張曉華，張玉華，岑 宇

（1．華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450011;2．開(kāi)封浦華紫光水業(yè)有限公司，河南開(kāi)封 475001）

水資源作為一種稀缺資源在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生物生存中都有著不可替代的作用．隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)水環(huán)境的保護(hù)和水資源的合理開(kāi)發(fā)利用，已經(jīng)變得越來(lái)越緊迫．對(duì)水信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)成為水資源合理利用管理的關(guān)鍵［1］．

現(xiàn)有的水信息監(jiān)測(cè)技術(shù)有傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)和利用移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)，但都存在著很大的局限性．人工監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確率不高，難以實(shí)現(xiàn)水信息監(jiān)測(cè)站點(diǎn)資料的實(shí)時(shí)上傳分發(fā)、實(shí)時(shí)資料入庫(kù)、實(shí)時(shí)瀏覽和遠(yuǎn)程監(jiān)控等，不能適應(yīng)現(xiàn)代水信息的發(fā)展要求．利用移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)技術(shù)把傳感器收集到的各類信息利用現(xiàn)有的移動(dòng)通訊系統(tǒng)（GSM/CDMA）傳輸?shù)竭h(yuǎn)端．由于傳輸采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，因此傳感器無(wú)法做到自組織和自愈，不具有組網(wǎng)功能的節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法相互合作，同時(shí)對(duì)移動(dòng)基站依賴較強(qiáng)，不僅成本高，而且存在無(wú)法覆蓋的盲區(qū)［2］．

采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水信息的監(jiān)測(cè)可以很好地彌補(bǔ)上述兩種技術(shù)的不足．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由隨機(jī)布設(shè)的大量多種類傳感器節(jié)點(diǎn)組成，能夠迅速組成自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制方面，相對(duì)于架設(shè)或租用專用電纜來(lái)說(shuō)具有造價(jià)低廉、施工快捷、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［3］．

目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水環(huán)境中的應(yīng)用才剛剛起步，為數(shù)不多的研究也還存在著網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)單一、節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)通用性和可擴(kuò)展性不強(qiáng)等問(wèn)題，通常只能針對(duì)極為有限的水信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，難以適應(yīng)水信息的多樣性和復(fù)雜性要求．針對(duì)這些問(wèn)題，筆者采用ZigBee加GPRS整合的多層模式通訊方案，解決了短程和遠(yuǎn)程通訊的問(wèn)題，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按需求不同進(jìn)行合理分工和設(shè)計(jì)，主要解決了節(jié)點(diǎn)的通用性，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞、管理更加簡(jiǎn)捷方便，提高了水資源管理的效率．

1 分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了充分利用ZigBee低能耗、自組網(wǎng)、頻道免費(fèi)、GPRS通訊距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)率高、覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、管理控制層3層，如圖1所示．利用ZigBee技術(shù)構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的主干并實(shí)現(xiàn)水文、水質(zhì)等水信息的采集和短距離的傳輸，利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理和節(jié)點(diǎn)的控制．

圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

首先由處于數(shù)據(jù)采集層的傳感器模塊采集被監(jiān)測(cè)的各點(diǎn)水資源數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)沿著信息網(wǎng)絡(luò)傳輸層的終端節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通訊RF模塊逐級(jí)進(jìn)行傳輸．在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可能被多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將整合后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幱诠芾砜刂茖拥闹行墓?jié)點(diǎn)．中心節(jié)點(diǎn)采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，可在對(duì)水信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，全面掌握水資源的實(shí)時(shí)信息，為水資源的管理提供決策支持．

終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)和傳感器的數(shù)據(jù)接口獲得傳感器感知到的水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)，再經(jīng)初步處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)封包，按照IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)和數(shù)據(jù)的傳輸．

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸前的最后匯聚，并將接收到的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和數(shù)據(jù)封包，同時(shí)協(xié)調(diào)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組織和GPRS遠(yuǎn)程通訊，按照GPRS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的中心節(jié)點(diǎn);同時(shí)還具備一定的現(xiàn)場(chǎng)處理能力，以便在必要的時(shí)候進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)布置和維護(hù)．

中心節(jié)點(diǎn)的核心是數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序，采用SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、報(bào)表分析功能;同時(shí)利用終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)的注冊(cè)信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，以便將抽象的數(shù)據(jù)解析成具體的水信息參數(shù)．

2 系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，基于無(wú)線傳感網(wǎng)的水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)端中心節(jié)點(diǎn)組成．終端節(jié)點(diǎn)兼數(shù)據(jù)采集層傳感器信息采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸層無(wú)線組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重功能，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集中體現(xiàn)．

2．1 終端節(jié)點(diǎn)（ZigBee短程通訊節(jié)點(diǎn)）

由于水信息數(shù)據(jù)采集涉及水位、流量、泥沙含量等水文傳感器，水溫、pH值、含氧量等水質(zhì)傳感器，這些傳感器或模塊提供的數(shù)據(jù)接口有SPI、串口、I2C，甚至只提供基本的電流、電壓模擬信號(hào)，所以需要進(jìn)一步的A/D轉(zhuǎn)換才能使用．考慮到系統(tǒng)的通用性，設(shè)計(jì)時(shí)盡量屏蔽具體傳感器的特點(diǎn)，對(duì)其接口進(jìn)行抽象．因此在設(shè)計(jì)時(shí)改變了大多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)將傳感器、處理器、無(wú)線模塊集成在一塊電路板上的模式，采用底板加傳感器擴(kuò)展板的方式，把組網(wǎng)必備的控制模塊和無(wú)線通訊模塊集成在一起作為底板，然后通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)、豐富的擴(kuò)展接口和傳感器板連接．這樣的設(shè)計(jì)思路可以根據(jù)具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器擴(kuò)展板，最大限度地保證了終端節(jié)點(diǎn)的通用性，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度、降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)成本，使得擴(kuò)展能力大幅增強(qiáng)．

2．1．1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

基于以上分析，終端節(jié)點(diǎn)使用的底板具有完全相同的硬件電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包含MCU模塊和RF模塊，提供基本的控制和數(shù)據(jù)通訊功能，并為傳感器擴(kuò)展預(yù)留基本的支持接口．

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

MCU模塊的底板采用了ATmega128L低功率處理器作為MCU模塊的主芯片，用于實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集和初步處理并進(jìn)行通訊控制，該處理器采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128 kb的程序存儲(chǔ)器（Flash）可以支持Tinyos操作系統(tǒng)的移植需求，有8個(gè)10位ADC通道可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換．具有UART，SPI，I2C總線等接口，為傳感器板預(yù)留了豐富的傳感器數(shù)據(jù)接口，可根據(jù)具體傳感器支持的接口類型用ADC，SPI或I2C進(jìn)行連接，可在多種不同模式下工作，除了正常操作模式外，還具有6種不同等級(jí)的低能耗操作模式，因此該微控制器還適合于低能耗的無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合．

在RF模塊的選擇上，考慮到水信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)地理分布的靈活性、使用的長(zhǎng)期性，節(jié)點(diǎn)采用了CC2420作為RF通訊芯片，專注于完成協(xié)議的解析和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建［4－5］．利用該芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通訊設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kb/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)．

ATmega128L處理器通過(guò)SPI接口（MISO，MOSI，SCK）與CC2420交換數(shù)據(jù)發(fā)送命令．CC2420是受控的，處理器工作在主機(jī)模式，它是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?，CC2420設(shè)為從機(jī)方式．在SPI設(shè)為主機(jī)方式通訊時(shí)，需要在SPI初始化時(shí)將SS拉為低電平，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入主機(jī)的SPI數(shù)據(jù)寄存器后，主機(jī)啟動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過(guò)MOSI將數(shù)據(jù)移出，同時(shí)從CC2420由MISO移入數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)全部移出時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)交換．

電源模塊包括兩節(jié)容量為2．7 Ah的3．6 V的LS14500C電池，通過(guò)串聯(lián)形成 7．2 V電源．以LM2596電壓轉(zhuǎn)換芯片為電路模塊核心分別實(shí)現(xiàn)5 V和3．3 V的供電，除了為微處理器模塊和ZigBee射頻模塊提供3．3 V電壓，還可為需要5 V電壓的部分水信息采集模塊提供電源．電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了PCB天線，同時(shí)也預(yù)留了SMA連接器，以便在必要時(shí)還可以使用其他種類天線．

終端節(jié)點(diǎn)可以工作在兩種模式下：既可以作為普通的傳感器節(jié)點(diǎn)使用，也可以作為匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)接受所有節(jié)點(diǎn)傳輸包．兩種方式在硬件設(shè)計(jì)上并無(wú)不同，僅需在程序設(shè)計(jì)上做相應(yīng)改變即可用于協(xié)調(diào)普通傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸．

2．1．2 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是感知周圍環(huán)境參數(shù)的變化，然后將數(shù)據(jù)封包后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)．通常的無(wú)線傳感網(wǎng)一般沒(méi)有操作系統(tǒng)，采用的傳輸路由通常是靜態(tài)的，為了實(shí)現(xiàn)靈活的自組網(wǎng)，筆者在終端節(jié)點(diǎn)采用了美國(guó)加州伯克利大學(xué)開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專用操作系統(tǒng)TinyOS為軟件平臺(tái)．

TinyOS操作系統(tǒng)基于構(gòu)件（component-based）的架構(gòu)不僅使得快速的更新成為可能，同時(shí)又減小了受傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器限制的代碼長(zhǎng)度，大大簡(jiǎn)化了程序開(kāi)發(fā)的難度．TinyOS系統(tǒng)提供了很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持星形拓?fù)?、?shù)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和需要進(jìn)行配置選擇編譯即可．

傳感器的種類很多，為了說(shuō)明終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)方式，下面以WL400水位傳感器為例介紹傳感器板的硬件結(jié)構(gòu)和程序結(jié)構(gòu)．WL400水位傳感器具有極好的線性和較弱的滯后效應(yīng)，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到微小的水位變化，提供4～20 mA電流輸出，溫度與電壓自動(dòng)補(bǔ)償．該傳感器接口簡(jiǎn)單，總共有2個(gè)引腳，分別是電源和信號(hào)輸出．由于ATmega128L的ADC端口是對(duì)電壓信號(hào)采樣，因此先使用轉(zhuǎn)換電路將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為0．5～2．5 V的平穩(wěn)電壓信號(hào)．將轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)送入ADC引腳，然后通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)水位值的變換．因此程序設(shè)計(jì)的主要工作在ADC的實(shí)現(xiàn)，ADC的轉(zhuǎn)換和無(wú)操作系環(huán)境下的編程并無(wú)不同，所需注意的是由于采用了Tiny-OS操作系統(tǒng)，就需要按照相應(yīng)的格式來(lái)構(gòu)成組件，也就是說(shuō)需要為WL400編寫配置組件configuration和模塊組件module．

2．2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（GPRS遠(yuǎn)程通訊節(jié)點(diǎn)）

如前所述，終端節(jié)點(diǎn)在某些要求不高或者數(shù)據(jù)處理不復(fù)雜、功能簡(jiǎn)單的場(chǎng)合可以充當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器使用直接通過(guò)GPRS和中心節(jié)點(diǎn)通訊，這無(wú)疑是一個(gè)節(jié)約成本的方案．但在水信息監(jiān)測(cè)中存在著信息監(jiān)測(cè)部署環(huán)境、規(guī)模和數(shù)據(jù)需求的多樣性問(wèn)題，如監(jiān)測(cè)范圍的變更要求節(jié)點(diǎn)數(shù)量能夠動(dòng)態(tài)增減，監(jiān)測(cè)指標(biāo)需求不同要求節(jié)點(diǎn)所采用的水文、水質(zhì)傳感器要能靈活變更和替換，此外還存在著運(yùn)行中節(jié)點(diǎn)的新舊替換、注冊(cè)、注銷等動(dòng)態(tài)變化．上述變動(dòng)的實(shí)現(xiàn)都需要一些復(fù)雜的支撐功能，如網(wǎng)絡(luò)變動(dòng)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、協(xié)議轉(zhuǎn)換等現(xiàn)場(chǎng)的布置和調(diào)試功能，基于Web的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模式的靈活配置等等．處理能力相對(duì)較弱的8位或16位單片機(jī)已難以滿足要求，此時(shí)就需要使用32位嵌入式系統(tǒng)來(lái)扮演網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，基于嵌入式的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)成為必要．

2．2．1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包含了終端節(jié)點(diǎn)的基本功能，同時(shí)提供GPRS的數(shù)傳功能和長(zhǎng)途802．11以太網(wǎng)方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸．此類節(jié)點(diǎn)主要用于供電條件較為寬松的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯合和遠(yuǎn)程傳輸，起到網(wǎng)關(guān)的功能．

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)除了具備以上基本的數(shù)據(jù)匯聚功能之外還具備一定的現(xiàn)場(chǎng)處理能力，提供必要的人機(jī)交互調(diào)試接口，可以在野外提供一定的處置手段，以便在必要的時(shí)候進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布置和維護(hù)．考慮到功能、功耗、數(shù)據(jù)處理能力和外圍接口的要求，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)時(shí)采用的是以英特爾XScalePXA270微處理器為核心的嵌入式平臺(tái)．

為了實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中使用了 Siemens公司的GSM/GPRS模塊MC52i，該模塊具有很高的可靠性，并且內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，可以使用AT命令對(duì)模塊實(shí)現(xiàn)控制，很適合在便攜移動(dòng)終端中作為無(wú)線通訊模塊．它和嵌入式處理器之間通過(guò)常規(guī)的串口即UART接口實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是，GPRS模塊需要4 V，1 A以上才能啟動(dòng);同時(shí)應(yīng)考慮到各地GPRS網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不同，需要利用心跳數(shù)據(jù)包確保在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠保證網(wǎng)關(guān)在線，而不會(huì)造成上報(bào)數(shù)據(jù)的缺失．

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用了ARM處理器，利用內(nèi)置的SPI控制器可以方便地實(shí)現(xiàn)SPI功能．在32位ARM處理器基礎(chǔ)上直接擴(kuò)展CC2420模塊，擴(kuò)展GPRS模塊采用常規(guī)的串口．

2．2．2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要作用是接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后發(fā)送到監(jiān)控中心、接收監(jiān)控中心指令、確定節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)．網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要工作是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，采用Linux系統(tǒng)支持編程環(huán)境．

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的傳輸，主要涉及GPRS的數(shù)據(jù)傳輸和ZigBee數(shù)據(jù)傳輸．GPRS數(shù)據(jù)傳輸由于采用了MC52i模塊，利用AT命令容易實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)主要在ZigBee協(xié)議的移植上．

在參考了 MicroChip協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，基于ARMLinux移植并實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議．需要注意的是ZigBee協(xié)議棧的移植主要體現(xiàn)在對(duì)平臺(tái)相關(guān)部分的改寫或重寫，以及在Linux環(huán)境下的并發(fā)控制和性能優(yōu)化上．包括SPI接口、動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配、固態(tài)存儲(chǔ)、節(jié)拍控制等的改寫或重寫，中斷服務(wù)（ISR）與底半部（bottom half）的設(shè)計(jì)．其中動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配、節(jié)拍控制等可以利用Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)較為方便．利用內(nèi)核的內(nèi)存分配和回收函數(shù)kmalloc和kfree可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配．利用全局節(jié)拍變量改寫節(jié)拍控制模塊．

節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)、注銷，節(jié)點(diǎn)傳感器的配置變更和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的存儲(chǔ)都需要數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，考慮到性能和體積的平衡，設(shè)計(jì)中選擇了SQLite作為嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)［6］．

3 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理策略——數(shù)據(jù)融合

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以獲得被感知對(duì)象的有效特征信息為目的，也就是以數(shù)據(jù)為中心．因此無(wú)線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)必須具有適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)簡(jiǎn)約化和關(guān)聯(lián)化處理能力，這就是數(shù)據(jù)融合．?dāng)?shù)據(jù)融合是針對(duì)使用多個(gè)或多類傳感器的系統(tǒng)而開(kāi)展的一種信息處理新方法，又被稱作多源關(guān)聯(lián)、多源合成、傳感器混合或多傳感器融合．

在水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在著眾多傳感器，由于水信息監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目種類比較多，包括綜合性指標(biāo)（溶解氧、懸浮物等）、水質(zhì)污染指標(biāo)（生化需氧量、化學(xué)耗氧量、總需氧量等）、水文氣象參數(shù)（流量、流速、水深、潮級(jí)等）．這些指標(biāo)之間存在著一定的關(guān)系需要進(jìn)行融合，比如水質(zhì)方面，水體溫度越高含氧量越低;水文方面，河流下游的水位預(yù)測(cè)可以通過(guò)參考上游節(jié)點(diǎn)來(lái)水流量和下游節(jié)點(diǎn)河道寬度來(lái)評(píng)估．這些都需要在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中加入數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)．

無(wú)線傳感器網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合包括2個(gè)層次，即數(shù)據(jù)包級(jí)與應(yīng)用級(jí)．?dāng)?shù)據(jù)包級(jí)融合又分為無(wú)損融合與有損融合．無(wú)損融合保留所有有效信息，只是對(duì)冗余信息進(jìn)行縮減，比如將具有相同屬性的數(shù)據(jù)重新封裝，去掉重復(fù)的包頭、編號(hào)等冗余信息，以減少信息傳輸量;有損融合是通過(guò)一定的算法，減少數(shù)據(jù)的一部分細(xì)節(jié)，提取出同類數(shù)據(jù)的特征或運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行傳輸，接收端得到的是不完整的或是質(zhì)量下降的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到減少信息傳輸量的目的．系統(tǒng)底層以配置為匯聚功能的終端節(jié)點(diǎn)為中心，構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)，各匯聚節(jié)點(diǎn)再通過(guò)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)逐層匯聚到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并最終到達(dá)上層網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)．在底層網(wǎng)絡(luò)中，由于每個(gè)星形區(qū)域內(nèi)都有若干個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)，若將所有數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)功耗與帶寬來(lái)說(shuō)是不經(jīng)濟(jì)的，因此有必要在底層網(wǎng)絡(luò)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)數(shù)據(jù)融合．而在上層網(wǎng)絡(luò)中，中心節(jié)點(diǎn)除了接收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳來(lái)的水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)還要設(shè)置當(dāng)?shù)靥厥獾乃牡乩硖卣餍畔?、專家的?jīng)驗(yàn)參數(shù)等．而最終的管理和決策就建立在這些信息的基礎(chǔ)上，因此在上層網(wǎng)絡(luò)中還需進(jìn)行一級(jí)應(yīng)用級(jí)融合．

在底層的數(shù)據(jù)融合中，為了提高融合的精度，需要對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后還需對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)濾波處理去除具有疏失誤差的數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理．

3．1GRUBBS 檢測(cè)

由終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)可能會(huì)存在疏失誤差，這種誤差很可能對(duì)后級(jí)的融合產(chǎn)生很大的影響，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合之前，需要對(duì)其進(jìn)行一次濾波，來(lái)濾掉這種具有疏失誤差的數(shù)據(jù)．在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了格拉布斯（GRUBBS）檢測(cè)方法，來(lái)剔除具有疏失誤差的數(shù)據(jù)．GRUBBS法是在標(biāo)準(zhǔn)差未知的情況下對(duì)異常值檢測(cè)的一種方法，可以有效地剔除具有疏失誤差的數(shù)據(jù)．一般來(lái)說(shuō)，同一區(qū)域的水文、水質(zhì)測(cè)量值隨機(jī)誤差均可認(rèn)為是服從正態(tài)分布．系統(tǒng)采用GRUBBS異常值取舍法來(lái)實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的濾波，以水溫為例假定某一匯聚節(jié)點(diǎn)管理區(qū)域內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)所采集的水溫?cái)?shù)據(jù)按從小到大排序后為x1，x2，…，xn，服從正態(tài)分布，令

因此在給定顯著水平a后（一般取a=0．05或a=0．01），就可以通過(guò)查g表找出GRUBBS計(jì)算量的臨界值g0（n，a），根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理，a為gi≥g0（n，a）時(shí)的概率，即小概率事件，在xi服從正態(tài)分布時(shí)不應(yīng)該出現(xiàn)．如果計(jì)算的gi值大于表中的臨界值g0（n，a），則能判斷該測(cè)量數(shù)據(jù)是異常值，可以剔除．可以肯定可疑值不是最小值就是最大值，由于數(shù)據(jù)已按順序排列，下式統(tǒng)計(jì)的是最大值或最小值的gi．

這是因?yàn)樵谶@個(gè)數(shù)據(jù)序列中，最大值與最小值是最有可能出現(xiàn)疏失誤差的，如果最大值和最小值所對(duì)應(yīng)的gi＜g0（n，a），則可以認(rèn)為在這組數(shù)據(jù)中不存在具有疏失誤差的數(shù)據(jù)，若gi≥g0（n，a），則數(shù)據(jù)序列中存在有疏失誤差的數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要算其他數(shù)據(jù)的g值，找到所對(duì)應(yīng)的xi，并將其剔除．

3．2 自適應(yīng)加權(quán)融合

剔除了可疑數(shù)據(jù)后，在保留的有效數(shù)據(jù)中仍然存在著與真實(shí)值具有一定差別的數(shù)據(jù)，這些精度不等的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)確度的貢獻(xiàn)是不同的．在此，引進(jìn)“權(quán)”的概念來(lái)衡量不同數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)精度的貢獻(xiàn)和重要性．通常認(rèn)為，確定“權(quán)”系數(shù)的方法有以下3種：①根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定;②根據(jù)測(cè)量次數(shù)確定;③根據(jù)數(shù)據(jù)的精度參數(shù)確定．在目前的傳感器數(shù)據(jù)融合算法中，比較流行的是自適應(yīng)加權(quán)融合算法與聚類分析方法．兩者均使用方差作為依據(jù)進(jìn)行融合，前者使方差達(dá)到最小分配權(quán)數(shù)，后者根據(jù)方差大小進(jìn)行聚類進(jìn)而確定權(quán)數(shù)．本系統(tǒng)采用自適應(yīng)加權(quán)融合算法來(lái)確定不同傳感器數(shù)據(jù)的權(quán)系數(shù)．

假設(shè)某一匯聚節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有m個(gè)傳感器，其采集到的濕度值分別為x1，x2，…，xm，經(jīng)過(guò)GRUBBS濾波后，剩下的有效數(shù)據(jù)為x1，x2，…，xn，（其中m＞n，均為自然數(shù)），其值相互獨(dú)立，它們的方差分別為，…，，每個(gè)數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)分別為w1，w2，…，wn，進(jìn)而，融合后的值為

可知，每個(gè)傳感器的權(quán)值的大小與此傳感器的方差有關(guān)，傳輸基站將數(shù)據(jù)采集站的數(shù)據(jù)經(jīng)自適應(yīng)加權(quán)融合后，封裝在數(shù)據(jù)幀中，上傳給中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用級(jí)融合處理．

4 結(jié)語(yǔ)

利用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了水信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將嵌入式、無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)，建立了一種通用性很強(qiáng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．并在小范圍內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證，自運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，監(jiān)測(cè)效果較為明顯，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)．并充分實(shí)現(xiàn)了各種信息的融合和共享，豐富了水信息監(jiān)測(cè)的手段，提高了管理水平，節(jié)省了人力物力，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益．

致謝：本研究獲得了河南省教育廳的自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目支持，在此表示感謝!

［1］肖賢建，樊棠懷．水信息獲取與處理技術(shù)及發(fā)展［J］．水利水電科技進(jìn)展，2008，28（1）：86 －90，94．

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