基于無線傳感網絡的內河航道航標遙測監管系統

張子航，王澍，田天文

（1.長江蕪湖航道處，安徽 蕪湖 241000；2.長江武漢航道局，湖北 武漢 430014）

根據內河航道航標管理的需要，采用了基于無線傳感網絡的內河航道航標遙測監管系統，采用了ZigBee技術和GPRS 無線通信技術實現了航標遙測數據的遠程傳輸，通過在航標上安裝傳感器，利用傳感器采集的航標遙測數據，實現了對航標狀態信息的監測。實驗結果表明：系統能夠對內河航道中的航標進行遠程實時監測，具有安裝方便、成本低、適用范圍廣、運行穩定等優點，可以用于內河航道航標維護管理。

1 系統設計

內河航道航標遙測監管系統主要由監控中心、航標監控設備和現場監控設備組成[1]。監控中心主要功能是負責整個系統的運行，及時獲取現場航標的狀態信息，并通過GPRS 和ZigBee 網絡將這些信息傳送到遠程控制終端。

1.1 航標監控設備

航標監控設備主要由監控終端和遠程控制終端兩部分組成。監控終端是一個集成了各種傳感器、數據采集和處理的設備，它通過無線傳輸網絡將現場航標的實時狀態信息傳輸到遠程控制終端，并將這些信息以各種方式存儲在相應的數據庫中[2]。監控終端一般安裝在現場航標附近，通過無線網絡與遠程控制終端連接，并通過GPRS 或ZigBee 等無線通信方式將現場航標的狀態信息傳輸到管理中心。

1.2 現場監控設備

現場監控設備是對航標進行監測和控制的核心，其主要功能是實時監測現場航標的各種參數，并根據采集的數據進行分析和處理，一旦發現異常情況，則及時向監控中心發送報警信號[3]。現場監控設備可以采用多種不同類型的傳感器來采集航標的各種信息，如溫度、壓力、流量、水位、氣象等。現場監控設備主要由數據采集終端、傳感器和控制器組成。數據采集終端主要負責采集現場航標的各種參數信息，并將這些信息通過無線網絡傳輸到監控中心。傳感器主要負責對航標狀態進行實時監測，通過內置的溫度、壓力傳感器和流量傳感器等采集航標內部和外部的各種信息，并將這些信息通過無線網絡傳輸到現場監控終端。控制器主要負責對傳感器采集到的數據進行分析處理，并將處理后的數據發送到遠程控制終端，從而實現對現場航標狀態進行遠程監測和控制。

1.3 監控中心

監控中心作為整個系統的核心，主要完成對監控終端和現場監控終端的管理、數據處理、航標狀態監視、告警等功能。監控中心一般采用PC 機作為操作系統，在PC 機上安裝相應的客戶端軟件，實時處理采集到的各個現場航標的狀態信息，并通過無線傳感器網絡將這些信息傳送到遠程控制終端，并通過無線傳感器網絡將這些信息反饋到遠程控制終端。

2 傳感器終端單元

傳感器終端單元是整個系統中的核心部分，它采集的信息是整個系統的基礎[4]。傳感器終端單元主要由航標數據采集模塊、GPRS 模塊、信息顯示模塊和控制裝置等組成，航標數據可將各部分的狀態信息通過無線射頻技術（如圖1 所示）發送到供電電路上，并通過GPRS 無線通信技術將數據傳送到網絡平臺，對航標數據進行處理并向終端設備發送報警指令。

圖1 無線射頻技術

2.1 航標數據采集模塊

航標數據采集模塊由信號采集單元、數據處理單元組成。信號采集單元由微控制器、傳感器、變送器等組成。數據處理單元完成數據的收集和處理，并將收集到的數據通過GPRS 模塊傳輸給遠程控制中心。

航標數據采集模塊內各部分功能如下：

2.1.1 信號采集單元

信號采集單元主要是用來感知外界環境信息的，它的輸出信號是模擬信號，通過變送器進行變換后，再經過信號采集電路轉化為數字信號，然后通過GSM 模塊將數字信號傳送到遠程控制中心。

2.1.2 數據處理單元

數據處理單元主要由微處理器、存儲器和軟件程序等組成。微處理器是整個系統的核心部件，它主要完成對采集到的數據進行處理和存儲，同時也負責與控制中心的通信。在本模塊中采用了基于單片機的自帶A/D 轉換功能的TMS320F2812 型微處理器，它集成了微控制器、存儲器、A/D 轉換器和其他外圍電路。

串口接口電路用于與控制中心進行數據通信；USB接口用于與終端設備進行數據傳輸。

2.2 GPRS 模塊

GPRS 模塊的主要功能是與遠程監控中心進行數據通信。GPRS 模塊數據通信流程如圖2 所示，監控中心通過GPRS 模塊與傳感器終端進行數據交互，實現了數據的無線傳輸。

圖2 GPRS 模塊數據通信流程

GPRS 模塊該模塊支持2G/3G/4G 多模式網絡，能夠提供高速可靠的數據傳輸，特別適合在移動環境下工作。此外，SIM500C 模塊采用了低電壓供電方式，可為設備提供1 年以上的電源保障。SIM500C 模塊工作頻率為2.4GHz，采用了2 個單通道接口和4 個復用器接口，便于與其他終端設備連接。

2.3 信息顯示模塊

信息顯示模塊用于對采集到的航標狀態信息進行顯示，它包含了兩大部分：信息顯示軟件和信息顯示終端。信息顯示軟件用于實現航標狀態信息的動態顯示，也可以設置閾值，當超過設置的閾值時，信息顯示終端會自動向控制裝置發送報警指令。監控中心可向客戶端軟件提供用戶界面，在客戶端上顯示航標實時狀態信息和歷史狀態信息。

3 控制中心單元

控制中心單元是整個系統的核心，主要負責對各個傳感器進行配置和參數設置，并對各個節點的數據進行處理和存儲[5]。同時對采集到的數據進行顯示和存儲。本系統的控制中心單元由數據處理模塊、網絡管理模塊、數據存儲模塊等組成。

3.1 數據處理模塊

數據處理模塊主要完成傳感器數據的處理和分析。首先對采集到的航標狀態信息進行濾波，剔除傳感器信號中的干擾信號。然后利用ZigBee 網絡將采集到的航標狀態信息傳輸到網絡管理模塊中，該模塊完成對航標狀態信息的存儲，并提供一定的歷史查詢功能。

3.2 網絡管理模塊

網絡管理模塊是整個系統的中樞，它負責協調和管理各個ZigBee 節點和GPRS 基站之間的通信。網絡管理模塊可以通過GPRS 基站與監控中心進行通信，并在監控中心提供給用戶一定的界面，用戶可以通過該界面對各個節點采集到的數據進行歷史查詢。

3.3 數據存儲模塊

數據存儲模塊主要負責將采集到的航標狀態信息通過ZigBee 網絡傳輸到網絡管理模塊中，對各個傳感器節點的配置和參數設置，并對采集到的航標狀態信息進行分析和處理，將處理后的數據通過ZigBee 網絡傳輸到網絡管理模塊中。

4 數據傳輸模塊

航標遙測監管系統中數據傳輸模塊采用了ZigBee無線網絡技術和GPRS 無線通信技術，實現了對內河航道中的航標遙測數據的遠程傳輸[6]。ZigBee 無線網絡是一種短距離、低速率的無線網絡技術，它可以工作在低功耗的模式下。它能夠有效地將信息發送到指定的目的節點。它可以支持多個終端節點，每個終端節點都可以有自己獨立的電源和數據處理能力，ZigBee 終端設備在整個系統中作為一個中繼設備。

ZigBee 協議由三個部分組成，即網絡層、應用層和網絡通信協議。網絡層協議用于確定和配置各無線傳感器網絡節點的功能；應用層協議用于向ZigBee 節點傳遞任務、狀態信息等；數據通信協議用于與終端設備進行數據傳輸。

本系統采用了CC2530 芯片作為ZigBee 無線模塊，CC2530 是一款低功耗、低速率的無線通信模塊，其傳輸速率為10Mbps，可在正常工作模式下工作12 個月，當采用休眠模式時，可實現電源自動切換，具有良好的節能特性。

4.1 CC2530 的應用

CC2530 是基于CC2530 芯片生成的無線通信模塊，在使用該模塊時，首先要進行如下設置：①當監聽網絡狀態時，可通過命令方式對終端設備進行管理；②當終端設備處于休眠狀態時，可通過命令方式對終端設備進行管理；③當終端設備處于監聽狀態時，可通過命令方式對終端設備進行管理；④在通信模式下，CC2530 模塊會自動判斷網絡是否可用，如果可用則進行數據傳輸；⑤當網絡出現異常時，CC2530 模塊會自動刪除掉該網絡中的所有節點，同時發送一個命令到該網絡中的其他節點。

4.2 GPRS 網絡的連接

GPRS 是一種基于IP 協議的無線分組數據傳輸技術，其主要功能是將各種數據包從一個網絡傳送到另一個網絡，實現在不同地點的數據交換。GPRS 網絡是由GSM 網發展而來，GPRS 采用GSM 技術，實現了在移動終端和網絡之間的數據傳輸。當移動終端與移動網絡建立連接后，將自動從GPRS 網絡下載相應的數據包。GPRS 模塊主要由數據通道（1×3）、數據通道（2×3）、控制單元（4×3）組成。

航標遙測監管系統中GPRS 模塊主要完成兩項任務：一是將采集的數據包通過GPRS 網絡傳送到遠程服務器，二是將遠程服務器發送來的數據包通過GPRS 網絡傳送到客戶端。利用GPRS 模塊，可以實現對內河航道航標遙測數據的遠程傳輸，同時還可以利用無線傳感器網絡技術對采集到的航標遙測信息進行實時監控。

4.3 系統軟件設計

系統軟件的設計包括GPRS 通信程序、ZigBee 節點程序和上位機監控軟件三部分。GPRS 通信程序是對無線傳感器網絡節點進行初始化、建立連接、數據交換、通信協議等操作的過程，主要包括GPRS 通信初始化、命令控制等部分，最終實現對航標遙測數據的遠程傳輸。在上位機接收數據時，只采用單一線程，那么用戶在查詢歷史數據時，就會造成數據接收延遲，為避免這一現象，系統在接收命令程序中，采用了定時器和中斷服務相結合的方式，當接收到ZigBee終端設備發出的命令時，通信過程中采用串口接收外部數據包，可實現對數據包的實時接收。通過定時器來調用中斷服務程序，并使之中斷。

5 結論

總的來說，本系統通過ZigBee 技術和GPRS 無線通信技術實現了對內河航道航標的遙測監管，實現了對內河航道航標遙測數據的遠程傳輸。利用傳感器采集航標狀態信息，采用ZigBee 技術實現了航標遙測數據的遠程傳輸，為內河航道航標維護管理提供了一種有效的手段。可以實現多座單座航標處對多個單座航標進行監測。