便携式水环境无线监测网管理终端设计

林志贵，刘晓峰，扬子原，陈珍星

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津　300387；2.天津工业大学天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津　300387；3.国家海洋技术中心 近海海洋环境观测与监测技术研究室，天津　300112）

便携式水环境无线监测网管理终端设计

林志贵1，2，刘晓峰1，2，扬子原3，陈珍星1，2

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；2.天津工业大学天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津300387；3.国家海洋技术中心 近海海洋环境观测与监测技术研究室，天津300112）

结合水环境无线监测网实时配置、监控和数据分析要求，基于终端管理思想，构建便携式水环境无线监测网管理终端.该终端采用双层结构化设计方案，基于模块化设计思想进行软硬件设计以便于管理终端的更新和维护.测试结果表明：该管理终端能够实现监测节点工作状态、采样频率、通信半径、网络路由的配置，对监测节点的工作状态、采样频率、通信半径、剩余能量、路由等进行监测，并可分析历史监测数据，为分析管理水环境监测数据提供了新的平台.

水环境监测；无线传感器网络；管理终端；便携式

水环境无线监测网将大量采集水环境数据的传感器节点（数量从几百到几千个）布置到监测水域，节点通过自组织形成一个无线网络，实现对区域水环境的实时在线监测，这为水环境监测提供了一种新手段［1-5］.网络监测过程中，水环境可能出现突发事件如污染物排放、油轮泄漏等，导致数据传输量猛增，造成网络中的节点能量耗尽导致失效，需要实时对其进行配置和管理［6］；同时也需要对这些突发事件带来的数据进行分析，为水环境保护提供依据.因此，对于一种便于实时、快捷地对网络进行配置、监控和数据分析的管理终端的需求越来越紧迫.

目前，一些学者采用客户端/服务器（C/S）模式，设计开发无线传感器网络水质监测系统［7-10］.这种系统由信息采集、传输和监控中心3部分组成.该系统的网络结构单一固定，主要完成数据采集、分析等功能.监测中心是整个网络实现管理、控制、分析等功能的指挥中心，通常位于固定区域，体积庞大.有些学者对无线传感网络提出管理终端设计的思想，如Linnyer等［11］设计了MANNA无线传感器网络的管理框架；Deb等［12］提出层次式WSN网络管理框架sNMP，通过定义网络模型以及网络管理，实现对网络能量图、网络拓扑等管理，有效地减少网络拓扑建立时的能量消耗.

经过文献分析，有关水环境无线监测网络的管理终端设计未见报道，因此本文在水环境无线监测网基础上，基于管理终端的思想，结合便携式要求，构建便携式水环境无线监测网管理终端.该终端能够对监测节点的工作状态、采样频率、通信半径、剩余能量、路由等进行监测，并能够对监测数据进行分析.

1　系统设计架构

水环境无线监测网由传感器节点、汇聚节点、基站以及监控中心组成，如图1所示.在原有监控中心基础上，增加便携式管理终端，为监测人员出差在外或巡视监测现场时使用.当管理终端建立链接后，向监控中心发出网络管理请求，获得监控中心授权后对网络进行管理.监测人员通过便携式管理终端对整个网络进行配置、管理和分析，实现实时、快速地与远程基站通信，发布监测任务及收集数据监测命令.

图1　水环境无线监测网示意图Fig.1　Structure diagram of water environment wireless monitoring networks

1.1功能设计

管理终端的功能结构如图2所示.便携式管理终端主要有3大功能：①配置功能，初始化路由网络，配置节点状态，节点状态分为工作状态、采样频率及通信半径.②监控功能，对区域的水质参数进行监控，实现水质参数的实时数据显示和存储，以及节点数据的查询，便于监测人员及时掌握区域水质参数的动态变化；对网络路由以及节点状态进行监控及显示，以便监测人员即时了解网络状态.③电源电压预警功能，实现对管理终端的电量信息实时采集及分析，为其正常工作提供保障.

图2　管理终端功能结构框图Fig.2　Function structure diagram of management terminal

1.2结构设计

考虑到便携式管理终端的更新和维修方便，采用双层结构化设计方案，如图3所示.上层为触摸屏；下层为主控电路、GPRS模块的外围电路和电源电路.两层之间通过数据排线连接.

图3　管理终端结构设计框图Fig.3　Structure design diagram of management terminal

2 　系统软硬件设计

2.1硬件设计

便携式管理终端硬件方案如图4所示，由可视化模块、主控模块、电源模块和无线通信模块组成.可视化模块采用触摸屏通过串行接口与主控模块通信.监测人员通过触摸屏输入对网络的配置命令及监控命令，通过串口传给主控模块；主控模块将监测、查询信息上传至触摸屏，实现对网络中节点状态和初始化路由信息的配置，对节点状态、路由信息以及水质参数进行实时监控，实现数据和节点工作状态的查询.

主控模块一方面接收触摸屏发送的配置和监控信号，将该信号转化为无线通信模块可识别的信息格式发送至无线通信模块，同时给触摸屏反馈监控信息；另一方面主控模块接收无线通信模块传来的数据及反馈信息，对数据进行分析处理及存储，将相关信息传送至触摸屏显示.水环境无线监测网中，监测节点通过ZigBee通信方式将采集到的数据传给基站，基站通过GPRS通信方式把数据传给便携式管理终端.管理终端无线通信模块由GPRS无线模块及辅助电路组成，通过串行接口与外部处理器通信，实现无线数据的发送和接收.

考虑到管理终端便于携带的特点，电源采用锂电池供电，其结构如图5所示.根据系统所需电源电压（+5 V、+3.8 V及+3.3 V）、电流以及锂电池放电特性，该终端采用TI电源管理芯片TPS65581对电池放电进行管理，满足系统所需电压.

图4　管理终端硬件设计框图Fig.4　Hardware design diagram of management terminal

图5　电源模块结构框图Fig.5　Diagram of power module structure

2.2软件设计

为便于升级及测试，软件设计采用模块化设计思想，由可视化设计、系统软件设计及通信程序设计3大模块组成，其结构如图6所示.管理终端采用EEPROM存储器对基站传来的数据进行存储，为数据查询和处理提供条件.

图6　管理终端软件设计结构图Fig.6　Software design structure diagram of management terminal

可视化界面图片设计逻辑如图7所示，主要由登录主界面、配置主页面以及监控主页面构成，各个主页面分别由多个子页面组成.界面下载到触摸屏，触摸屏与主控模块之间采用串口通信，当触摸屏发出命令，触摸屏命令标志位置位.主控模块通过判断命令是网络配置命令还是监控命令，选择执行网络配置操作或监控操作.

图7　界面图片设计逻辑图Fig.7　Interface picture design logic diagram

触摸屏处理程序流程如图8所示.程序首先清除标志位并对命令功能进行判断.若是监控命令，将监控信息转发给基站，启动EEPROM读取程序读取数据，若读取失败则重新读取；若读取成功，则将数据发送至触摸屏显示.若不是监控命令，判断命令是否是监测网配置信息.若不是配置命令，则结束程序；若是配置命令，启动GPRS发送程序发送配置信息，判断是否成功发送，如果没有发送成功，重发；否则，结束程序.

主程序包括芯片初始化、触摸屏处理程序、GPRS接收程序以及电压监测程序，其流程图如图9所示.便携式管理终端上电之后，首先关闭看门狗，初始化芯片；然后打开看门狗，开中断，管理终端进入主循环阶段.如果检测到触摸屏有命令传来，程序分析处理触摸屏命令，将配置信息通过GPRS发送出去或者将要显示的内容回发给触摸屏显示.如果触摸屏没有接收到命令，继续执行主循环程序；否则启动GPRS接收程序接收数据，终端对数据进行分析、存储等处理.如果GPRS接收到数据，继续执行主循环程序.如果检测到电压监测标志位置位，对电源电压进行检测并判断是否超限，若超限系统产生报警信号，提醒监测人员及时更换电池，保证管理终端的工作正常进行.

图8　触摸屏处理流程图Fig.8　Flow diagram of data procession in touch screen

图9　主程序流程图Fig.9　Main flow diagram

3 　系统测试及分析

3.1配置功能测试

便携式管理终端具有对水环境无线监测网进行初始化配置功能，包括对网络中的节点状态、采样频率、通信半径进行配置，对网络的路由协议初始化配置.系统上电后，输入登录名和密码之后点击登录即可进入配置页面，配置节点工作状态、采样频率和通信半径.图10为节点工作状态配置界面，输入所要配置的节点编号及节点状态，“1”表示节点正常工作，“0”表示节点休眠.受便携式管理终端软硬件的限制，监测节点编号最大能达到5400.可以选择路由算法，便携式管理终端发送算法代号、监测区域大小、节点的数目以及节点的位置信息至基站，配置监测节点使用路由协议组网，传输数据.

图10　节点状态配置界面图Fig.10　Configuration interface picture of nodes states

3.2监控功能测试

便携式管理终端能够监测水环境无线监测网的节点工作状态、采样频率、通信半径、剩余能量、路由、水质参数pH、温度和盐度等以及查询显示历史数据，如图11所示.

图11　水环境数据监测图Fig.11　Data monitoring picture of water environment

图11左半部分为节点数据参数的列表，第1列是监测节点编号，显示范围为1至9 999；第2列为监测水域的pH，显示范围为2至10.正常海水的pH稳定在7.9～8.4之间，监测结果显示水环境pH在8.0左右，属于正常范围；第3列为水体温度，显示范围为-5～30℃，正常的海水温度变化在-2～30℃之间，满足要求；第4列为盐度，显示范围为0～30%，单位为g/kg，水环境的盐度值在0.7%～3.8%之间，满足要求.图11右半部分为节点数据的曲线显示，从上到下依次为pH曲线、盐度曲线和温度曲线.通过曲线图可以清晰地观察某一时刻所有节点的各个参数，分析曲线可判断水质是否出现异常.

图12为节点状态监控图，第1列为监测节点编号，显示范围为1～9 999；第2列为节点采样频率，表示节点每小时采样的次数，根据水环境变化缓慢的特点，监测显示为每小时进行20次采样；第3列为通信半径，通信距离不超过50 m.系统的通信距离范围为0～99 m，监测结果显示节点通信半径为30 m.

图12　监测网节点状态监控图Fig.12　Status monitoring picture of monitoring network nodes

图13为节点剩余能量监测图，左半部分为每个节点的剩余能量数据列表显示，其中第1列为监测节点编号，第2列为节点剩余能量，单位为mW/h.图13右半部分为节点剩余能量曲线显示，若曲线上出现低凹严重的节点，说明该节点能量消耗大.监测人员通过监测节点剩余能量，对能量较低的监测节点进行休眠配置，降低节点功耗.

图13　监测网节点剩余能量监测图Fig.13　Surplus energy picture of monitoring network nodes

测试路由选择基于地理位置的多跳分簇路由算法（GEEMHCR）［13-15］，如图14所示.图14（a）第1列为当前监测节点编号，第2列为当前监测节点的父节点，第3列为当前监测节点的子节点数目.通过路由列表可观察当前监测节点的父节点以及子节点数目. 图14（b）中，监测节点的子节点清晰可见，路由信息更加直观.

图14　路由监测显示图Fig.14　Picture of monitoring router

便携式管理终端提供历史数据查询功能.图15所示为节点2的历史数据查询图，左边为节点在24次监测中的剩余能量变化曲线图，右边为pH、盐度和温度的变化曲线图.4条曲线均以月份作为横坐标，每个月的2个刻度表示2次监测.节点剩余能量曲线近似一条斜率为负的直线，表示节点剩余能量随着使用次数逐渐减少；pH曲线在监测过程中没有太大变化；盐度曲线在五月的第2个刻度处有很明显的凸起，说明该段时间水质有异常；水温曲线缓慢上升又缓慢下降，受到外界气温的影响，属于正常变化.

图15　节点历史数据查询Fig.15　Historical data inquiry of nodes

4 结语

在分析配置、监控、电源电压预警功能的基础上，便携式水环境无线监测网管理终端采用双层结构的结构化设计方案，便于管理终端的更新和维护.终端的硬件设计采用模块化设计思想，由可视化模块、主控模块、电源模块和无线通信模块组成.可视化模块采用触摸屏，便于用户使用；主控模块采用ARM Cortex-M0+内核处理器设计，满足其处理速度要求.软件设计也采用模块化设计思想，将不同功能模块的程序单独编写及封装，仅留下函数调用接口和参数，方便其它程序调用.经过软硬件联调测试，分别对便携式管理终端的系统配置功能、监控功能进行测试.结果表明，便携式管理终端能够配置监测节点工作状态、采样频率、通信半径、网络路由以及分析节点的剩余能量和历史监测数据.

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Design of portable management terminal in water environmental wireless monitoring network

LIN Zhi-gui1，2，LIU Xiao-feng1，2，YANG Zi-yuan3，CHEN Zhen-xing1，2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and Systems，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.Laboratory of Marine Environment Observation and Monitoring Technology of Offshore，National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China）

Combined with real-time collecting data and quickly configuring network，monitoring and analyzing data，a portable management terminal in water environmental wireless sensor monitoring network is designed on management terminal method.Two-tier structure was adopted，its hardware and software were designed based on the modular design idea in the management terminal，which is convenient to update and maintain the management terminal.Results of test show that the management terminal can accomplish configuration of working status，sampling frequency，communication radius and network router of monitoring nodes，and monitor of working condition，sampling frequency，communication radius，surplus energy and network router of monitoring nodes，as well as analyze the historical monitoring data，which provides a new platform for analysis and management of water environment monitoring data.

water environment monitoring；wireless sensor network；management terminal；portable

TP391

A

1671－024X（2016）04－0075－06

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.04.013