智能灌区监测：无线传感器网络节点方案

（一）灌区信息化概述

灌区信息化是计算机技术、自动控制技术、系统工程技术和水利信息地理信息系统相结合的产物，是集采集-处理-决策-信息反馈-监控于一体的系统，以实现水资源的合理配置和灌溉的优化调度。

一般而言，中国现有的灌区信息系统大多采用有线方式采集水位、降雨量、闸门位置、土壤含水量等参数和传输水情、雨情、干旱和气象等信息，这种方法存在布线复杂、受自然条件限制、线路容易损坏、安装维护费用高的缺点。同时，当要增加测量参数时，需要修改数据采集硬件和软件，系统的可扩展性差，使用不便。无线传感器网络的工作模式和特点以及灌区信息系统的应用环境，使得无线传感器网络在灌区信息采集应用中具有天然优势，易于安装、维护、使用，并有较强的可扩展性。因此，对于灌区信息化，开展无线传感器网络的应用研究具有十分重要的意义。

（二）灌区监测无线传感器网络的结构和特点

灌区的管理主要是对闸门的控制和对各种传感器的管理。灌区一般都建有闸站站房，并使用交流电，因此将汇聚节点布置在闸站站房中。根据灌区规模大小和地理环境的差异，传感器布设情况也有不同，结合无线传感器网络的构造，用于测试灌区的无线传感器网络能够采用构造不同的网络，如适合微小型灌区的星形结构、适合中型灌区的链状结构和适应大型灌区的星链状混合结构。

无论是采用星状结构、链状结构还是星链状结构，这种应用系统都需要使用不同种类、不同数量的传感器来提供灌区中不同地点的与水相关的信息，主要是农田中不同地点的土壤含水量、雨量信息和闸站的水位、闸位信息等。因而需要测量不同参量的传感器节点，并以无线方式经过多跳通信将信息传送、汇集到闸站。这些节点有的只需测量单一参数，有的需要观测多种参数，但都必须满足低功耗要求。对此，需要进行针对性研究，设计出符合灌区网络化信息采集要求的无线传感器网络系统与节点。

（三）传感器网络系统设计

1.系统结构

灌区监测系统是一个基于无线传感器网络的应用系统，包括传统传感器节点、汇聚节点和管理节点。现场传感器网络由雨量节点、水位节点和闸位节点组成。管理节点由位于信息中心的网络系统和信息移动终端组成，汇聚节点和信息移动终端采用GPRS和信息中心线路交换信息。

2.功能

（1）传感器节点是灌区信息的来源，负责采集水位、闸门位置、降雨量、土壤含水量等局部信息，并通过RF通信模块将数据传输到汇聚节点。

（2）汇聚节点属于WSN内部网络与管理节点的接口，能够通过传感器网络与Internet等外部网络相连，进行协议栈之间的通信协议转化，管理节点的监控工作，接收各传感器节点发送的数据，并通过GPRS网络实时上传至信息中心和转发到外部网络。

（3）管理节点的功能是采集、储存和处置实时数据，查找和归纳历史数据，它由信息中心的网络系统和信息移动终端构成，终端用户可通过Internet异地访问中心数据。

对于汇聚节点和管理节点的设计，因为与传感器测量的关联性不大，这里不再介绍。

（四）传感器节点设计

传感器节点包括传感模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块4部分。传感模块的功能是收集水位、雨量、闸位、土壤含水量和温度等参量；微处理器模块的功能是对整个节点的运行进行把控、对传感器得到的信息数据做好保存工作；无线通信模块负责收发数据和交换控制信息。

1.低功耗设计

无线传感器网络节点的能耗决定了整个网络的生命周期。从硬件结构看，一般认为节点的能耗主要指微处理器模块和无线通信模块的能耗，选择高性能低功耗的微处理器和无线射频模块可大大降低节点的能耗，延长网络的生命周期。

（1）微处理器：从实际工作时间长度和低功耗考虑，选择休眠时功耗低的微处理器有利于降低节点能耗。MSP430系列单片机因其低功耗优势，被广泛应用于传感器节点中，因此该系列的单片机被选为雨量等监测的传感器节点的处理控制机。

（2）射频模块：由于TI公司的无线通信模块CC2420的功耗相对较低，且便于与单片机通过SPI接口连接，因此选用基于CC2420的无线收发模块作为节点的无线通信模块。

（3）传感器：传感器的功耗涉及多个方面，在满足基本功能和性能要求的前提下，从测量原理、工作周期、器件选型、信号调理电路和数据处理等方面考虑低功耗和节能。传感器的低功耗设计是节点低功耗设计的一部分，在设计中有更多的选择和效果，其中低功耗效应与传感器类型有很大的关系。

2.传感器选型与节点硬件设计

该系统主要涉及雨量、水位/闸位和土壤水分的监测，这3种参量的传感器存在不同的使用要求，可选范围不同，还需考虑实现测量的低功耗要求。在3种参量传感器中，雨量传感器的品种最多、测量方式差异最大，以下重点介绍雨量监测节点的传感器选型。

（1）雨量监测节点。雨量传感器也称为雨量计，它是获取雨量信息的传感仪器。从某种意义上讲，雨量仪技术的发展也是降雨信息采集技术的发展。雨量仪器经历了传统观测、常规仪器测量和自动化测量的发展过程，正朝着智能化和网络化的方向发展。传统观测主要采用雨量计和虹吸雨量计。雨量计一般包括雨量筒和量杯，用量杯来测量雨量。虹吸式雨量计可以自主测试降雨，它是一种可以获得总雨量、降雨开始和结束的时间以及降雨随时间的分布情况，以计算强降雨的仪器。在小雨的情况下，测量精度更高，性能更稳定。然而，这2种仪器的原理限制了将降雨量转换为电信号输出和进一步的数据处理，并且也不能在长距离上传输。

进入自动化阶段的雨量计具备了采集、传输、处理、存档、检索和服务等功能，具有向遥测化、系统化和网络化发展的潜在基础。除在原有基础上不断完善外，还产生了一些新型雨量计，如浮子式雨量计、容栅式雨量计、超声波雨量计、光学雨量计等。

浮子式雨量计实质是一种浮子式水位测量仪器，浮子通过感应进入浮子室的雨量水位的变化得到降雨量，分辨力可达0.1mm，并能适应大范围的降雨强度。但它结构复杂，且价格高、可靠性低、使用复杂，因此只能在一些特殊场合中使用，不能大范围推广应用。(www.xing528.com)

容栅式雨量计的主要结构与浮子式雨量计相似。不同之处在于前者在浮标上安装感应尺，利用感应尺感测浮子室的降雨量变化，以获得降雨量。雨量的测量精度与感应尺的精度有关。与浮子式相比，容栅式克服了浮子的测量阻力，但其结构仍然复杂、价格高、可靠性低。

超声波雨量计基于超声波在不同介质中传播特性的差异。其优点是精度高，适应降雨范围强度大，克服了上述雨量计的损失误差，但结构复杂、可靠性低、价格昂贵，难以推广。

光学雨量计是一种复杂的间接感测式雨量计，利用光源发射的红外光，经雨滴衍射、散射效应引起光闪烁，通过对闪烁光的光谱分析测得降雨强度及雨量。其测量精度受光源、闪烁光的接收和光谱分析算法影响，误差较大，但能适应大的降雨强度范围，价格昂贵。

表7-1所示是不同类型雨量计的分辨力、适用降雨强度范围和准确度的比较。

表7-1　不同类型雨量计的分辨力、适用降雨强度范围和准确度

从表7-1中可知，翻斗式雨量计虽比其他雨量计的分辨力低（大多为1mm）、适用降雨强度范围小、准确度不高，但它可靠性高，适合长期在野外恶劣环境下工作。其他雨量计的分辨力、降雨强度范围、准确度虽优于翻斗式雨量计，但结构复杂、可靠性低。光学雨量计在工作原理上有别于其他雨量计，误差较大，具有测雪功能，其主要应用场合为机场、港口、高速公路等特殊地点的全天候测雨及测雪。

鉴于翻斗式雨量计的性能优势和脉冲输出特点，从可靠性和接口方便及节能考虑，现地的雨量传感器节点宜选翻斗式雨量计。该节点的构造，DMSP430F149负责节点的数据处理、设备控制、功耗以及任务管理等；CC2420负责无线通信、交换控制信息和收发采集的数据；存储模块负责本身信息和采集数据的本地存储；电源模块用电池供电，并以太阳能电池作为辅助电源。当有降雨时，翻斗式雨量计内的翻斗驱动光电转换器产生一个通断脉冲信号，这是一个雨量值。利用MSP430F149对脉冲进行计数和处理，得到实时雨量处理器模块值，然后通过射频模块CC2420进行传输。

雨量采样电路有可能受到干扰，可根据当地的最大降雨强度用定时器来进行消除。电路中采用RC滤波器，并将雨量脉冲锁存到锁存器，用查询和中断方式采集雨量信号。如果发生降雨的总时间不长，节点大部分时间处于掉电工作方式，该方式工作电流仅为18μA，用干电池可工作较长时间；当需要在野外连续长时间工作时，可选用太阳能电池作为辅助能源。

（2）水位/闸位节点。水位传感器按测量方式可分为非接触型和接触型。非接触型液位传感器主要有微波雷达液位传感器、振动液位传感器、超声液位传感器和光电、光纤液位传感器等；接触型的主要有电容式、电位计式、浮体式等液位传感器和磁致伸缩液位传感器。

常用的水位/闸位传感器有光电式和机械式编码器等。从节能和方便接口考虑，水位/闸位节点选用光电式编码器。其编码方式采用格雷码、变形码等，大多以并行方式输出码值。MSP430F149通过内部I/O口读入传感器数据，然后经过处理之后，通过射频模块CC2420发送。

（3）土壤含水量节点。土壤含水量传感器有FDR、TDR、驻波比法、高频电容探头法、甚高频晶体传输线振荡器法、微波吸收法等多种方法，都是通过采集土壤湿度获得其水分信息。

FDR频域反射法是运用了电磁脉冲规律、按照电磁波在介质中传播频率来测试土壤的表观介电常数，获得土壤容积含水量的。FDR具有方便、快速、不扰动土壤、工作频率和测量范围宽、不受滞后影响、精度高等优势，可自动、连续地定点监测土壤的动态含水量。

TDR时域反射法的原理是在一条不匹配的传输线上的波形会发生反射。传输线上的所有波形都是由原有波形和反射波形叠加在一起形成的。TDR的设备反应时间为10～20s，适合动态测量和静态监测，盐度几乎不会对测试结果造成影响，但是它的缺陷是电路比较复杂、设施价格比较贵。

FDR几乎具有TDR所有的优点，探头形状非常灵活。FDR需要比TDR更少的校正工作。针对FDR型土壤含水量测量的优点，土壤水分传感器节点选择FDR土壤含水量传感器，并利用MSP430F149采集并处理输出的含水率测量数据，然后通过CC2420进行传输。

（五）现地信号处理

现地信号因随机干扰而导致随机测量误差，为消除干扰，可采用硬件滤波方法和软件方法，即数字滤波来抑制信号中的干扰成分，消除误差。因数字滤波法使用灵活，通过改变滤波程序参数就可实现不同的滤波效果，所以信号处理的方式就选用数字滤波这种方式进行。

针对灌区采集数据具有信号变化缓慢、信号采集周期较长的特点，对常用数字滤波法进行综合分析，得出一种数据池滑动中值平均法，具体方法如下：

开辟n组存储单元的数据池，存放n个按先后次序不同时刻采集的数据，位于数据池最后的数据为最近采集的数据。设T时刻的数据池中有n个数据为：

T时刻采集到的一个数据a，将原数据池中第一个数据a1丢弃，a2，…，an

向前滑动一位成为新的a1，…，an-1，新数据a添加到此数据池中作为新的an。

再将这个数据池的n个数进行排序，取其中K个数求算数平均所得为输出结果。设bi，…，bj为数据池n个数据排序后中间的K个数据，则滤波输出结果为：

可根据实时性要求决定数据采集时间间隔，同时可根据实际效果调整数据池中数据的个数。由于数据池中几个大数和小数都要去除，取中间数据均值可有效消除脉冲干扰。