基于无线传感器网络的河流自动监测站设计

0 引言
河流是工农业发展的重要资源，同时对区域生态资源有着重要影响。伴随着自然条件的变化以及工业发展，频发的洪涝灾害和各种水污染问题严重影响河流的健康状况。因此建立实时有效的河流监测系统对防洪及水污染治理有着重要意义。
目前，河流自动监测系统主要由前方的自动监测站点和后方的控制中心组成。自动监测站负责对河流的各项指标进行监测，并使用移动通信网络，计算机网络、数传电台等传输方式将监测数据发送到控制中心。
现有自动监测站大多由传感器、数据采集器和传输设备组成，体积较大。监测站不同设备之间采用有线方式连接。河流监测点大多位于偏僻地区，受到布线和环境因素限制，自动监测站监测范围有限、灵活性差，无法大量部署站点。因此，监测系统无法提供大量有效数据覆盖河流流域。本文提出一种基于无线传感器网络的河流自动监测站设计方案，扩大现有自动监测站的监测面积，提高灵活性，及时提供监测区域河流的水文、水质状况。

1 系统结构及组成
系统采用两级结构：数据采集层和数据汇聚层。数据采集层具有采集和传输功能，负责采集监测区域内数据并选择有效的路由将数据传输到汇聚层；数据汇聚层具有数据汇集、封装、传输功能，汇聚不同通道的数据，根据通信协议封装原始数据并发送出去。
基于无线传感器网络的河流自动监测站由无线传感器网络和自动监测站组成，分别实现数据采集和数据汇聚功能。系统组成如图1所示。

无线传感器节点具有可扩展、易部署的特点。可以根据监测方案的需求，携带不同的水文、水质传感器，部署在河流监测断面及沿岸。这些节点以自组织的方式形成多跳网络，监测信息以逐跳传递到自动监测站的汇聚节点。自动监测站由汇聚节点和RTU组成，是整个河流监测系统的通信枢纽。自动监测站接收无线传感器网络发送的河流信息，并传输到各级主控中心；接收控制中心命令，启动无线传感器网络并监测网络运行状况。

2 无线传感器网络
无线传感器网络作为原有自动监测站的一路扩充信号，可以根据需求调整节点部署位置和密度，提高原有监测站的监测范围和灵活度。无线传感器网络设计包括节点硬件设计、软件设计以及路由协议三个方面。
2．1 节点硬件
传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，并且实现网络终端和路由器双重功能。节点一般具备信息采集、数据存储和简单处理、无线通信功能，并且可以与其他无线传感器节点协作，完成指定的任务。传感器节点通常由处理器模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块组成。
处理器是硬件平台的核心，负责节点各个模块的控制，数据处理和传输等重要任务。无线传感器节点的处理器应具有功耗低、集成度高、性能良好、成本低的特点。ATmega公司开发的ATmega128L是一款低功耗、高性能的AVR 8位芯片。内部有128 KB的系统内可编程FLASH，适合反复烧写程序。该芯片提供电源管理及睡眠模式，可以通过寄存器设置关闭MUC不使用的模块，方便实现节点在休眠和工作状态的切换，
降低能耗。可提供8个通道的10位ADC转换功能以及外部中断功能，便于外部扩展。
传感器模块的选择依据水文、水质常规监测项，主要包括水位、雨量、流速、含氧量、pH值等。由于节点部署在户外，要考虑到能量供应、寿命等因素选择低功耗，稳定性好的传感器。设计中使用了雨量传感器与水位传感器。
Delta-T Devices生产的RG2翻斗式雨量传感器的工作原理是，在计量翻斗承受的降水量到一定量(0．2 mm)时，计量翻斗会把降水倾倒至计数翻斗，计数翻斗翻转一次送出一个开关信号。雨量计提供两根连接线，一根线和电源相连，另一根是信号线。传感器的信号线与处理器的INT1引脚连接。
雨量传感器提供数字量输出，因此使用处理器提供的外部中断方式采集信号。ATmega128L的中断可以由下降沿、上升沿，或者是低电平触发，设置外部中断寄存器EICRA的ISC11位和ISC10位均为1，即开启INT1引脚的上升沿异步中断请求。SREG寄存器的1标志位以及外部中断屏蔽寄存器EMISK的INT1置1，当INT1引脚产生电平跳变时，雨量计产生一个量程式触发中断。
水位传感器采用GIobal Water的WL400水位传感器。它适合用于严酷外部环境，具有极好的线性和较弱的滞后效应，能够及时监测到微小的水位变化，提供4～20 mA电流输出，温度与电压自动补偿。该传感器接口简单，总共有两个引脚，分别是电源和信号输出。由于ATmega128 L的ADC端口是对电压信号采样，因此先使用转换电路将传感器的输出信号转换为0．5～2．5 V的平稳电压信号。将转化后的电压信号与芯片的ADC引脚相连，通过软件编程对相应引脚采样读取水位值。
无线传感器网络工作时，能量消耗主要由节点间通信产生。因此通信芯片的性能、功耗对整体能量消耗、网络寿命至关重要。TIChipeon公司生产的CC2420芯片具有低电压、低功耗的特点，使用IEEE 802．15．4协议能确保短距离通信的可靠性。CC2420芯片通过SPI针脚与处理器连接，处理器工作在主机模式，CC2420则是从设备。