张子航，王澍，田天文
（1.长江芜湖航道处，安徽 芜湖 241000；
2.长江武汉航道局，湖北 武汉 430014）
根据内河航道航标管理的需要，采用了基于无线传感网络的内河航道航标遥测监管系统，采用了ZigBee技术和GPRS 无线通信技术实现了航标遥测数据的远程传输，通过在航标上安装传感器，利用传感器采集的航标遥测数据，实现了对航标状态信息的监测。实验结果表明：系统能够对内河航道中的航标进行远程实时监测，具有安装方便、成本低、适用范围广、运行稳定等优点，可以用于内河航道航标维护管理。
内河航道航标遥测监管系统主要由监控中心、航标监控设备和现场监控设备组成[1]。监控中心主要功能是负责整个系统的运行，及时获取现场航标的状态信息，并通过GPRS 和ZigBee 网络将这些信息传送到远程控制终端。
1.1 航标监控设备
航标监控设备主要由监控终端和远程控制终端两部分组成。监控终端是一个集成了各种传感器、数据采集和处理的设备，它通过无线传输网络将现场航标的实时状态信息传输到远程控制终端，并将这些信息以各种方式存储在相应的数据库中[2]。监控终端一般安装在现场航标附近，通过无线网络与远程控制终端连接，并通过GPRS 或ZigBee 等无线通信方式将现场航标的状态信息传输到管理中心。
1.2 现场监控设备
现场监控设备是对航标进行监测和控制的核心，其主要功能是实时监测现场航标的各种参数，并根据采集的数据进行分析和处理，一旦发现异常情况，则及时向监控中心发送报警信号[3]。现场监控设备可以采用多种不同类型的传感器来采集航标的各种信息，如温度、压力、流量、水位、气象等。现场监控设备主要由数据采集终端、传感器和控制器组成。数据采集终端主要负责采集现场航标的各种参数信息，并将这些信息通过无线网络传输到监控中心。传感器主要负责对航标状态进行实时监测，通过内置的温度、压力传感器和流量传感器等采集航标内部和外部的各种信息，并将这些信息通过无线网络传输到现场监控终端。控制器主要负责对传感器采集到的数据进行分析处理，并将处理后的数据发送到远程控制终端，从而实现对现场航标状态进行远程监测和控制。
1.3 监控中心
监控中心作为整个系统的核心，主要完成对监控终端和现场监控终端的管理、数据处理、航标状态监视、告警等功能。监控中心一般采用PC 机作为操作系统，在PC 机上安装相应的客户端软件，实时处理采集到的各个现场航标的状态信息，并通过无线传感器网络将这些信息传送到远程控制终端，并通过无线传感器网络将这些信息反馈到远程控制终端。
传感器终端单元是整个系统中的核心部分，它采集的信息是整个系统的基础[4]。传感器终端单元主要由航标数据采集模块、GPRS 模块、信息显示模块和控制装置等组成，航标数据可将各部分的状态信息通过无线射频技术（如图1 所示）发送到供电电路上，并通过GPRS 无线通信技术将数据传送到网络平台，对航标数据进行处理并向终端设备发送报警指令。
图1 无线射频技术
2.1 航标数据采集模块
航标数据采集模块由信号采集单元、数据处理单元组成。信号采集单元由微控制器、传感器、变送器等组成。数据处理单元完成数据的收集和处理，并将收集到的数据通过GPRS 模块传输给远程控制中心。
航标数据采集模块内各部分功能如下：
2.1.1 信号采集单元
信号采集单元主要是用来感知外界环境信息的，它的输出信号是模拟信号，通过变送器进行变换后，再经过信号采集电路转化为数字信号，然后通过GSM 模块将数字信号传送到远程控制中心。
2.1.2 数据处理单元
数据处理单元主要由微处理器、存储器和软件程序等组成。微处理器是整个系统的核心部件，它主要完成对采集到的数据进行处理和存储，同时也负责与控制中心的通信。在本模块中采用了基于单片机的自带A/D 转换功能的TMS320F2812 型微处理器，它集成了微控制器、存储器、A/D 转换器和其他外围电路。
串口接口电路用于与控制中心进行数据通信；
USB接口用于与终端设备进行数据传输。
2.2 GPRS 模块
GPRS 模块的主要功能是与远程监控中心进行数据通信。GPRS 模块数据通信流程如图2 所示，监控中心通过GPRS 模块与传感器终端进行数据交互，实现了数据的无线传输。
图2 GPRS 模块数据通信流程
GPRS 模块该模块支持2G/3G/4G 多模式网络，能够提供高速可靠的数据传输，特别适合在移动环境下工作。此外，SIM500C 模块采用了低电压供电方式，可为设备提供1 年以上的电源保障。SIM500C 模块工作频率为2.4GHz，采用了2 个单通道接口和4 个复用器接口，便于与其他终端设备连接。
2.3 信息显示模块
信息显示模块用于对采集到的航标状态信息进行显示，它包含了两大部分：信息显示软件和信息显示终端。信息显示软件用于实现航标状态信息的动态显示，也可以设置阈值，当超过设置的阈值时，信息显示终端会自动向控制装置发送报警指令。监控中心可向客户端软件提供用户界面，在客户端上显示航标实时状态信息和历史状态信息。
控制中心单元是整个系统的核心，主要负责对各个传感器进行配置和参数设置，并对各个节点的数据进行处理和存储[5]。同时对采集到的数据进行显示和存储。本系统的控制中心单元由数据处理模块、网络管理模块、数据存储模块等组成。
3.1 数据处理模块
数据处理模块主要完成传感器数据的处理和分析。首先对采集到的航标状态信息进行滤波，剔除传感器信号中的干扰信号。然后利用ZigBee 网络将采集到的航标状态信息传输到网络管理模块中，该模块完成对航标状态信息的存储，并提供一定的历史查询功能。
3.2 网络管理模块
网络管理模块是整个系统的中枢，它负责协调和管理各个ZigBee 节点和GPRS 基站之间的通信。网络管理模块可以通过GPRS 基站与监控中心进行通信，并在监控中心提供给用户一定的界面，用户可以通过该界面对各个节点采集到的数据进行历史查询。
3.3 数据存储模块
数据存储模块主要负责将采集到的航标状态信息通过ZigBee 网络传输到网络管理模块中，对各个传感器节点的配置和参数设置，并对采集到的航标状态信息进行分析和处理，将处理后的数据通过ZigBee 网络传输到网络管理模块中。
航标遥测监管系统中数据传输模块采用了ZigBee无线网络技术和GPRS 无线通信技术，实现了对内河航道中的航标遥测数据的远程传输[6]。ZigBee 无线网络是一种短距离、低速率的无线网络技术，它可以工作在低功耗的模式下。它能够有效地将信息发送到指定的目的节点。它可以支持多个终端节点，每个终端节点都可以有自己独立的电源和数据处理能力，ZigBee 终端设备在整个系统中作为一个中继设备。
ZigBee 协议由三个部分组成，即网络层、应用层和网络通信协议。网络层协议用于确定和配置各无线传感器网络节点的功能；
应用层协议用于向ZigBee 节点传递任务、状态信息等；
数据通信协议用于与终端设备进行数据传输。
本系统采用了CC2530 芯片作为ZigBee 无线模块，CC2530 是一款低功耗、低速率的无线通信模块，其传输速率为10Mbps，可在正常工作模式下工作12 个月，当采用休眠模式时，可实现电源自动切换，具有良好的节能特性。
4.1 CC2530 的应用
CC2530 是基于CC2530 芯片生成的无线通信模块，在使用该模块时，首先要进行如下设置：①当监听网络状态时，可通过命令方式对终端设备进行管理；
②当终端设备处于休眠状态时，可通过命令方式对终端设备进行管理；
③当终端设备处于监听状态时，可通过命令方式对终端设备进行管理；
④在通信模式下，CC2530 模块会自动判断网络是否可用，如果可用则进行数据传输；
⑤当网络出现异常时，CC2530 模块会自动删除掉该网络中的所有节点，同时发送一个命令到该网络中的其他节点。
4.2 GPRS 网络的连接
GPRS 是一种基于IP 协议的无线分组数据传输技术，其主要功能是将各种数据包从一个网络传送到另一个网络，实现在不同地点的数据交换。GPRS 网络是由GSM 网发展而来，GPRS 采用GSM 技术，实现了在移动终端和网络之间的数据传输。当移动终端与移动网络建立连接后，将自动从GPRS 网络下载相应的数据包。GPRS 模块主要由数据通道（1×3）、数据通道（2×3）、控制单元（4×3）组成。
航标遥测监管系统中GPRS 模块主要完成两项任务：一是将采集的数据包通过GPRS 网络传送到远程服务器，二是将远程服务器发送来的数据包通过GPRS 网络传送到客户端。利用GPRS 模块，可以实现对内河航道航标遥测数据的远程传输，同时还可以利用无线传感器网络技术对采集到的航标遥测信息进行实时监控。
4.3 系统软件设计
系统软件的设计包括GPRS 通信程序、ZigBee 节点程序和上位机监控软件三部分。GPRS 通信程序是对无线传感器网络节点进行初始化、建立连接、数据交换、通信协议等操作的过程，主要包括GPRS 通信初始化、命令控制等部分，最终实现对航标遥测数据的远程传输。在上位机接收数据时，只采用单一线程，那么用户在查询历史数据时，就会造成数据接收延迟，为避免这一现象，系统在接收命令程序中，采用了定时器和中断服务相结合的方式，当接收到ZigBee终端设备发出的命令时，通信过程中采用串口接收外部数据包，可实现对数据包的实时接收。通过定时器来调用中断服务程序，并使之中断。
总的来说，本系统通过ZigBee 技术和GPRS 无线通信技术实现了对内河航道航标的遥测监管，实现了对内河航道航标遥测数据的远程传输。利用传感器采集航标状态信息，采用ZigBee 技术实现了航标遥测数据的远程传输，为内河航道航标维护管理提供了一种有效的手段。可以实现多座单座航标处对多个单座航标进行监测。
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