基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國作為一個(gè)水資源缺乏的國家，水資源應(yīng)該得到充分合理的利用，水文參數(shù)監(jiān)測是水資源合理利用的基礎(chǔ)，水域水文參數(shù)資料涉及到我國的核心經(jīng)濟(jì)利 益。相比于國外的水文監(jiān)測工作而言，國內(nèi)水文監(jiān)測還處于起步階段。目前的水文監(jiān)測工作還是采用比較原始的工作方式，即人工采樣, 采用手持便攜式監(jiān)測儀或?qū)嶒?yàn)室分析。這種工作方式存在采樣頻率低、無法實(shí)時(shí)監(jiān)控、不能反映水體水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)動態(tài)變化等缺點(diǎn)。同時(shí)，由于水文參數(shù)監(jiān)測( 如溶解氧、PH 值等) 往往存在分布范圍廣、不易到達(dá)、取樣時(shí)間不固定、取樣困難等特點(diǎn)[1]，采用現(xiàn)有人工取樣、有線或者無線組網(wǎng)等方式組成測試系統(tǒng)通常都會存在施工困難，維 護(hù)保障不容易，以及升級困難等弱點(diǎn)。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由于其短距離傳輸、低復(fù)雜度、低功耗、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制環(huán)境檢測與預(yù)報(bào)、建筑 物狀態(tài)監(jiān)控、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、空間探索以及軍事等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)成本低廉，可以很方便地實(shí)現(xiàn)不同水域部署，并能保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度，可為 大范圍水文資料監(jiān)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。為此，針對水文參數(shù)總體及局部監(jiān)測的需求，本文提出了以水文參數(shù)檢測傳感器作為終端測試節(jié)點(diǎn)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為通 信平臺，并以Linux 系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)平臺來構(gòu)建水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對區(qū)域水文參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測。

1 硬件監(jiān)測平臺構(gòu)建

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)主要包括水文參數(shù)終端節(jié)點(diǎn)( 水溫測試、溶解氧測試等)、網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)( 中心網(wǎng)關(guān)、邊緣網(wǎng)關(guān))、遠(yuǎn)程中心監(jiān)控節(jié)點(diǎn)等三個(gè)主要部分, 每種節(jié)點(diǎn)完成不同的功能?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的不同，主要表現(xiàn)在新的水文監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)的電源管理、網(wǎng)絡(luò)路由算 法、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以及中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)的不同?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合了最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和水文參數(shù)監(jiān)測技術(shù)，通信工作頻段兼顧了中國和國際標(biāo)準(zhǔn)， 主要包括780

圖1 水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

在基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)由許多功能相同或不同的水文監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)組成，水文監(jiān)測傳感器是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，可用于實(shí)現(xiàn)多種水文參數(shù)的檢測。目前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括水溫(Campbell 公司的109溫度傳感器)、水位( 壓力式水位傳感器)、PH 值(CS525)、溶解氧(Hamilton公司的243111-OXYGOLD G ARC 225 溶解氧傳感器)，并預(yù)留了其它水文參數(shù)測試的軟硬件終端接口，如流速、渾濁度等參數(shù)。終端節(jié)點(diǎn)通過傳感器可將水文參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)調(diào)制信號，然后對射頻信號進(jìn)行調(diào)制，并產(chǎn)生已調(diào)信號，然后將已調(diào)信號通過終端節(jié)點(diǎn)的天線發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合和匯聚。

每一個(gè)水文監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)都包含數(shù)據(jù)采集模塊( 傳感器，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要指水溫、水位、PH 值、溶解氧傳感器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊( 微處理器、存儲器)、通信模塊( 無線收發(fā)器) 和供電模塊，主要設(shè)計(jì)要求是低功耗，高可靠性，具有自組網(wǎng)功能。由于終端節(jié)點(diǎn)體積小，因而電源容量也非常有限，從而在設(shè)計(jì)中必須充分考慮到節(jié)點(diǎn)的節(jié)能優(yōu)化 技術(shù)，提高單位節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能耗以及采用合理的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在設(shè)計(jì)中綜合考量終端節(jié)點(diǎn)的可靠性、經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素，終端節(jié)點(diǎn)可采用 Chipcon 公司的CC2430 芯片作為控制核心，該芯片以IEEE 802. 15. 4 協(xié)議為基礎(chǔ)，整合了射頻(RF) 前端、內(nèi)存和微控制器[5], 在本系統(tǒng)中可分別對水溫、水位、PH 值、溶解氧等水文參數(shù)傳感器進(jìn)行控制，并最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)測試。同時(shí)，也可以根據(jù)需要進(jìn)行其他參數(shù)測試，所需要的工作只是加入不同的水文參數(shù)測試終端節(jié)點(diǎn)而 已。

網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域子網(wǎng)段的自協(xié)調(diào)組網(wǎng)以及信息處理。在水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)建立過程中，因具體應(yīng)用環(huán)境不同，其工作測試的 重點(diǎn)也不同，故對不同的子網(wǎng)段，需要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置。首先應(yīng)由各個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)初始化該段子網(wǎng)，以避免各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾，以及與其他工作相同頻道設(shè)備 間的信號干擾。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)指定不同的物理地址來區(qū)分不同節(jié)點(diǎn)，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會定時(shí)發(fā)送查詢命令，在發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 后，系統(tǒng)會自動加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表，同時(shí)發(fā)送新的路由表。

除具有自組網(wǎng)特點(diǎn)外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)第一步的信息分析及處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲到嵌入式數(shù)據(jù)庫以備查詢。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通常個(gè)數(shù)有限，一般對功耗要求不嚴(yán)格，可以采用多種通信方式與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信( 如Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等)。在水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采用星型拓?fù)湓O(shè)計(jì)，可以在一個(gè)較大的水域范圍內(nèi)設(shè)置中心網(wǎng)關(guān)路由節(jié)點(diǎn)，以分別實(shí)現(xiàn)對邊緣網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的水文數(shù)據(jù)包信號的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)[6]。