基于Zigbee的水情监测系统的设计

张捐净+张阳

摘要：水情监测系统的设计，主要是将基于Zigbee技术的无线传感器网络应用到信息采集中，在监测区域布置若干终端节点作为监测点，它接收汇聚节点发送的控制命令，进而将采集到的信息传输给汇聚节点。汇聚节点通过RS232和上位机相连，可以实现上位机命令的接收和向上位机传输信息。监测节点采集的数据信息是雨量数据，水位数据以及流速数据。监测网络实现无线传输使用的是CC2520射频芯片，它抗干扰能力强，可以实现信息稳定可靠的传送。实验结果表明，此系统实现了监测点实时采集、通信和控制等功能，极大地节省了功耗，降低了成本，为水情信息监测开辟了一种新的方法，具有广阔的应用前景。

关键词：Zigbee；水情；监测

在诱发河流发生灾害的各种影响因子中，水情数据是最为活跃的因素。依据现有的监测手段获取河流的水情信息可以建立后台河流预警模型，从而规避灾害。因此在河流灾害防治方面，如何采集水情数据就成为了关键的研究重点。近年来由于通信和计算机技术的提高及应用，同时伴随着成本低、测量精度高、稳定可靠性好的传感技术的发展与应用，为设计并实现具有现代化特点的水情监测监测系统提供了一种切实可行的研究策略，这样的系统具有自动化程度高，分布灵活并且安装方便的特点。同时又由于而无线传感器网络（即WSN）采用分布式的网络结构，利用节点自组织的特性，为系统数据信息的获取提供了一种全方位整体式模式，使得它的应用越来越受到用户的青睐。因此本文提出基于Zigbee技术的水情监测系统的设计，目的在于合理实现人工不能到达的恶劣环境中水情数据的获取，该系统不仅能够实现监测点实时采集、通信和控制等功能，而且极大地节省了功耗，降低了成本，为水情信息的监测开辟了一种新的方法，具有广阔的应用前景。

1监测系统整体设计

整个系统的设计由三部分组成，分别是汇聚节点、路由器节点和终端节点。在节点构成的传感网当中，一般只有一个汇聚节点，它负责系统自组织网络的建立，充当协调器的角色。它是用户上位机和网络其他节点的桥梁，负责上位机命令的接收并向外传输，同时负责网络内终端节点数据的接收并上传给上位机；路由器节点主要的功能是保证数据从终端到汇聚节点数据的多跳传輸，因此它能够自动建立并维护路由表，这样即使一个路由器节点损坏，网络内的终端节点可以搜索并发现其他路由节点，申请并加入它们，自动生成一条新的路径保证数据的可靠传输；终端节点也就是传感器节点负责监测区域信息的采集，这些信息主要包括雨量、水位、流速以及温度、湿度等数据，它可以对数据进行简单的处理之后将信息发送至汇聚节点，最后在上位机进行显示。系统的整体结构框图如图1所示。

2系统网络节点的设计

一般无线传感器网络节点组成包括四个部分，分别是传感器模块，处理器模块，通信模块，传感器模块和电源模块，另外根据设计的需要，还可以外扩存储器模块。终端节点负责数据的采集，它包括所有的模块。而对于汇聚节点来说相当于功能强大的终端节点，它主要起到上传下达作用，但是不需要采集数据因此不包括传感器模块，但是与上位机进行通信需要加人通信转换模块RS232；同样对于路由器节点，它的实际作用就是数据信息的中转站，那么它也不包括传感器模块。又因为水情监测系统涉及的信息量不是很庞大，在此采集到的数据信息直接保存在处理器之中。

3系统硬件设计

经过比较分析，系统的硬件设计主要实现系统在野外监测环境下尽可能工作时间长的特性，因此需要具备低功耗的特点。通过比较，选用MSPF5437芯片作为处理器，它不但具有最低的工作能耗而且在1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS；无线通信模块的选用考虑到系统设计的通用性和公用频段的开放性，选择可以为各种应用提供广泛硬件支持的CC2520芯片，它是一款符合zigbee-2006标准的2.4GHz的射频芯片；根据监测系统需要的水情信息，考虑到系统数据采集的精确度和稳定性，要求传感器结构紧凑且安装方便，同时具备低功耗的特性，测量雨情选用用气象变送器WXT520传感器；测量水位选用超声波液位计GLP-71G480；测量流速选用MGC/KL-DCB型便携式明渠流速/流量计，这些传感器控制简单，只需要发送简单的命令就可以控制数据的采集。

4系统通信功能的实现

系统的软件部分主要是网络节点之间的相互通信，以便于数据从终端节点将数据上传到汇聚节点，然后汇聚节点直接和上位机进行通信。终端节点是监测系统的前端触角，负责区域的数据采集，它携带各种传感器，接收汇聚节点的命令进行数据采集。同时考虑到系统的低功耗特点，终端节点不需要一直处于工作状态，设计必要的休眠机制来降低功耗，因此根据系统的水情信息，在监测点设置了水情的阈值和命令控制信息，如果监测点采集的数据没有超出预设值并且没有接收到命令信息，此时终端节点直接暂存数据并不上传输，它处于休眠状态。但是如果采集的数据超出了水情阈值或者是接收到采集命令，此时终端节点的处理器模块就会唤醒发射芯片CC2520，通过无线传输将数据发送给汇聚节点，当然中间需要路由节点的转发实现。终端节点采集信息的流程如图2所示。

监测系统内各种类型的网络节点之间进行的无线通信以及网络的自组织都是基于zigbee 2007协议的，系统设置的工作频段是2.4GHz，采用的是IEEE.15.4标准，在野外恶劣的环境下它具有比较强的抗干扰能力。网络中的各个节点首先要进行初始化，无论是汇聚节点还是终端和路由节点，节点之间相互进行无线通信，需要实现接收和发送的功能。

5结论分析

基于Zigbee的水情监测系统的设计在实验室环境下进行了仿真测试，终端节点分布在各个监测点上，汇聚节点连接上位机，它接收上位机的命令并且向终端发送，以此上位机获得采集到的信息。网络中同时布置了若干路由器节点，便于距离汇聚节点较远的终端进行多跳无线传输信息。图3描述的是上位机发送测试水位的控制命令时，上位机获得信息的情况。实验结果表明，此系统实现了监测点实时采集、通信和控制等功能，极大地节省了功耗，降低了成本，为水雨情信息采集开辟了一种新的方法，具有广阔的应用前景。