CN101713652A - 智能型多传感器系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种智能型多传感器系统及工作方法，所述系统包括采集水文信息的众多智能传感器节点以及一个遥测终端，所述智能传感器节点之间通过基于IEEE802.15.4标准的免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式相互通信并与遥测终端相互通信。所述方法包括初始化遥测终端；遥测终端采用分布式的、基于路由表的路由方式将智能传感器节点建立成路由表中的节点；当有新的智能传感器节点加入传感器系统，则遥测终端通过广播RREQs分组信息确定新的路由，并更新路由表；当遥测终端接收到智能传感器节点发送来的水文参数数据，则通过北斗卫星通信小站将接收到的水文参数数据上传至远程基站。本发明水文监测可靠、有效性高。

Description

智能型多传感器系统及工作方法

技术领域

发明涉及一种基于多载波信道接入(CSMA-CA)的短距离无线传输方式的水文参数采集和量测的智能型多传感器系统及工作方法，属于水利水文量测系统及自动化监测领域。

背景技术

目前，国内许多水文站监测水位、降水量、蒸发量、流量、水质等水文参数量测传感器或仪器装置，主要是通过有线方式传输数据，安装部署的位置和范围受到诸多限制，并且一种水文参数量测传感器只测量一种参数，一般不具备在现场进行成组信息处理功能，造成局部地区水文采集的信息不明确，无法在现场得到部署区域精确的面源水、雨情信息。同时，也增加了系统升级改造的难度；少数使用无线方式进行数据采集的测站或装置，一般采用射频模块直接发送量测信息，该监测方式不具备无线信道的自检及路由功能，导致信息传输可靠性降低。

现有技术存在以下缺陷：

(1)现有的水文参数量测传感器一般不具备在现场进行成组信息处理功能，一种水文参数量测传感器只测量一种参数，信息的集成收集和处理是经过遥测基站传输到中心站后，再做统一处理，这样的缺点是一但通信失败，会造成数据丢失。

(2)现有的基于无线方式的水文参数量测传感器不具备可路由方式。

(3)现有的水文参数量测传感器一般不具备功能的可重配置，以及灵活的传感器更换。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现存的水文自动化监测传感器和装置存在的缺陷，设计出一种适合条件恶劣的山区、边远地区的水文信息面源采集传感器系统和监测装置及工作方法，提高水文监测的可靠、有效性。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明智能型多传感器系统，其特征在于包括采集水文信息的众多智能传感器节点以及一个遥测终端，所述智能传感器节点之间通过基于IEEE802.15.4标准的免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式相互通信并与遥测终端相互通信。

所述智能型多传感器系统，其特征在于所述每个智能传感器节点都包括太阳能电源单元、数据采集单元、输入输出单元、通用接口单元、微处理器单元和通信单元，其中数据采集单元由传感器模块串接模数转换模块构成，微处理器单元由微控制器串接存储器构成，通信单元由射频通信单元与天线电连接构成，模数转换模块、输入输出单元分别通过通用接口单元与微控制器连接，模数转换模块的输出端接微控制器的输入端，射频通信单元与微控制器双向通信，太阳能电源单元分别给数据采集单元、输入输出单元、通用接口单元、微处理器单元和通信单元供电。

所述智能型多传感器系统，其特征在于所述遥测终端由终端微处理器单元、终端太阳能电源单元、终端通信单元和北斗通信小站，其中终端微处理器单元由终端微控制器串接终端存储器构成，终端通信单元由终端射频通信单元与终端天线电连接构成，北斗通信小站、终端射频通信单元分别与终端微控制器双向通信，终端太阳能电源单元分别给终端微处理器单元、终端通信单元和北斗通信小站供电。

所述智能型多传感器系统，其特征在于所述传感器模块包括流速计模块、雨量传感器模块、温湿度传感器模块、蒸发传感器模块、水位计模块和电平转换电路，其中流速计模块、雨量传感器模块、温湿度传感器模块的输出端分别接微控制器的输入端，蒸发传感器模块、水位计模块的输出端分别串接模数转换模块后通过电平转换电路与微处理器通信。

所述的智能型多传感器系统的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

a.)初始化遥测终端；

b.)遥测终端采用分布式的、基于路由表的路由方式将智能传感器节点建立成路由表中的节点，即形成传感器系统；

c.)当有新的智能传感器节点加入传感器系统，则遥测终端通过广播RREQs分组信息确定新的路由，并更新步骤b所述的路由表；

d.)当遥测终端接收到智能传感器节点发送来的水文参数数据，则通过北斗卫星通信小站将接收到的水文参数数据上传至远程基站。

有益效果：

(1)本发明与现有的水文参数量测传感器不同，本发明具有现场成组信息处理功能，它集信号调理、数据处理和多种传感器测量的水文参数在现场集成收集和处理于一体，形成了一个智能型的水文多参数传感器系统。

(2)本发明具备可路由方式，在本发明中各传感器节点能根据传感器类型形成报文，搜索上传数据的最优路径，检测连接状态并及时上报错误信息。

(3)本发明具备功能的可重配置和灵活更换传感器。本发明在传感器节点的设计上采用通用接口，通过拨码开关识别传感器类型，在不同的检测区域中选择不同的水文信息传感器，五种水文信息传感器中在现场使用中可以实现即插即用。

(4)本设计中采用的是太阳能电池供电，并有蓄电池作为备用电池，而且电路本身采用超低功耗设计，其中耗能最大短距离无线通信部分采用休眠和唤醒的方式达到最低功耗并延长监测装置节点的寿命。

附图说明

图1是传感器节点结构框图。

图2是遥测终端结构框图。

图3是系统部署拓扑图。

图4是水文信息采集节点处理器单元电路图。

图5是采集节点处理器与五种传感器的接口电路图。

图6是供电单元电路图。

图7遥测终端程序流程图。

图8(a)水文参数传感器节点程序流程图，(b)路由发现和路由应答建立过程图。

图9(a)水文传感器节点路由建立及数据发送流程图，(b)报告路由故障流程图。

图10是路由请求报文格式(RREQ)。

图11是路由应答报文格式(RREP)。

图12是路由应答确认报文格式(RREP-ACK)。

图13是路由错误报文格式(RRER)。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，所述智能型多传感器系统，其特征在于所述每个智能传感器节点都包括太阳能电源单元、数据采集单元、输入输出单元、通用接口单元、微处理器单元和通信单元，其中数据采集单元由传感器模块串接模数转换模块构成，微处理器单元由微控制器串接存储器构成，通信单元由射频通信单元与天线电连接构成，模数转换模块、输入输出单元分别通过通用接口单元与微控制器连接，模数转换模块的输出端接微控制器的输入端，射频通信单元与微控制器双向通信，太阳能电源单元分别给数据采集单元、输入输出单元、通用接口单元、微处理器单元和通信单元供电。输入输出单元包括LED、LCD、键盘等一些输入输出设备。

如图2所示，所述智能型多传感器系统，其特征在于所述遥测终端由终端微处理器单元、终端太阳能电源单元、终端通信单元和北斗通信小站，其中终端微处理器单元由终端微控制器串接终端存储器构成，终端通信单元由终端射频通信单元与终端天线电连接构成，北斗通信小站、终端射频通信单元分别与终端微控制器双向通信，终端太阳能电源单元分别给终端微处理器单元、终端通信单元和北斗通信小站供电。

如图3所示，本发明智能型多传感器系统，其特征在于包括采集水文信息的众多智能传感器节点以及一个遥测终端，所述智能传感器节点之间通过基于IEEE802.15.4标准的免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式相互通信并与遥测终端相互通信。

处理器单元电路图如图4所示。嵌入式处理器采用的是TI公司的CC2430(U1)。它是该公司第2代ZigBeeTM平台和真正的SoC解决方案，结合了行业领先的射频2.4GHz收发器和符合IEEE 802.15.4协议的CC2420，以及工业级、小体积的8051微处理器。电感L1、L2、L3、电容C9及Antenna构成射频发射单元的外围电路，通过引脚32、33、34与U1连接。五位拨码开关(SW1)用于进行节点配置传感器状态的选择，每一位分别对应温湿度传感器、雨量传感器、流速计。水位计和蒸发传感器的配置状态，0表示“有”，1表示“无”，并且U1的相应的引脚1、2、16、17、18需要配置为输入上拉状态。LED1和LED2两个指示灯连接到U1的11、12引脚，用于调试过程中的状态指示。

传感器及其接口单元如图5所示。模块(1)为微处理器U1的TTL-RS232电平转换电路，由SP3232E芯片和DB9连接器组成。发送端TXD和接收端RXD分别与U1的14和13引脚相连。CC2430有两组UART接口，通过一片SP3232E芯片和2只DB9连接器即可实现2组RS232接口。模块(2)的LS20B型旋浆式流速计和模块(3)的JDZ 05-1型雨量传感器为脉冲开关量输出型传感器，其输出端分别与U1的引脚6和8相连，当传感器的干簧管闭合时输出低电平，该下降沿脉冲将触发微处理器的外部中断，并完成一次计数。模块(4)为集成的数字温湿度传感器DHT11，它通过引脚2与U1的第9引脚相连，采用一种单总线的协议发送温度和湿度的数据，其采样间隔由微处理器控制。模块(5)和模块(6)分别表示遥测蒸发传感器和WQC-1型气泡式水位计，二者均采用12V供电，并通过RS232接口与微处理器通信。

如图5所示，所述智能型多传感器系统，其特征在于所述传感器模块包括流速计模块、雨量传感器模块、温湿度传感器模块、蒸发传感器模块、水位计模块和电平转换电路，其中流速计模块、雨量传感器模块、温湿度传感器模块的输出端分别接微控制器的输入端，蒸发传感器模块、水位计模块的输出端分别串接模数转换模块后通过电平转换电路与微处理器通信。

供电单元如图6所示。模块(1)中，太阳能电池板(SBT)通过充电智能管理芯片CN3063(U3)对锂电池(BT1)充电，并在J1接口提供5V电压输出。J1通过电源线与模块(2)中的5V电源输入接口(J3)相连。模块(2)为处理器单元提供3.3V的电源及其开关控制，线性稳压器SPX1117-3.3将输入的5V电压转换为3.3V电压供CC2430及DHT11使用。模块(3)为遥测蒸发传感器和WQC-1型气泡式水位计提供12V的电源，5V电压由J4接口从模块(1)的J2接口引入，通过MC34063芯片(U5)升压至12V，并由接口J5输出。

图7是遥测终端程序流程图。

遥测终端上电后，初始化板上硬件、软件，创建路由表，建立网络。路由表项包含如下信息：

(1)目的传感器节点(以下简称“节点”)的IP地址标识；

(2)目的节点的序列号(ID)；

(3)目的序列号标识；

(4)下一跳节点IP地址标识；

(5)先驱链表指针；

(6)当前链路的跳数值；

(7)生存期；

(8)状态标识。

其中，目的节点的地址为数据分组最终接收节点的标识；序列号(ID)为网络中的所有节点都保持和维护的一个单调递增数列。主要用来保证节点的路由信息的新鲜度，即当节点收到一个路由信息序列号小于自己保持的路由信息序列号时，不做路由项更新操作(参见下面的RREQ处理算法)。

当收到传感器节点的加入网络的请求时，遥测终端会给这个传感器节点分配一个网络IP地址。遥测终端在本设计中主要用来接收所有传感器节点的数据，并通过北斗卫星通信单元将接收到的数据全部上传至远程基站以便于数据的分析和保存。在此期间，也可以向下发送命令。若有多个传感器节点同时向终端发送请求，终端来不及响应处理会丢掉一些请求，发现自己的请求未得到响应的传感器节点过几秒钟再次发出请求，直到得到遥测终端的路由应答确认报文(RREP-ACK)响应。遥测终端不休眠，它会一直处于正常工作状态。

图8(a)是水文参数传感器节点程序流程图。本发明采用IEEE802.15.4协议标准的2.4GHz频段，该频段分为16个子频段信道，均为免付费、免申请的无线电频段，在这些频段上，数据传输速率为250kbps。本设计中，传感器节点启动首先选择信道，加入网络。节点提供的网络服务主要有：

1.为网络中其他节点中继数据帧

2.参与路由选择，为后续数据帧建立路由

3.记录最佳的有效路由，维护路由表

加入网络后，进入事件循环。事件分硬件、网络层、媒体接入层、应用层等，具体如：中断、路由相应和传感器信号触发等。如果没有事件，则节点进入休眠状态。如果有相应事件，则进行处理。节点在休眠期间，如果有外部中断或定时器中断，节点会恢复到工作状态。节点通过拨码开关设置识别所带传感器数量和类型，将经过量化处理后的传感器数据按预定数据结构打包，在节点完成路由建立后发送。传感器实时数据结构定义如下：

Struct uh_sensors_wsn_data{

u_int8_t     sen_type；   //所带传感器类型

u_int32_t    sen_rain；   //雨量实时数据

u_int32_t    sen__temper；//温度传感器实时数据

u_int32_t    sen_humi；   //湿度传感器实时数据

u_int32_t    sen_eva；    //蒸发量实时数据

u_int32_t    sen_level；  //水位传感器实时数据

u_int32_t    sen_velo；   //流速时数据

}

路由协议中有四种类型的消息控制帧：路由请求(RREQ)，路由应答(RREP)，路由应答确认(RREP-ACK)和路由错误消息(RRER)。消息控制帧格式如图10-13。其中：

上述四种协议帧的类型号分别为1、2、3、4；

保留域默认为零；

源序列号从发送RREQ协议包的源节点产生；

跳数表示从发送RREP协议包的源节点到当前节点的路由跳数；

生命周期表示当前节点从RREP协议包提取的路由信息有效期，单位为毫秒；

J：保留域，组播的加入标记；

R：保留域，组播的修复标记；

G：免费的RREP的标识。如果中间节点有到目的节点路由，则向源节点回复时，向目的节点发送一个帧；

D：标记只接收目的节点的响应；

U：标记目的节点的序列号为未知；

R：保留域，组播的修复标记；

A：回复应答标识，用于告知节点做出相应回复，主要为了避免存在单向链路；

N：不删除标记，当链路中断，正在进行本地修复时，通知上游节点暂时保留原路由信息。

当网络中的某个传感器节点(N1)需要向遥测终端(N7)传输数据时，首先通过路由发现和路由应答确定传输路径，建立过程如图8(b)所示。

当源节点N1需要与目的遥测终端N7进行通信时，首先查找自己的路由表，如果能找到有效的路由信息，则根据路由信息发送数据分组至相应邻居节点。如果不能找到到达目的节点N7的有效路由时，便会启动路由查找过程。节点N1首先发送一个路由请求信息(RREQ)至所有邻居节点，其中包含源节点N1的地址、源节点N1的序列号、目的节点N7的地址、目的节点N7的序列号和路由跳数等参数信息。当的邻居节点N2、N3和N4收到RREQ后，首先根据收到的路由请求分组建立或更新至源节点的反向路由，若中间节点有至目的节点N7的有效路由，则路由管理程序会产生一个路由应答(RREP)发送给相应上一跳节点，其中包含源节点地址、目的节点地址、目的节点序列号、路由跳数和生存时间等信息，并根据所得到的路由信息反向发送至源节点。若收到路由请求的中间节点没有到达目的节点N7的有效路由，则继续广播路由请求RREQ消息，直到到达目的节点或知道目的节点路由信息的中间节点，即N7收到RREQ后，向源节点N1返回路由应答RREP。当N1收到不同的RREP后，选择时间度量最短的路由，即采用最先到达的RREP作为有效路由，发送相关数据分组。

传感器节点路由建立及数据发送流程如图9(a)所示。当节点接收到RREQ时，处理算法如下：

if(Sid_j ^d＝＝Sid_i ^d)and(ID_j ^d＝＝ID_i ^d)

       //判断RREQ是否已处理过(Sid为源节点的标识号，ID为目的节点序列号)

    then

       return 0

    else

       if(Did_j＝＝Did_i)or(Did_j∈Route list_i)

       //判断自己是否为目的节点或者知道至目的节点的路由信息

       (Did为目的节点标示号)

       then

           reverse(RREP)               //产生RREP

       else

           insert i into Route record  //将本节点地址标识添加至RREQ

           forward RREQ                //继续发送RREQ

       end

end

当路由信息建立后，网络中的所有节点都要维护与管理本节点的路由信息。当某条路由信息不使用时，经过一定时间后，节点会删除该路由信息。如图9(b)所示。

同时，节点通过定期发送Hello消息来确保活动路由的下一跳路由可达。由于节点的移动或其他原因，下一跳节点不可达时，就发送路由错误(RERR)消息通知受影响的相应前驱节点。节点通过建立“前驱列表”来生成相应的路由错误信息，该列表用于记录把自己作为至当前不可达节点的前一跳节点信息。Hello消息分组的数据结构可表示如下：

Struct uh_hello_wsn_request{

u_int8_T    rq_type；          //分组类型

u_int8_T    reserved；

u_int8_T    rq_hop_count；     //跳数

u_int32_t   rq_bcast_id；      //广播ID

nsaddr_t    rq_dst；           //目的节点IP地址

u_int32_t   rq_dst_seqno；     //目的节点序列号

nsaddr_t    rq_src；           //源节点IP地址

u_int32_t   rq_src_seqno；     //源节点序列号

double      rq_timestamp；

}

本发明所设计的是无线网络化的水文多参数量测智能型传感器系统，采用水文参数采集智能型传感器节点、遥测终端二层系统结构。其中水文参数采集智能型传感器节点可接入水位、降水量、蒸发量、流量、温湿度等多种传感器，部署在规划区域的量测点上。

本发明了基于多载波信道接入的短距离无线通信网络化水文多参数采集和测量的智能型多传感器系统。它克服了传统有线或传统的无线水文信息采集传感器系统或测量仪器装置的缺点，并可实现相对高密度的布点和高可靠性、较大范围的面源监测。

各传感器节点的传感器单元通过I/O或RS232通用接口与MCU处理器传递数据，传感器节点在上电启动时通过检测拨码开关设置自动判断传感器类型。在无线通信方式上，采用基于IEEE802.15.4标准的免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突。此外，为保证传输数据的可靠性，还建立了完整的应答通信协议，使得各节点能根据传感器类型形成报文，搜索上传数据的最优路径，检测连接状态并及时上报错误信息。智能传感器终端负责采集一定范围内的水文信息传感器信息，经过初步处理后上传基站，与遥测基站间的通讯采用我国自主开发研制，工作在L/S波段的北斗通信系统，可实现快速定位，双向简短报文通信和定时授时三大功能。因为它具有短报文通信功能，北斗系统用户终端可以双向报文通信，用户每次可以传送40-60个汉字的短报文信息。该功能采用的是数据报告方式，以数据包的形式传输，有多点用户并发能力，可在3秒内将用户(遥测终端)的数据发送到远程监控基站。又由于它是采用码分多址直序扩频通信体制，其抗干扰能力强，误码率低。故采用它作为遥测终端与远程基站间的通信方式组网能提高系统的抗毁性能和数据传输的可靠性。

本发明可以在无人值守的状态下工作，并具备高可靠、可路由的通信体制。节点电源单元采用太阳能电池供电，太阳能电池供电单元由太阳能电池板，太阳能充放电控制电路、蓄电池等部分组成。其中太阳能电池板是将太阳能转换为电能，从而驱动节点工作或者将电能送往蓄电池中存储起来以备不时之需，太阳能充放电控制电路的作用是监测整个电源单元的工作状态，并对蓄电池进行过充电、过放电保护。

Claims (5)

1.一种智能型多传感器系统，其特征在于包括采集水文信息的众多智能传感器节点以及一个遥测终端，所述智能传感器节点之间通过基于IEEE802.15.4标准的免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式相互通信并与遥测终端相互通信。

2.根据权利要求1所述智能型多传感器系统，其特征在于所述每个智能传感器节点都包括太阳能电源单元、数据采集单元、输入输出单元、通用接口单元、微处理器单元和通信单元，其中数据采集单元由传感器模块串接模数转换模块构成，微处理器单元由微控制器串接存储器构成，通信单元由射频通信单元与天线电连接构成，模数转换模块、输入输出单元分别通过通用接口单元与微控制器连接，模数转换模块的输出端接微控制器的输入端，射频通信单元与微控制器双向通信，太阳能电源单元分别给数据采集单元、输入输出单元、通用接口单元、微处理器单元和通信单元供电。

3.根据权利要求1所述智能型多传感器系统，其特征在于所述遥测终端由终端微处理器单元、终端太阳能电源单元、终端通信单元和北斗通信小站，其中终端微处理器单元由终端微控制器串接终端存储器构成，终端通信单元由终端射频通信单元与终端天线电连接构成，北斗通信小站、终端射频通信单元分别与终端微控制器双向通信，终端太阳能电源单元分别给终端微处理器单元、终端通信单元和北斗通信小站供电。

4.根据权利要求2所述智能型多传感器系统，其特征在于所述传感器模块包括流速计模块、雨量传感器模块、温湿度传感器模块、蒸发传感器模块、水位计模块和电平转换电路，其中流速计模块、雨量传感器模块、温湿度传感器模块的输出端分别接微控制器的输入端，蒸发传感器模块、水位计模块的输出端分别串接模数转换模块后通过电平转换电路与微处理器通信。

5.一种基于权利要求1所述的智能型多传感器系统的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

a.)初始化遥测终端；

b.)遥测终端采用分布式的、基于路由表的路由方式将智能传感器节点建立成路由表中的节点，即形成传感器系统；

c.)当有新的智能传感器节点加入传感器系统，则遥测终端通过广播RREQs分组信息确定新的路由，并跟新步骤b所述的路由表；

d.)当遥测终端接收到智能传感器节点发送来的水文参数数据，则通过北斗卫星通信小站将接收到的水文参数数据上传至远程基站。

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