[发明专利]灌区监测无线传感器网络及其通讯协议

说明书

技术领域

本发明公开了一种灌区监测无线传感器网络及其通讯协议，属于无线传感器网络和电子测控领域。

背景技术

现有的灌区信息化系统，大多采用有线方式将水位、雨量、闸位、土壤含水量等传感器和数据采集器进行连接，传输水情、雨情、工情、墒情、旱情和气象等信息，这种方法存在布线复杂、线路易受意外损坏、安装和维护成本高的缺陷。同时，当需要增加测量参数时，往往需要对数据采集器硬件和软件进行修改，系统的扩展性较差，使用不方便。为了克服以上缺陷，用无线通信取代有线通信，是灌区监测等工业应用的一个发展趋势。

随着无线传感器网络技术的发展，因其具有通信便利、部署方便的优点，而得到了广泛的应用。将无线传感器网络技术应用于灌区信息化系统，构建面向灌区监测的无线传感器网络，以无线传输方式代替有线传输方式，可降低安装和维护成本，提高系统可靠性和扩展性。

灌区信息化系统以对水情、雨情、工情、墒情、旱情和气象等自动化监测为基础，融合计算机、现代通讯、人工智能、数据库等技术，对水资源信息的自动采集、传输和处理，从而实现防汛、供水、发电、灌溉等优化调度，提高灌区水资源的合理开发利用。

对于小型灌区，因其涵闸规模小，闸孔数不多，且只需监测水位、闸位和雨量等水情、雨情和工情数据，闸位传感器节点、水位传感器节点和雨量传感器节点部署在汇聚节点周围，均以一跳的方式与汇聚节点交换信息，采用星型结构构建网络，可提高网络数据传输的可靠性和实时性。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有灌区数据采集系统的上述缺陷，提供一种灌区监测无线传感器网络，采用如下技术方案：

一种灌区监测无线传感器网络，其特征在于所述无线传感器网络采用星型拓扑结构，包括信息管理中心、汇聚节点和部署在汇聚节点周围，以一跳的方式与汇聚节点交换信息的多种传感器节点，传感器节点分为水位传感器节点，闸位传感器节点和雨量传感器节点，传感器节点负责采集现场信息并进行处理获得有效数据，再将有效数据通过无线通信方式发送给汇聚节点；汇聚节点连接无线传感器网络和外部网络，对传感器节点发送来的数据进行分析，并将分析结果通过GPRS(General Packet Radio Service)网络发送给信息管理中心；信息管理中心根据接收到的数据判断传感器节点的工作状态，并采取相应措施。

本发明的另一目的在于提供基于上述无线传感器网络的通讯协议，采用面向单覆盖WSN(Wireless Sensor Networks)监测应用的MAC(Media Access Control)协议-STAR MAC(STAR Media Access Control)。采用星型拓扑结构的无线传感器网络中汇聚节点和传感器节点之间，普遍采用基于TDMA(Time Division Multiple Access)的MAC协议。针对STAR-WSN(STAR-Wireless Sensor Networks)汇聚节点能量不限、较多采用星型结构的特点，对基于TDMA的MAC协议进行改进。具体方案如下：

采用面向单覆盖WSN监测应用的MAC协议-STARMAC，在无线传感器网络建立和使用过程中，位于监测现场的传感器节点都要经历加入网络、工作和退出网络三个步骤，汇聚节点始终处于发送/接收的循环工作状态，汇聚节点在发送阶段时，广播一定数目信标帧，对网内节点进行同步并分配时隙；欲发送数据的传感器节点接收任一帧信标帧，建立同步并延时，待汇聚节点转入接收状态后，在规定时隙向汇聚节点发送数据。

有益效果：灌区监测无线传感器网络(Irrigation Monitor Wireless Sensor Network，IMWSN)具有一般无线传感器网络的特点外，具有自身节点可部置、汇聚节点能量不限、单覆盖和数据流量不太大的特点。对多覆盖无线传感器网络的通讯协议等关键技术进行研究和改进，适用于IMWSN，可降低节点的功耗，延长节点的生命周期，并提高可靠性。

IMWSN实现了灌区水情、雨情、工情、墒情等信息的自动采集、传输、显示、存储和处理，提高了灌区管理效率；提高了水的利用率，实现了科学用水、节约用水的目的；对发展灌区农业经济和水利经济，有效扩大灌溉面积，建设良好生态环境，实现灌区经济可持续发展可产生积极的作用。

附图说明

图1是本发明的无线传感器网络体系结构。

图2是本发明专利的STAR-MAC协议改进MAC协议示意图。

图3是本发明专利的无线传感器网络功能说明图。

图4是本发明专利的汇聚节点结构图。