基于物联网的水文监测系统设计

2015-03-27 09:27:11   来源:ck365   

关键字: 物联网  水文监测系统  预测模型

0 引 言

我国作为一个水资源缺乏的国家,水资源应该得到充分合理的利用,水文参数监测是水资源合理利用的基础,水域水文参数资料涉及到我国的核心经济利 益。相比于国外的水文监测工作而言,国内水文监测还处于起步阶段。目前的水文监测工作还是采用比较原始的工作方式,即人工采样, 采用手持便携式监测仪或实验室分析。这种工作方式存在采样频率低、无法实时监控、不能反映水体水质参数的连续动态变化等缺点。同时,由于水文参数监测( 如溶解氧、PH 值等) 往往存在分布范围广、不易到达、取样时间不固定、取样困难等特点[1],采用现有人工取样、有线或者无线组网等方式组成测试系统通常都会存在施工困难,维 护保障不容易,以及升级困难等弱点。

随着网络技术和通信技术的快速发展,物联网技术由于其短距离传输、低复杂度、低功耗、自组网等特点,被广泛应用在工业控制环境检测与预报、建筑 物状态监控、医疗护理、智能家居、空间探索以及军事等领域。物联网终端节点成本低廉,可以很方便地实现不同水域部署,并能保证数据采集的广度和精度,可为 大范围水文资料监测提供数据基础[2]。为此,针对水文参数总体及局部监测的需求,本文提出了以水文参数检测传感器作为终端测试节点,以物联网技术作为通 信平台,并以Linux 系统作为软件基础平台来构建水文参数监测系统,从而实现对区域水文参数的远程实时检测。

1 硬件监测平台构建

基于物联网技术的水文参数监测系统的硬件架构主要包括水文参数终端节点( 水温测试、溶解氧测试等)、网关路由节点( 中心网关、边缘网关)、远程中心监控节点等三个主要部分, 每种节点完成不同的功能。基于物联网技术的水文参数监测系统与传统水文参数监测系统的不同,主要表现在新的水文监测系统的终端节点的电源管理、网络路由算 法、网络通信协议以及中心监控软件系统的不同。基于物联网技术的水文监测系统结合了最新网络技术和水文参数监测技术,通信工作频段兼顾了中国和国际标准, 主要包括780

 

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图1 水文监测物联网系统拓扑图

在基于物联网的水文监测系统中,终端节点由许多功能相同或不同的水文监测传感器节点组成,水文监测传感器是整个监测系统的硬件基础,可用于实现多种水文参数的检测。目前的系统设计中包括水温(Campbell 公司的109 温度传感器)、水位( 压力式水位传感器)、PH 值(CS525)、溶解氧(Hamilton公司的243111-OXYGOLD G ARC 225 溶解氧传感器),并预留了其它水文参数测试的软硬件终端接口,如流速、浑浊度等参数。终端节点通过传感器可将水文参数转变为数据调制信号,然后对射频信号进行调制,并产生已调信号,然后将已调信号通过终端节点的天线发送到网关节点进行数据的融合和汇聚。

每一个水文监测终端节点都包含数据采集模块( 传感器,在本系统设计中主要指水温、水位、PH 值、溶解氧传感器)、数据处理和控制模块( 微处理器、存储器)、通信模块( 无线收发器) 和供电模块,主要设计要求是低功耗,高可靠性,具有自组网功能。由于终端节点体积小,因而电源容量也非常有限,从而在设计中必须充分考虑到节点的节能优化 技术,提高单位节点的工作时间,节省节点的能耗以及采用合理的网络协议。在设计中综合考量终端节点的可靠性、经济成本等多方面因素,终端节点可采用 Chipcon 公司的CC2430 芯片作为控制核心,该芯片以IEEE 802. 15. 4 协议为基础,整合了射频(RF) 前端、内存和微控制器[5], 在本系统中可分别对水温、水位、PH 值、溶解氧等水文参数传感器进行控制,并最终实现参数测试。同时,也可以根据需要进行其他参数测试,所需要的工作只是加入不同的水文参数测试终端节点而 已。

网关路由节点用于实现整个水文监测物联网区域子网段的自协调组网以及信息处理。在水文监测物联网建立过程中,因具体应用环境不同,其工作测试的 重点也不同,故对不同的子网段,需要单独进行设置。首先应由各个网关节点初始化该段子网,以避免各个终端节点之间的相互干扰,以及与其他工作相同频道设备 间的信号干扰。网关节点通过给每个终端节点网络指定不同的物理地址来区分不同节点,当整个网络应用后,网关节点会定时发送查询命令,在发现新的网络节点 后,系统会自动加入网络节点列表,同时发送新的路由表。

除具有自组网特点外,网关节点还负责第一步的信息分析及处理,并将处理后的数据存储到嵌入式数据库以备查询。网关节点通常个数有限,一般对功耗要求不严格,可以采用多种通信方式与其他网络节点进行通信( 如Internet、卫星或移动通信网络等)。在水文监测物联网系统中采用星型拓扑设计,可以在一个较大的水域范围内设置中心网关路由节点,以分别实现对边缘网关节点的水文数据包信号的中继和转发[6]。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0327/article_11184.html
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