基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)設計

我國作為一個水資源缺乏的國家，水資源應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，水域水文參數(shù)資料涉及到我國的核心經(jīng)濟利 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)嶒炇曳治?。這種工作方式存在采樣頻率低、無法實時監(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。同時，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、取樣時間不固定、取樣困難等特點[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 護保障不容易，以及升級困難等弱點。

隨著網(wǎng)絡技術和通信技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術由于其短距離傳輸、低復雜度、低功耗、自組網(wǎng)等特點，被廣泛應用在工業(yè)控制環(huán)境檢測與預報、建筑 物狀態(tài)監(jiān)控、醫(yī)療護理、智能家居、空間探索以及軍事等領域。物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點成本低廉，可以很方便地實現(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[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，以物聯(lián)網(wǎng)技術作為通 信平臺，并以Linux 系統(tǒng)作為軟件基礎平臺來構建水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對區(qū)域水文參數(shù)的遠程實時檢測。

1 硬件監(jiān)測平臺構建

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水文參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構主要包括水文參數(shù)終端節(jié)點( 水溫測試、溶解氧測試等)、網(wǎng)關路由節(jié)點( 中心網(wǎng)關、邊緣網(wǎng)關)、遠程中心監(jiān)控節(jié)點等三個主要部分, 每種節(jié)點完成不同的功能。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水文參數(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)點的電源管理、網(wǎng)絡路由算 法、網(wǎng)絡通信協(xié)議以及中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)的不同?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的水文監(jiān)測系統(tǒng)結合了最新網(wǎng)絡技術和水文參數(shù)監(jiān)測技術，通信工作頻段兼顧了中國和國際標準， 主要包括780

圖1 水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拓撲圖

在基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)中，終端節(jié)點由許多功能相同或不同的水文監(jiān)測傳感器節(jié)點組成，水文監(jiān)測傳感器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的硬件基礎，可用于實現(xiàn)多種水文參數(shù)的檢測。目前的系統(tǒng)設計中包括水溫(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)點的天線發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點進行數(shù)據(jù)的融合和匯聚。

每一個水文監(jiān)測終端節(jié)點都包含數(shù)據(jù)采集模塊( 傳感器，在本系統(tǒng)設計中主要指水溫、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，主要設計要求是低功耗，高可靠性，具有自組網(wǎng)功能。由于終端節(jié)點體積小，因而電源容量也非常有限，從而在設計中必須充分考慮到節(jié)點的節(jié)能優(yōu)化 技術，提高單位節(jié)點的工作時間，節(jié)省節(jié)點的能耗以及采用合理的網(wǎng)絡協(xié)議。在設計中綜合考量終端節(jié)點的可靠性、經(jīng)濟成本等多方面因素，終端節(jié)點可采用 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，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)傳感器進行控制，并最終實現(xiàn)參數(shù)測試。同時，也可以根據(jù)需要進行其他參數(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)點而 已。

網(wǎng)關路由節(jié)點用于實現(xiàn)整個水文監(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，因具體應用環(huán)境不同，其工作測試的 重點也不同，故對不同的子網(wǎng)段，需要單獨進行設置。首先應由各個網(wǎng)關節(jié)點初始化該段子網(wǎng)，以避免各個終端節(jié)點之間的相互干擾，以及與其他工作相同頻道設備 間的信號干擾。網(wǎng)關節(jié)點通過給每個終端節(jié)點網(wǎng)絡指定不同的物理地址來區(qū)分不同節(jié)點，當整個網(wǎng)絡應用后，網(wǎng)關節(jié)點會定時發(fā)送查詢命令，在發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡節(jié)點 后，系統(tǒng)會自動加入網(wǎng)絡節(jié)點列表，同時發(fā)送新的路由表。

除具有自組網(wǎng)特點外，網(wǎng)關節(jié)點還負責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)關節(jié)點通常個數(shù)有限，一般對功耗要求不嚴格，可以采用多種通信方式與其他網(wǎng)絡節(jié)點進行通信( 如Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡等)。在水文監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采用星型拓撲設計，可以在一個較大的水域范圍內(nèi)設置中心網(wǎng)關路由節(jié)點，以分別實現(xiàn)對邊緣網(wǎng)關節(jié)點的水文數(shù)據(jù)包信號的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)[6]。