigbee模塊，該模塊負責建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)、管理傳感器節(jié)點、存儲傳感器節(jié)點信息、對消息進行路由選擇等功能，采用CC2530作為協(xié)處理器，實現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)與水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測子網(wǎng)間基于Zigbee協(xié)議的數(shù)據(jù)通信.GPRS模塊實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測中心間的遠程數(shù)據(jù)通信，GPRS是利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，以封包的形式將其發(fā)送給數(shù)據(jù)中心.無線網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，其計算、管理和協(xié)調(diào)的任務(wù)非常繁重，因此其耗能較高，電源模塊采用雙電源設(shè)計，主電源在有條件的地方應(yīng)采用市電電源供電，工作于野外條件受限的區(qū)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(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器)接口電路實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)核心與通信模塊的連接，它提供4個RS-232設(shè)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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)測節(jié)點軟件、無線網(wǎng)關(guān)軟件和遠程監(jiān)測中心管理控制軟件3個部分.監(jiān)測節(jié)點軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；無線網(wǎng)關(guān)軟件主要收集各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合和協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)發(fā)給遠程監(jiān)測中心；監(jiān)測中心軟件主要實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、實時顯示及對整個系統(tǒng)進行管理等功能.

在監(jiān)測節(jié)點，MSP430處理器系統(tǒng)程序由μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成，CC2530軟件系統(tǒng)主要由Zigbee協(xié)議棧和應(yīng)用軟件組成.應(yīng)用軟件在功能上主要包括數(shù)據(jù)采集、Zigbee通信、接收網(wǎng)關(guān)指令等任務(wù).Zigbee協(xié)議棧能夠?qū)崿F(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建和所有的Zigbee協(xié)議規(guī)定的服務(wù)與應(yīng)用，協(xié)議棧分為4層：物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層.在節(jié)點軟件設(shè)計中，通過調(diào)用Zigbee協(xié)議棧提供的API函數(shù)完成相應(yīng)的應(yīng)用層服務(wù).例如在Zigbee協(xié)議棧中進行數(shù)據(jù)發(fā)送就可以調(diào)用AF_DataRequest函數(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)會調(diào)用協(xié)議棧里面與硬件相關(guān)的函數(shù)最終將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去.

在網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計中，選用Android4.0作為操作系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)的GPRS通信方式利用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900模塊實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)模型的可行性，本文搭建了一套測試環(huán)境，對江西省南昌市最大的內(nèi)陸天然湖泊——瑤湖的水質(zhì)進行了實時監(jiān)測，此次測試的數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點掛接了水溫、PH值和溶解氧三種水質(zhì)參數(shù)傳感器.無線網(wǎng)關(guān)是無線傳感網(wǎng)和移動通信公網(wǎng)融合的核心設(shè)備，也是整個系統(tǒng)是否成功運行的關(guān)鍵.傳感器監(jiān)測節(jié)點采集的數(shù)據(jù)需發(fā)送給無線網(wǎng)關(guān)，由其轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)，然后上傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠程交互.

無線傳感器節(jié)點在采集到水環(huán)境監(jiān)測信息后周期性發(fā)送數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)包后分離出傳感器數(shù)據(jù)，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)添加到AT命令中，按照GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送流場發(fā)往服務(wù)器.圖4給出了服務(wù)器接收到的某時刻瑤湖水質(zhì)測試結(jié)果.結(jié)果表明，本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)GPRS接入方案具有實際可行性.

系統(tǒng)還實現(xiàn)了以AT指令將水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送給用戶手機，從而進行遠程實時監(jiān)控.短信功能測試流程與GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能類似，網(wǎng)關(guān)通過內(nèi)部協(xié)議棧分析取出傳感器節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)后，采用SIM900模塊通過短信的方式發(fā)送給目標手機，系統(tǒng)可設(shè)置目標用戶手機號碼，也可以自主設(shè)置短信發(fā)送的頻率.

圖4 遠程中心服務(wù)器某時刻水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以Zigbee和GPRS技術(shù)為核心，設(shè)計了一種基于兩網(wǎng)融合的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)由Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)、GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)和遠程監(jiān)測中心的服務(wù)器等組成，系統(tǒng)具備WSN節(jié)點數(shù)量多、數(shù)據(jù)采集量大的優(yōu)點，又具備移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、可以遠程大量傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點，解決了水環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)葐栴}，實現(xiàn)了大范圍的水環(huán)境監(jiān)測，提高了水環(huán)境監(jiān)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(tǒng)，對系統(tǒng)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(zhì)參數(shù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，本文所設(shè)計的系統(tǒng)模型符合預(yù)期目標，能夠準確將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過GPRS方式無線發(fā)送給服務(wù)器或者通過短信功能轉(zhuǎn)發(fā)給目標用戶，實驗測試結(jié)果驗證了系統(tǒng)模型的可行性和正確性.

〔1〕何志業(yè).面向水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計[D].碩士學(xué)位論文，杭州：杭州電子科技大學(xué)，2010.

〔2〕劉昊靈，仲元昌，楊柳，等.基于三峽庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測的WSN信息融合算法 [J].傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25(12)：1761-1765.

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〔6〕GB3838-2002,地表水環(huán)境質(zhì)量標準[S].

〔7〕Zigbee Alliance.Zigbee Specification[EB/OL].http:// www.zigbee.org.

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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(xué)院大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目（2015042）