基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)河航道航標(biāo)遙測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)

張子航，王澍，田天文

（1.長(zhǎng)江蕪湖航道處，安徽 蕪湖 241000；2.長(zhǎng)江武漢航道局，湖北 武漢 430014）

根據(jù)內(nèi)河航道航標(biāo)管理的需要，采用了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)河航道航標(biāo)遙測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)，采用了ZigBee技術(shù)和GPRS 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，通過(guò)在航標(biāo)上安裝傳感器，利用傳感器采集的航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航標(biāo)狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)河航道中的航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有安裝方便、成本低、適用范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以用于內(nèi)河航道航標(biāo)維護(hù)管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)河航道航標(biāo)遙測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、航標(biāo)監(jiān)控設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備組成[1]。監(jiān)控中心主要功能是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)的狀態(tài)信息，并通過(guò)GPRS 和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳送到遠(yuǎn)程控制終端。

1.1 航標(biāo)監(jiān)控設(shè)備

航標(biāo)監(jiān)控設(shè)備主要由監(jiān)控終端和遠(yuǎn)程控制終端兩部分組成。監(jiān)控終端是一個(gè)集成了各種傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理的設(shè)備，它通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制終端，并將這些信息以各種方式存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中[2]。監(jiān)控終端一般安裝在現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)附近，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制終端連接，并通過(guò)GPRS 或ZigBee 等無(wú)線通信方式將現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)的狀態(tài)信息傳輸?shù)焦芾碇行摹?/p>

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備是對(duì)航標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的核心，其主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)的各種參數(shù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，則及時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)[3]。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備可以采用多種不同類型的傳感器來(lái)采集航標(biāo)的各種信息，如溫度、壓力、流量、水位、氣象等?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備主要由數(shù)據(jù)采集終端、傳感器和控制器組成。數(shù)據(jù)采集終端主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)的各種參數(shù)信息，并將這些信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。傳感器主要負(fù)責(zé)對(duì)航標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)內(nèi)置的溫度、壓力傳感器和流量傳感器等采集航標(biāo)內(nèi)部和外部的各種信息，并將這些信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端?？刂破髦饕?fù)責(zé)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

1.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)監(jiān)控終端和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端的管理、數(shù)據(jù)處理、航標(biāo)狀態(tài)監(jiān)視、告警等功能。監(jiān)控中心一般采用PC 機(jī)作為操作系統(tǒng)，在PC 機(jī)上安裝相應(yīng)的客戶端軟件，實(shí)時(shí)處理采集到的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)的狀態(tài)信息，并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳送到遠(yuǎn)程控制終端，并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將這些信息反饋到遠(yuǎn)程控制終端。

2 傳感器終端單元

傳感器終端單元是整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分，它采集的信息是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[4]。傳感器終端單元主要由航標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS 模塊、信息顯示模塊和控制裝置等組成，航標(biāo)數(shù)據(jù)可將各部分的狀態(tài)信息通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)（如圖1 所示）發(fā)送到供電電路上，并通過(guò)GPRS 無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，對(duì)航標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向終端設(shè)備發(fā)送報(bào)警指令。

圖1 無(wú)線射頻技術(shù)

2.1 航標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊

航標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊由信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元組成。信號(hào)采集單元由微控制器、傳感器、變送器等組成。數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)的收集和處理，并將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 模塊傳輸給遠(yuǎn)程控制中心。

航標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)各部分功能如下：

2.1.1 信號(hào)采集單元

信號(hào)采集單元主要是用來(lái)感知外界環(huán)境信息的，它的輸出信號(hào)是模擬信號(hào)，通過(guò)變送器進(jìn)行變換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)GSM 模塊將數(shù)字信號(hào)傳送到遠(yuǎn)程控制中心。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要由微處理器、存儲(chǔ)器和軟件程序等組成。微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它主要完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，同時(shí)也負(fù)責(zé)與控制中心的通信。在本模塊中采用了基于單片機(jī)的自帶A/D 轉(zhuǎn)換功能的TMS320F2812 型微處理器，它集成了微控制器、存儲(chǔ)器、A/D 轉(zhuǎn)換器和其他外圍電路。

串口接口電路用于與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；USB接口用于與終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 GPRS 模塊

GPRS 模塊的主要功能是與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。GPRS 模塊數(shù)據(jù)通信流程如圖2 所示，監(jiān)控中心通過(guò)GPRS 模塊與傳感器終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

圖2 GPRS 模塊數(shù)據(jù)通信流程

GPRS 模塊該模塊支持2G/3G/4G 多模式網(wǎng)絡(luò)，能夠提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，特別適合在移動(dòng)環(huán)境下工作。此外，SIM500C 模塊采用了低電壓供電方式，可為設(shè)備提供1 年以上的電源保障。SIM500C 模塊工作頻率為2.4GHz，采用了2 個(gè)單通道接口和4 個(gè)復(fù)用器接口，便于與其他終端設(shè)備連接。

2.3 信息顯示模塊

信息顯示模塊用于對(duì)采集到的航標(biāo)狀態(tài)信息進(jìn)行顯示，它包含了兩大部分：信息顯示軟件和信息顯示終端。信息顯示軟件用于實(shí)現(xiàn)航標(biāo)狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)顯示，也可以設(shè)置閾值，當(dāng)超過(guò)設(shè)置的閾值時(shí)，信息顯示終端會(huì)自動(dòng)向控制裝置發(fā)送報(bào)警指令。監(jiān)控中心可向客戶端軟件提供用戶界面，在客戶端上顯示航標(biāo)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和歷史狀態(tài)信息。

3 控制中心單元

控制中心單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行配置和參數(shù)設(shè)置，并對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)[5]。同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。本系統(tǒng)的控制中心單元由數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等組成。

3.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成傳感器數(shù)據(jù)的處理和分析。首先對(duì)采集到的航標(biāo)狀態(tài)信息進(jìn)行濾波，剔除傳感器信號(hào)中的干擾信號(hào)。然后利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將采集到的航標(biāo)狀態(tài)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)管理模塊中，該模塊完成對(duì)航標(biāo)狀態(tài)信息的存儲(chǔ)，并提供一定的歷史查詢功能。

3.2 網(wǎng)絡(luò)管理模塊

網(wǎng)絡(luò)管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)和GPRS 基站之間的通信。網(wǎng)絡(luò)管理模塊可以通過(guò)GPRS 基站與監(jiān)控中心進(jìn)行通信，并在監(jiān)控中心提供給用戶一定的界面，用戶可以通過(guò)該界面對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)將采集到的航標(biāo)狀態(tài)信息通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)管理模塊中，對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的配置和參數(shù)設(shè)置，并對(duì)采集到的航標(biāo)狀態(tài)信息進(jìn)行分析和處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)管理模塊中。

4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

航標(biāo)遙測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸模塊采用了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS 無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)河航道中的航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[6]。ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種短距離、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可以工作在低功耗的模式下。它能夠有效地將信息發(fā)送到指定的目的節(jié)點(diǎn)。它可以支持多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都可以有自己獨(dú)立的電源和數(shù)據(jù)處理能力，ZigBee 終端設(shè)備在整個(gè)系統(tǒng)中作為一個(gè)中繼設(shè)備。

ZigBee 協(xié)議由三個(gè)部分組成，即網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議用于確定和配置各無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能；應(yīng)用層協(xié)議用于向ZigBee 節(jié)點(diǎn)傳遞任務(wù)、狀態(tài)信息等；數(shù)據(jù)通信協(xié)議用于與終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)采用了CC2530 芯片作為ZigBee 無(wú)線模塊，CC2530 是一款低功耗、低速率的無(wú)線通信模塊，其傳輸速率為10Mbps，可在正常工作模式下工作12 個(gè)月，當(dāng)采用休眠模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電源自動(dòng)切換，具有良好的節(jié)能特性。

4.1 CC2530 的應(yīng)用

CC2530 是基于CC2530 芯片生成的無(wú)線通信模塊，在使用該模塊時(shí)，首先要進(jìn)行如下設(shè)置：①當(dāng)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)命令方式對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行管理；②當(dāng)終端設(shè)備處于休眠狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)命令方式對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行管理；③當(dāng)終端設(shè)備處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)命令方式對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行管理；④在通信模式下，CC2530 模塊會(huì)自動(dòng)判斷網(wǎng)絡(luò)是否可用，如果可用則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；⑤當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，CC2530 模塊會(huì)自動(dòng)刪除掉該網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，同時(shí)發(fā)送一個(gè)命令到該網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。

4.2 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的連接

GPRS 是一種基于IP 協(xié)議的無(wú)線分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其主要功能是將各種數(shù)據(jù)包從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。GPRS 網(wǎng)絡(luò)是由GSM 網(wǎng)發(fā)展而來(lái)，GPRS 采用GSM 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)移動(dòng)終端與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建立連接后，將自動(dòng)從GPRS 網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。GPRS 模塊主要由數(shù)據(jù)通道（1×3）、數(shù)據(jù)通道（2×3）、控制單元（4×3）組成。

航標(biāo)遙測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)中GPRS 模塊主要完成兩項(xiàng)任務(wù)：一是將采集的數(shù)據(jù)包通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，二是將遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端。利用GPRS 模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河航道航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)還可以利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)采集到的航標(biāo)遙測(cè)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括GPRS 通信程序、ZigBee 節(jié)點(diǎn)程序和上位機(jī)監(jiān)控軟件三部分。GPRS 通信程序是對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化、建立連接、數(shù)據(jù)交換、通信協(xié)議等操作的過(guò)程，主要包括GPRS 通信初始化、命令控制等部分，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。在上位機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，只采用單一線程，那么用戶在查詢歷史數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)接收延遲，為避免這一現(xiàn)象，系統(tǒng)在接收命令程序中，采用了定時(shí)器和中斷服務(wù)相結(jié)合的方式，當(dāng)接收到ZigBee終端設(shè)備發(fā)出的命令時(shí)，通信過(guò)程中采用串口接收外部數(shù)據(jù)包，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)接收。通過(guò)定時(shí)器來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，并使之中斷。

5 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)通過(guò)ZigBee 技術(shù)和GPRS 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)河航道航標(biāo)的遙測(cè)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)河航道航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。利用傳感器采集航標(biāo)狀態(tài)信息，采用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，為內(nèi)河航道航標(biāo)維護(hù)管理提供了一種有效的手段?？梢詫?shí)現(xiàn)多座單座航標(biāo)處對(duì)多個(gè)單座航標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。