□張　茹（河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站）

基于ZigBee網(wǎng)絡的河南省水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

□張茹（河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站）

文章探索提出了水土保持在線監(jiān)測方案，該方案著重探索了利用 Zi gBee技術(shù)在小范圍無線通信方面的優(yōu)點，結(jié)合G PRS網(wǎng)絡，根據(jù)水土保持監(jiān)測的技術(shù)指標和現(xiàn)場調(diào)查情況，在樹形拓撲結(jié)構(gòu)的幫助下，形成無線自動化的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡體系，由此使得水土保持監(jiān)測工作變得更加簡單快捷。

水土保持監(jiān)測；Zi gBee網(wǎng)絡；無線傳感器；拓撲結(jié)構(gòu)

1　引言

近些年來，中國水土保持自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設和應用技術(shù)有了巨大的進步，所建系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，為水土保持預防和監(jiān)督的決策提供了依據(jù)和參考，但整體的智能化水平還比較低，其中信息采集、傳輸手段和技術(shù)比較落后，信息時效性差，不能滿足對數(shù)據(jù)實時、快速、準確的監(jiān)測要求。文章提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡和GPRS遠程通信架構(gòu)的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，采用無線通信技術(shù)進行組網(wǎng)，對水土保持監(jiān)測中的重要技術(shù)指標進行遠程實時在線監(jiān)測。經(jīng)多個行業(yè)廣泛測試表明，系統(tǒng)運行較為可靠，應在水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)建設上具有一定的探索前景。

圖1　水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)平臺圖

圖2　水土保持無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析

隨著水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡體系的不斷完善，相關(guān)的信息系統(tǒng)二期建設工作也在大力開展過程中，這使得區(qū)域的水土監(jiān)測建設工作在更加好的環(huán)境下開展。以河南省為例，經(jīng)過一段時間的努力，建立起1個監(jiān)測總站，6個監(jiān)測分站，29個監(jiān)測點的管理結(jié)構(gòu)，初步形成了相對完善的監(jiān)測體系，這為河南省水土保持監(jiān)測工作的開展打下了良好的基礎(chǔ)。通過升級現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng)設備和培訓操作人員等方式，建成物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測水土流失和發(fā)布水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)平臺是可行的，（見圖1）

水土保持在線監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)用于及時綜合監(jiān)測徑流場、小流域、開發(fā)建設項目水土流失變化情況并作出報警。如圖2所示說明了傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)組成。ZigBee技術(shù)和傳感器的結(jié)合就形成了無線傳感器網(wǎng)絡。在特定的水土流失環(huán)境部署所需的降雨、徑流、泥沙等參數(shù)傳感器節(jié)點，各節(jié)點設備能根據(jù)自身節(jié)點類型，執(zhí)行下列的操作：其一，自建網(wǎng)絡；其二，在必要的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)；其三，依照要求，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息的采集。在此基礎(chǔ)上以無線的方式，傳送給協(xié)調(diào)器，接著就是對對應的信息進行存儲和處理，此操作完成之后就會將其傳輸給上位機，接下來的分析工作就由上位機來完成。ZigBee網(wǎng)絡通過與其他遠程數(shù)據(jù)傳輸設備相連，傳輸給遠程管理設備，進行實時監(jiān)控、分析和處理水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)。基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的水土保持監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)關(guān)以及在線水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)平臺組成，見圖3。

圖3　基于無線傳感器網(wǎng)絡的水土保持動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)圖

ZigBee網(wǎng)絡從理論上來講，其價值主要體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。其運行原理是：在協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由節(jié)點和傳感器節(jié)點的幫助下，實現(xiàn)對于不同節(jié)點之間數(shù)據(jù)的采集和傳輸。也就是說，在每個監(jiān)測點都存在協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由器節(jié)點和傳感器節(jié)點，正是在這些節(jié)點的幫助下，使得信息數(shù)據(jù)能夠得以采集和傳輸。目前，急需對水土保持監(jiān)測的重要指標如：降雨量、徑流、泥沙等進行實時在線采集分析。根據(jù)目前市場上現(xiàn)有的監(jiān)測傳感器類型，選擇了其中的降雨量、徑流量2個重要指標進行實驗（圖2），探索組建ZigBee網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點。每一種傳感器采集一個指標數(shù)據(jù)，每個傳感節(jié)點掛接一種傳感器，網(wǎng)絡采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，傳感節(jié)點發(fā)揮的作用在于協(xié)作感知，在獲取水土保持參數(shù)信息之后，會以路由器節(jié)點傳遞的方式，將其傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點，此時協(xié)調(diào)器節(jié)點的價值在于：采集監(jiān)測點的指標參數(shù)，并且以互聯(lián)信號的方式傳送給總站管理系統(tǒng)，通過對信息進行規(guī)整，將其納入到對應的水土監(jiān)測數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)中去，方便將其作為水土保持工作的儲備信息。服務器管理程序主要負責數(shù)據(jù)的存儲、顯示和數(shù)據(jù)共享，用戶按照一定權(quán)限可以觀察、記錄監(jiān)測區(qū)域的水土保持狀況，為相關(guān)業(yè)務提供大數(shù)據(jù)支持。

3　Zi gBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的設計

水土保持監(jiān)測對象通常是較大面積地域單元，節(jié)點多，如果遇到地域單元結(jié)構(gòu)復雜，外界影響因素不確定的情況，此時就要求無線通信技術(shù)能夠以更高的水準來運行，否則就會影響到整個系統(tǒng)的運行。對于ZigBee協(xié)議規(guī)范而言，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)主要涉及到三種：其一，星形結(jié)構(gòu)；其二，樹形結(jié)構(gòu)；其三，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。上述三種結(jié)構(gòu)的共同點在于：都具有一個協(xié)調(diào)器和多個無線設備，這是其基本的結(jié)構(gòu)模式；三者之間的不同點體現(xiàn)在：星形結(jié)構(gòu)拓撲屬于最為簡單的結(jié)構(gòu)模式，運用這種模式，設備之間的通信都是在協(xié)調(diào)器的幫助下，以轉(zhuǎn)發(fā)的方式來進行的，也就是說其節(jié)點數(shù)量比較少，這就注定其應用的范圍會受到局限；樹形拓撲結(jié)構(gòu)最大的特點在于，不僅僅具備比較好的可靠性，還能夠?qū)⒆陨淼墓慕档偷阶钚〉姆秶?；至于網(wǎng)狀拓撲模式，其需要設置很多的設備，結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出復雜性的特點，前期需要很大的投入，但是在建成之后，就會表現(xiàn)出很高的可靠性，這一點是難能可貴的。由于小流域、徑流場監(jiān)測的流動性變化特點，可能會導致節(jié)點布置位置產(chǎn)生變化。因此，采用隨機地址分配方式的Z-Strack協(xié)議棧，比較適合用于經(jīng)常變動的網(wǎng)絡將根據(jù)節(jié)點布置的不同位置，形成合適的拓撲結(jié)構(gòu)，靈活性高，組網(wǎng)方便，投入少。

4　水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡的總體方案

在系統(tǒng)設計的過程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)應該是：數(shù)據(jù)采集模塊設計環(huán)節(jié)。因為網(wǎng)絡節(jié)點一般會對于以下因素提出對應的要求：其一，節(jié)點功耗要處于合理的狀態(tài)；其二，覆蓋能力要能夠滿足需求；其三，網(wǎng)絡運行要保證穩(wěn)定。在上述三個因素的基礎(chǔ)上，選擇合適的系統(tǒng)組網(wǎng)方式。根據(jù)目前常用星型拓撲、樹型拓撲和網(wǎng)狀拓撲等拓撲結(jié)構(gòu)的類型及其特點，在分析眾多因素之后，設計過程運用樹型拓撲結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)對應組網(wǎng)模式的選取。一般情況下，其設備主要牽涉到：協(xié)調(diào)器，路由器和傳感器，在上述設備結(jié)構(gòu)的幫助下，不僅僅可以展現(xiàn)出眾多拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，還可以使得其運用的環(huán)境得到改善和調(diào)整。在此過程中還需注意的是：僅僅依靠單一節(jié)點的數(shù)據(jù)監(jiān)測，是難以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的有效性的，如果對應節(jié)點出現(xiàn)了損壞的情況，此時就會造成數(shù)據(jù)信息的失真，為了解決這樣的問題，一般都會在同樣的監(jiān)測點安置兩個相同的傳感節(jié)點。如圖3所示，每個監(jiān)測點放置一個由1 個ZigBee協(xié)調(diào)器、2個ZigBee路由器和4個傳感節(jié)點（2組節(jié)點）組成的ZigBee網(wǎng)絡。ZigBee網(wǎng)絡的有效運行，還需要對于網(wǎng)絡設備的地址進行合理的規(guī)劃和安排。對于本次設計而言，使用分布式地址分派的方式，才完成此項工作。在節(jié)點地址進行計算的過程中，主要會運用到多項參數(shù)信息：其一，設備體系能夠容納的子設備數(shù)量；其二，網(wǎng)絡能夠達到的最大深度；其三，子設備能夠允許的路由數(shù)量；其四，父設備能夠給子設備提供的地址數(shù)量。

設計中的水土保持監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡中主要有三個節(jié)點：協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡、信息收集、存儲和處理；路由器負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，擴展傳輸距離；終端設備負責水土流失參數(shù)的采集，并且將其傳輸給父節(jié)點；在協(xié)調(diào)器和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息相融合的過程中，使得內(nèi)部與外部之間能夠達到通信的狀態(tài)。對于水土保持監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡而言，在進行優(yōu)化設計的過程中，主要運用到以下的技術(shù)方案：其一，在結(jié)構(gòu)方面，選擇ZigBee網(wǎng)絡執(zhí)行協(xié)議棧Z-track實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡的構(gòu)建；其二，在設備方面，以協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由器節(jié)點和多個傳感器節(jié)點形成；其三，在通信方面，在協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡建立動作完成之后，以此為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)GPRS信號模塊的連接，使得內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部網(wǎng)絡達到融合的狀態(tài)；其四，在運作方面，路由器的價值在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，傳感器的價值在于實現(xiàn)參數(shù)信息的監(jiān)測，分析和存儲，并且將其轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在進行信息處理和分析之后，會將信息傳送給互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點模塊，接著就需要將對應的信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)平臺的中心數(shù)據(jù)庫中去，其中上位機的效能在于對于數(shù)據(jù)的有效性進行判別。具體來講，可以參照3圖示，這就是ZigBee網(wǎng)絡水土監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮效能的全過程。

5　結(jié)果與結(jié)論

采用本系統(tǒng)對河南省嵩縣胡溝小流域控制站的降雨量、徑流量進行了實驗，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1　實驗數(shù)據(jù)成果表

實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)運行正常，較為正確的反映了所在區(qū)域的年降雨量和年徑流量為水土保持動態(tài)監(jiān)測和其合理開發(fā)利用提供了重要的技術(shù)支撐。

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（責任編輯：韋詩佳）

S157

C

1673-8853（2016）07-0019-03

張茹（1980-），女，工程師，主要從事區(qū)域水土保持監(jiān)測和環(huán)境工作。

2016-04-19