基于ZigBee網絡的河南省水土保持在線監測系統設計

□張　茹（河南省水土保持監督監測總站）

基于ZigBee網絡的河南省水土保持在線監測系統設計

□張茹（河南省水土保持監督監測總站）

文章探索提出了水土保持在線監測方案，該方案著重探索了利用 Zi gBee技術在小范圍無線通信方面的優點，結合G PRS網絡，根據水土保持監測的技術指標和現場調查情況，在樹形拓撲結構的幫助下，形成無線自動化的水土保持監測網絡體系，由此使得水土保持監測工作變得更加簡單快捷。

水土保持監測；Zi gBee網絡；無線傳感器；拓撲結構

1　引言

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

圖1　水土保持監測數據的信息系統平臺圖

圖2　水土保持無線傳感器網絡的體系結構圖

2　系統總體結構分析

隨著水土保持監測網絡體系的不斷完善，相關的信息系統二期建設工作也在大力開展過程中，這使得區域的水土監測建設工作在更加好的環境下開展。以河南省為例，經過一段時間的努力，建立起1個監測總站，6個監測分站，29個監測點的管理結構，初步形成了相對完善的監測體系，這為河南省水土保持監測工作的開展打下了良好的基礎。通過升級現有監測站網設備和培訓操作人員等方式，建成物聯網在線監測水土流失和發布水土保持監測數據的信息系統平臺是可行的，（見圖1）

水土保持在線監測無線傳感器網絡系統用于及時綜合監測徑流場、小流域、開發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絡體系結構組成。ZigBee技術和傳感器的結合就形成了無線傳感器網絡。在特定的水土流失環境部署所需的降雨、徑流、泥沙等參數傳感器節點，各節點設備能根據自身節點類型，執行下列的操作：其一，自建網絡；其二，在必要的情況下，實現數據信息的轉發；其三，依照要求，實現各種數據信息的采集。在此基礎上以無線的方式，傳送給協調器，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網絡通過與其他遠程數據傳輸設備相連，傳輸給遠程管理設備，進行實時監控、分析和處理水土保持監測數據。基于物聯網架構的水土保持監測系統由ZigBee網絡、GPRS網關以及在線水土保持監測數據的信息系統平臺組成，見圖3。

圖3　基于無線傳感器網絡的水土保持動態監測系統圖

ZigBee網絡從理論上來講，其價值主要體現在：數據采集和數據傳輸。其運行原理是：在協調器節點，路由節點和傳感器節點的幫助下，實現對于不同節點之間數據的采集和傳輸。也就是說，在每個監測點都存在協調器節點，路由器節點和傳感器節點，正是在這些節點的幫助下，使得信息數據能夠得以采集和傳輸。目前，急需對水土保持監測的重要指標如：降雨量、徑流、泥沙等進行實時在線采集分析。根據目前市場上現有的監測傳感器類型，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網絡監測節點。每一種傳感器采集一個指標數據，每個傳感節點掛接一種傳感器，網絡采用樹形拓撲結構進行組網，傳感節點發揮的作用在于協作感知，在獲取水土保持參數信息之后，會以路由器節點傳遞的方式，將其傳輸給協調器節點，此時協調器節點的價值在于：采集監測點的指標參數，并且以互聯信號的方式傳送給總站管理系統，通過對信息進行規整，將其納入到對應的水土監測數據信息系統中去，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據的存儲、顯示和數據共享，用戶按照一定權限可以觀察、記錄監測區域的水土保持狀況，為相關業務提供大數據支持。

3　Zi gBee網絡拓撲結構的設計

水土保持監測對象通常是較大面積地域單元，節點多，如果遇到地域單元結構復雜，外界影響因素不確定的情況，此時就要求無線通信技術能夠以更高的水準來運行，否則就會影響到整個系統的運行。對于ZigBee協議規范而言，其網絡拓撲結構主要涉及到三種：其一，星形結構；其二，樹形結構；其三，網狀結構。上述三種結構的共同點在于：都具有一個協調器和多個無線設備，這是其基本的結構模式；三者之間的不同點體現在：星形結構拓撲屬于最為簡單的結構模式，運用這種模式，設備之間的通信都是在協調器的幫助下，以轉發的方式來進行的，也就是說其節點數量比較少，這就注定其應用的范圍會受到局限；樹形拓撲結構最大的特點在于，不僅僅具備比較好的可靠性，還能夠將自身的功耗降低到最小的范圍；至于網狀拓撲模式，其需要設置很多的設備，結構也表現出復雜性的特點，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、徑流場監測的流動性變化特點，可能會導致節點布置位置產生變化。因此，采用隨機地址分配方式的Z-Strack協議棧，比較適合用于經常變動的網絡將根據節點布置的不同位置，形成合適的拓撲結構，靈活性高，組網方便，投入少。

4　水土保持監測網絡的總體方案

在系統設計的過程中，最為關鍵的環節應該是：數據采集模塊設計環節。因為網絡節點一般會對于以下因素提出對應的要求：其一，節點功耗要處于合理的狀態；其二，覆蓋能力要能夠滿足需求；其三，網絡運行要保證穩定。在上述三個因素的基礎上，選擇合適的系統組網方式。根據目前常用星型拓撲、樹型拓撲和網狀拓撲等拓撲結構的類型及其特點，在分析眾多因素之后，設計過程運用樹型拓撲結構，進而實現對應組網模式的選取。一般情況下，其設備主要牽涉到：協調器，路由器和傳感器，在上述設備結構的幫助下，不僅僅可以展現出眾多拓撲結構的優勢，還可以使得其運用的環境得到改善和調整。在此過程中還需注意的是：僅僅依靠單一節點的數據監測，是難以保證監測數據信息的有效性的，如果對應節點出現了損壞的情況，此時就會造成數據信息的失真，為了解決這樣的問題，一般都會在同樣的監測點安置兩個相同的傳感節點。如圖3所示，每個監測點放置一個由1 個ZigBee協調器、2個ZigBee路由器和4個傳感節點（2組節點）組成的ZigBee網絡。ZigBee網絡的有效運行，還需要對于網絡設備的地址進行合理的規劃和安排。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。在節點地址進行計算的過程中，主要會運用到多項參數信息：其一，設備體系能夠容納的子設備數量；其二，網絡能夠達到的最大深度；其三，子設備能夠允許的路由數量；其四，父設備能夠給子設備提供的地址數量。

設計中的水土保持監測無線傳感網絡中主要有三個節點：協調器負責建立網絡、信息收集、存儲和處理；路由器負責數據的轉發，擴展傳輸距離；終端設備負責水土流失參數的采集，并且將其傳輸給父節點；在協調器和互聯網數據信息相融合的過程中，使得內部與外部之間能夠達到通信的狀態。對于水土保持監測無線傳感器網絡而言，在進行優化設計的過程中，主要運用到以下的技術方案：其一，在結構方面，選擇ZigBee網絡執行協議棧Z-track實現無線傳感網絡的構建；其二，在設備方面，以協調器節點，路由器節點和多個傳感器節點形成；其三，在通信方面，在協調器網絡建立動作完成之后，以此為網關節點，實現GPRS信號模塊的連接，使得內部數據與外部網絡達到融合的狀態；其四，在運作方面，路由器的價值在于實現數據信息的轉發，傳感器的價值在于實現參數信息的監測，分析和存儲，并且將其轉發給協調器，協調器在進行信息處理和分析之后，會將信息傳送給互聯網節點模塊，接著就需要將對應的信息傳輸到管理系統平臺的中心數據庫中去，其中上位機的效能在于對于數據的有效性進行判別。具體來講，可以參照3圖示，這就是ZigBee網絡水土監測系統發揮效能的全過程。

5　結果與結論

采用本系統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，監測數據見表1。

表1　實驗數據成果表

實驗結果表明：系統運行正常，較為正確的反映了所在區域的年降雨量和年徑流量為水土保持動態監測和其合理開發利用提供了重要的技術支撐。

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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，主要從事區域水土保持監測和環境工作。

2016-04-19