CN101762624A - 一种基于无线传感网络的水情监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感网络的水情监测系统，该监测系统采用无线传感器网络技术，通过对空间内分布无线传感节点来获取整个空间的信息，每一个无线传感节点通过水浸传感器以及在集水槽内的液位传感器完成对本地信号数据的采集，通过本地信息分析和网络层多跳路由协议处理，将数据发送到汇聚节点(SinkNode)，汇聚节点与后台监控的计算机进行信息交互，通过数据融合的方式对空间内所有节点的数据进行分析处理，对当前的水情状况做出判断以及进行相应的处理。与现有技术相比，本发明便于安装，部署和扩展，通过多点数据的融合处理可有效降低误报率和漏报率，提高了系统的可靠性，达到对水情的实时监控，保证隧道、船舶等的安全运营。

Description

一种基于无线传感网络的水情监测系统

技术领域

本发明涉及水情监控系统，尤其涉及一种基于无线传感网络的水情监测系统。

背景技术

随着国民经济的快速发展，交通运输事业的不断发展，隧道建设也得到长足发展。这些隧道的修建，对地区经济发展、改革开放与国防建设起来到了极其重要的推动作用。出于设计、施工、材料及地质因素等各方面的原因，无论是国内还是国外，大多隧道都存在不同程度的病害，隧道病害的类型主要有水害、冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀。隧道内的病害一般不是单独存在的，而是相互影响、互相作用的。其中最常见的病害形式是水害，所谓的“十隧九漏”正反映了水害的频繁。隧道中水出现的形式有如下的两种：渗，涌。这两种情况区别在于隧道中水的多少以及水的危害的严重程度。渗水一般是没有出现明显的水的痕迹，很可能在隧道岩层的后方的泥土中已经含有很高的水分，严重时已经成为泥浆的情况；涌水的情况比较严重，常常含有大量的泥沙，一般解决的难度也比较大，应该尽可能早的发现，把危害降到最小。

目前水上交通运输业也越来越成为我国国民经济的支柱行业。作为水上最主要的交通工具，船舶也理所当然地成为我们关注的焦点。其中，最引人关注的是船舶的安全问题。对于船舶安全的监测可以从很多方面进行，其中对船舶水位的监测是一个切实可行的方法。一方面船舶的水位反应出船舶的载重情况，如果船舶超核定载重线装载货物和核定载客人数载客，由于不可抗力，如在突遇风、雨、雪、雾等恶劣天气时，其抗风能力和机动性大大降低，易导致船舶翻覆、搁浅、碰撞、发生机械故障等水上交通事故。另一方面船舶的不同位置的水位状况反映出当前船舶的运动姿态，通过关键点的水情监测就可以对船舶的运动姿态进行实时的描述，从而 可以提前对一些危险的趋势进行提前预警，进而保证船舶航行的安全。

近年来无线传感网络技术已经有了长足的发展，越来越多的被使用在日常应用中，其大范围分布式监测的优势、无线自组织通信的灵活性、以及便于部署和扩展的特点为监控网络的实时性、可靠性和稳定性提供了保障。另外，嵌入式系统和信号采集技术的日益成熟，可以直接采集隧道内各点的信息并进行融合分析。

隧道工程的迅速发展使得我国的是隧道通车里程已经位列世界第一，人们对隧道运营的安全性和可靠性也提出了更高的要求。目前的监控系统主要针对隧道内的火灾等状况进行预警监测，尚未有对水情监控的系统；对于水情的控制，多从隧道施工的角度以及材料的角度进行预防。对于船舶安全的控制，多从行驶操作的规范上进行防范，尚未有集成的控制系统。

因此，急需一种实时、准确监控的隧道、船舶监控系统，将其应用于隧道水情和船舶水位等的水情实时监控中，对不同场合下的水情进行监测分析。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实时监控、可靠性高、通用性强的基于无线传感网络的水情监测系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，该监测系统采用无线传感器网络技术，通过对空间内分布无线传感节点来获取整个空间的信息，每一个无线传感节点通过水浸传感器以及在集水槽内的液位传感器完成对本地信号数据的采集，通过本地信息分析和网络层多跳路由协议处理，将数据发送到汇聚节点(SinkNode)，汇聚节点与后台监控的计算机进行信息交互，通过数据融合的方式对空间内所有节点的数据进行分析处理，对当前的水情状况做出判断以及进行相应的处理。

所述的水情监控系统主要由三部分组成：数据采集层，网络传输层，信息处理层。

所述的数据采集层选用水浸传感器，液位传感器并与手动报警按钮相结合，实现异常状态的采集与报警处理。

所述的水浸传感器的型号为K7L；所述的液位传感器选用EE-SPX613，安装在与集水槽相连通的导管上，用于检测集水槽内的水位。

所述的K7L水浸传感器的使用环境温度范围为-10～+55℃，使用环境湿度范围为45～85％，功率消耗为1W以下，漏液检测响应时间动作时800ms以下，复位时800ms以下，电源接通时起动时间2s以下，漏液检测为集电路开路输出(NPN)，选用F03-16PT氟塑料漏液检知带或F03-16PS漏液点式检知器；

所述的EE-SPX613液位传感器的工作电压为DC12～24V±10％，消耗电流平均值30mA以下、前端值80mA以下，控制输出负载电源电压DC5～24V、负载电流100mA以下残留电压0.8V以下(负载电流100mA时)、残留电压0.4V以下(负载电流40mA时)，为NPN集电极开路输出型，所述的导管为

厚度1mm的半透明导管。

所述的网络传输层通过无线传感器节点完成数据采集及传输，利用不同的传感器采集不同的信息，应用到不同的场合；汇聚(sink)节点实施无线传感器节点信息的汇集，通过无线接口跟传感器节点进行通信，并通过RS232接口跟Web服务器实现信息交互；无线通信模块负责无线传感网络节点与节点之间进行无线通信。

所述的无线传感器节点的传输距离在0～50m范围内编程设置，有效距离达50m以上，睡眠状态电流为5mA，节能模式下为110μA；所述的汇聚节点的信号处理部分采用低功耗微处理器芯片ATmega128，射频部分采用CHIPCON公司的CC2420芯片，扩展存储采用容量为512KB的低功耗FLASH存储器。

所述的信息处理层主要由后台监控系统完成，后台监控系统对数据进行分析处理，完成对系统状况的实时显示、历史数据的记录查询、异常状况的报警处理，后台监控系统具有口令权限管理功能，上位机监控软件采用C#.net编程，后台数据库使用SQL Sever 2005。

所述的监控系统划分为三个基本的功能模块：数据通讯模块、系统管理模块和监测状态显示模块，分别完成数据通讯、系统管理、监测状态显示三方面的工作；

所述的数据通讯模块负责远程监控计算机和无线传感网络之间通讯，主要功能为读取现场监控设备的状态和现场设备采集的数据；所述的系统管理模块主要起到对系统内的用户权限，以及对历史数据和操作日志进行备份、查询、统计的功能；所述的监测状态显示模块为一组直接面向用户的图形接口，负责实时数据显示和设备运行状态的显示以及对报警信息的处理。

所述的监测系统采用无线传感网络路由协议，路由协议是建立一个以汇聚节点为根节点的树型拓扑，每个节点向自己的父节点转发数据；在路由中，节点还维护自己和邻居节点之间的双向链路质量评估，并根据评估值选择邻居节点中跳数最小，链路质量最好的作为父节点；路由协议分为拓扑建立、路由维护和数据转发三个阶段，在拓扑建立阶段中，节点主要根据到汇聚节点的跳数信息，建立起到汇聚节点的最短跳数路由，在路由维护阶段中，首先要对链路质量进行评估，链路估计根据节点统计一定时间内从某个邻居节点接收到的分组占该邻居节点发送往该节点的分组数量的比重，进一步采用指数加权位移平均(Exponential Weighted MovingAverage，EWMA)链路估计值，采用节点通过评估到邻居节点的通信质量选择最小跳数下通信质量最好的节点作为父节点，在数据转发阶段中，路由协议提供当前的父节点信息给网络层程序，供网络层进行路由决策。

与现有技术相比，本发明通过多种传感器融合的方法对空间内采集的信号进行分析处理，发挥了无线传感器网络可实现大范围分布式监测的特长，以及无线自组织通信的灵活性优势，便于安装，部署和扩展，同时通过多点数据的融合处理可有效降低误报率和漏报率，提高了系统的可靠性，达到对水情的实时监控，保证隧道、船舶等的安全运营，具有以下优点：

(1)关于水情状况多种传感器数据融合处理：目前大部分的监控系统还是分别对单一的传感器数据进行处理而且尚未对水情状况进行实时监控，本发明对空间内的水情状况进行监测，并对多种传感器数据进行融合处理，有效的提高了系统的可靠性，降低了误报率，保障了隧道的正常运营；

(2)采用自组织的无线多跳路由协议：目前的信号监控网络中，信息采集的信号通信通常是采用有线的网络进行，网络协议通常是固定的方式进行，不可以根据当前传输的实际情况进行优化处理，本发明采用自组织的多跳路由协议，可以根据当前的网络内的信道传输的实际情况进行路由更新，对于无法与汇聚节点通信的节点可以通过其他节点进行信息转发，从而保障了每一个节点的信息被及时采集和处理，网络协议的自组织性提高了数据通信的可靠性、稳定性和鲁棒性，保障了信号采集的完整性；

(3)采用功能丰富的后台监控平台：与现有的监控平台相比，本发明实时性更好，人机交互的接口更加人性化，还增强了相关的权限保护和历史数据的分析处理，满足了水情监控对后台系统的各个方面的要求；

(4)通用性强，移植方便：本发明的硬件结构简单而且集合成为了一个系统，安装便利，另外软件系统是在嵌入式操作系统上开发的，可以在相同的硬件平台上任意移植，方便了用户的管理、操作和硬件升级；

(5)系统便于扩展：本发明预留通用接口，通过配合相应的软件，可以连接现有监控系统(如火灾监控系统)，从而实现对空间内多种异常状况的集成处理。

附图说明

图1是本发明系统的结构框图；

图2是本发明无线传感节点与传感器连接的结构框图；

图3是本发明水浸传感器K7L链接的结构框图；

图4是本发明集水槽内液位传感器的工作原理图；

图5是本发明无线传感节点的结构框图；

图6是本发明监控软件的功能框图。

具体实施方式

下面对照附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种基于无线传感网络的水情监测系统，该监测系统采用无线传感器网络技术，通过对空间内分布无线传感节点来获取整个空间的信息，每一个无线传感节点通过水浸传感器以及在集水槽内的液位传感器完成对本地信号数据的采集，通过本地信息分析和网络层多跳路由协议处理，将数据发送到汇聚节点(Sink Node)，汇聚节点与后台监控的计算机进行信息交互，通过数据融合的方式对空间内所有节点的数据进行分析处理，对当前的水情状况做出判断以及进行相应的处理。

如图1所示，图1是本发明系统的结构框图，本发明水情监控系统的构架主要由三部分组成：数据采集层，网络传输层，信息处理层，其中数据采集层主要是采用多种传感器相融合的方法对空间内信息进行采集；网络传输层采用无线传感网络对空间内各个点的信号进行通信，通过无线传感器节点完成数据采集及传输，最后传送到无线数据汇聚节点(Sink node)；信号处理层通过后台监控对底层的数据进行分析运算，对空间的状态进行判断。

1.数据采集层

如图2所示，图2是本发明无线传感节点与传感器连接的结构框图，其核心部分为无线传感节点的数据采集部分，负责对底层的水浸传感器、液位传感器以及手动报警开关信号进行采集，并在无线传感节点中对该数据进行分析处理，其中电缆总长度50m以下，检知带10m以下。

数据采集层选用水浸传感器，液位传感器并与手动报警按钮相结合，实现异常状态的采集与报警处理。

(1)水浸传感器

如图3所示，图3是本发明水浸传感器K7L链接的结构框图，当漏液点式传感器或者漏液线式检知带上发现有异常状况时，通过漏液检测器将异常的情况转化为电信号，由无线传感节点进行采集。

水浸传感器选用的型号是K7L，使用环境温度范围-10～+55℃，使用环境湿度范围45～85％，功率消耗1W以下，漏液检测响应时间动作时800ms以下，复位时800ms以下，电源接通时起动时间2s以下，漏液检测为集电路开路输出(NPN)。K7L可以选用F03-16PT氟塑料漏液检知带或F03-16PS漏液点式检知器。

K7L采用检测电极间电阻的方式，可稳定检测50MΩ的高阻抗液体；采用了3芯电缆的噪声消除电路，用来提高了抗噪声能力；通过交流检测方式，以防止电蚀引起电极老化。当周围的水情状况发生变化的时候，K7L就会将变化反馈到传感器的输出端口。可以根据实际环境的情况和信号的要求，来调整检测范围，如：F03-16PS漏液点式检知器选用0～5MΩ时可以检测，F03-16PT漏液检知带一般选用0～250kΩ时可以检测。

(2)液位传感器

如图4所示，图4是本发明集水槽内液位传感器的工作原理图，EE-SPX613利用液体与空气屈光率的不同来检测液体有无，管中无液体时，投光部发出的光会按照管子弯曲，进入受光元件(入光状态)，管中有液体时，投光部发出的光通过液体后，不会进入受光元件(遮光状态)。

液位传感器用于检测集水槽内的水位，选用的是EE-SPX613，安装在与集水槽相连通的导管上以检测水位，导管为

厚度1mm的透明半透明导管。

EE-SPX613工作的电压DC12～24V±10％，消耗电流平均值30mA以下、前端值80mA以下，控制输出负载电源电压DC5～24V、负载电流100mA以下、残留电压0.8V以下(负载电流100mA时)、残留电压0.4V以下(负载电流40mA时)，为NPN集电极开路输出型。

需要检测有浮游物的混悬液体时，也可能发生从投光部发出的部分不能进入受光元件进行稳定检测的情况。这时也可将灵敏度切换开关设定为Low来进行尝试。通常，考虑到投光元件的时间老化以及管子一般有些弄脏的情况，一般是将灵敏度切换开关设定在high上进行使用的。

2.网络传输层

网络传输层是通过无线传感器节点完成数据采集及传输，可利用不同的传感器采集不同的信息，以应用到不同的场合。汇聚(sink)节点可实施无线传感器节点信息的汇集，它相当于网关节点，可通过无线接口跟传感器节点进行通信，并通过RS232接口跟Web服务器实现信息交互。节点的传输距离可在0～50m范围内编程设置，有效距离可达50m以上；功耗低，睡眠状态电流仅为5mA，节能模式则可达到110μA；另外还有软件资源丰富、技术支持完备等特点。

节点信号处理部分采用低功耗微处理器芯片ATmega128，射频部分采用CHIPCON公司的CC2420芯片，扩展存储采用容量达512KB的低功耗FLASH存储器。整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展。

8位微处理器ATmega128具有高性能、低功耗的特点。ATmega128不仅有强大的内核资源，同时也有丰富的外设资源，以及良好的引脚接口，可以对多种传感器的数据进行采集；并且依靠ATmega128的运算处理能力对采集的数据进行分析处理，同时对各个节点的数据进行路由选择，将每一个节点的数据信息传送到后台监控系统。

无线通信模块负责无线传感网络节点与节点之间进行无线通信。CC2420芯片真正支持IEEE 802.15.4无线通信协议和基带调制；可以采用DSSS基带调制方式；外部不需要无线滤波器外部所需器件很少；硬件地址识别功能，硬件MAC层加密功能。

如图5所示，图5是本发明无线传感节点的结构框图，采用低功耗微处理器芯片ATmega128，射频部分采用CHIPCON公司的CC2420芯片，扩展存储采用容量达512KB的低功耗FLASH存储器AT45DB041。整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展。

3.信息处理层

如图6所示，图6是本发明监控软件的功能框图，主要由数据通讯、系统管理和监测状态显示三个部分组成。数据通讯模块完成后台监控软件与无线传感节点的通信；系统管理模块负责对后台监控软件进行管理，如：访问权限管理、密码管理、数据库管理、用户管理、信息统计查询等；监测状态显示模块对当前的空间状态(包括实时数据、设备状态等)进行显示，并对产生的异常状况进行报警处理。

信息处理层主要是由后台监控系统完成。后台监控系统对数据进行分析处理，完成对系统状况的实时显示、历史数据的记录查询、异常状况的报警处理。此外系统还有很好的口令权限管理功能。

根据功能需求，监控系统划分为三个基本的功能模块，分别来完成数据通讯、系统管理、监测状态显示这三方面的工作。

数据通讯模块负责远程监控计算机和无线传感网络之间通讯。主要功能：读取现场监控设备的状态和现场设备采集的数据。

系统管理模块主要起到对系统内的用户权限，以及对历史数据和操作日志进行备份、查询、统计的功能。

监测状态显示模块则是一组直接面向用户的图形接口，负责实时数据显示和设备运行状态的显示以及对报警信息的处理。

整个上位机监控软件采用C#.net编程，后台数据库使用SQL Sever 2005。

本发明采用无线传感网络路由协议，路由协议的目的是建立一个以汇聚节点为根节点的树型拓扑，每个节点向自己的父节点转发数据。在路由中，节点还维护自己和邻居节点之间的双向链路质量评估，并根据评估值选择邻居节点中跳数最小，链路质量最好的作为父节点。路由协议分为拓扑建立、路由维护和数据转发个阶段。在拓扑建立阶段中，节点主要根据到汇聚节点的跳数信息，建立起到汇聚节点的最短跳数路由；在路由维护过程中，首先要对链路质量进行评估，链路估计的基本思想是节点统计一定时间内从某个邻居节点接收到的分组占该邻居节点发送往该节点的分组数量的比重，进一步采用指数加权位移平均(Exponential Weighted MovingAverage，EWMA)链路估计值，采用节点通过评估到邻居节点的通信质量选择最小跳数下通信质量最好的节点作为父节点；在数据转发过程中，路由协议提供当前的父节点信息给网络层程序，供网络层进行路由决策。

Claims (10)

1.一种基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，该监测系统采用无线传感器网络技术，通过对空间内分布无线传感节点来获取整个空间的信息，每一个无线传感节点通过水浸传感器以及在集水槽内的液位传感器完成对本地信号数据的采集，通过本地信息分析和网络层多跳路由协议处理，将数据发送到汇聚节点(Sink Node)，汇聚节点与后台监控的计算机进行信息交互，通过数据融合的方式对空间内所有节点的数据进行分析处理，对当前的水情状况做出判断以及进行相应的处理。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的水情监控系统主要由三部分组成：数据采集层，网络传输层，信息处理层。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的数据采集层选用水浸传感器，液位传感器并与手动报警按钮相结合，实现异常状态的采集与报警处理。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的水浸传感器的型号为K7L；所述的液位传感器选用EE-SPX613，安装在与集水槽相连通的导管上，用于检测集水槽内的水位。

5.根据权利要求4所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的K7L水浸传感器的使用环境温度范围为-10～+55℃，使用环境湿度范围为45～85％，功率消耗为1W以下，漏液检测响应时间动作时800ms以下，复位时800ms以下，电源接通时起动时间2s以下，漏液检测为集电路开路输出(NPN)，选用F03-16PT氟塑料漏液检知带或F03-16PS漏液点式检知器；

所述的EE-SPX613液位传感器的工作电压为DC12～24V±10％，消耗电流平均值30mA以下、前端值80mA以下，控制输出负载电源电压DC5～24V、负载电流100mA以下残留电压0.8V以下(负载电流100mA时)、残留电压0.4V以下(负载电流40mA时)，为NPN集电极开路输出型，所述的导管为

厚度1mm的半透明导管。

6.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的网络传输层通过无线传感器节点完成数据采集及传输，利用不同的传感器采集不同的信息，应用到不同的场合；汇聚(sink)节点实施无线传感器节点信息的汇集，通过无线接口跟传感器节点进行通信，并通过RS232接口跟Web服务器实现信息交互；无线通信模块负责无线传感网络节点与节点之间进行无线通信。

7.根据权利要求6所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的无线传感器节点的传输距离在0～50m范围内编程设置，有效距离达50m以上，睡眠状态电流为5mA，节能模式下为110μA；所述的汇聚节点的信号处理部分采用低功耗微处理器芯片ATmega128，射频部分采用CHIPCON公司的CC2420芯片，扩展存储采用容量为512KB的低功耗FLASH存储器。

8.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的信息处理层主要由后台监控系统完成，后台监控系统对数据进行分析处理，完成对系统状况的实时显示、历史数据的记录查询、异常状况的报警处理，后台监控系统具有口令权限管理功能，上位机监控软件采用C#.net编程，后台数据库使用SQL Sever 2005。

9.根据权利要求8所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的监控系统划分为三个基本的功能模块：数据通讯模块、系统管理模块和监测状态显示模块，分别完成数据通讯、系统管理、监测状态显示三方面的工作；

所述的数据通讯模块负责远程监控计算机和无线传感网络之间通讯，主要功能为读取现场监控设备的状态和现场设备采集的数据；所述的系统管理模块主要起到对系统内的用户权限，以及对历史数据和操作日志进行备份、查询、统计的功能；所述的监测状态显示模块为一组直接面向用户的图形接口，负责实时数据显示和设备运行状态的显示以及对报警信息的处理。

10.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的水情监测系统，其特征在于，所述的监测系统采用无线传感网络路由协议，路由协议是建立一个以汇聚节点为根节点的树型拓扑，每个节点向自己的父节点转发数据；在路由中，节点还维护自己和邻居节点之间的双向链路质量评估，并根据评估值选择邻居节点中跳数最小，链路质量最好的作为父节点；路由协议分为拓扑建立、路由维护和数据转发三个阶段，在拓扑建立阶段中，节点主要根据到汇聚节点的跳数信息，建立起到汇聚节点的最短跳数路由，在路由维护阶段中，首先要对链路质量进行评估，链路估计根据节点统计一定时间内从某个邻居节点接收到的分组占该邻居节点发送往该节点的分组数量的比重，进一步采用指数加权位移平均(Exponential Weighted Moving Average，EWMA)链路估计值，采用节点通过评估到邻居节点的通信质量选择最小跳数下通信质量最好的节点作为父节点，在数据转发阶段中，路由协议提供当前的父节点信息给网络层程序，供网络层进行路由决策。

Images