基于WSNs的巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

童曉紅陳 玲徐 偉李恒勝楊 磊

(1 合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)系，安徽 合肥 238000）

(2 安徽斯瑪特物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，安徽 合肥 231000）

基于WSNs的巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

童曉紅1陳 玲1徐 偉1李恒勝1楊 磊2

(1 合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)系，安徽 合肥 238000）

(2 安徽斯瑪特物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，安徽 合肥 231000）

介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。通過ZigBee無線技術(shù)與wifi、GPRS等通信技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)對水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、處理、遠(yuǎn)程存儲(chǔ)、顯示和實(shí)時(shí)分析并預(yù)警。并通過實(shí)驗(yàn)測試，取得實(shí)質(zhì)性成果。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；Wifi；GPRS；水質(zhì)監(jiān)測

巢湖位于安徽省皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)重點(diǎn)區(qū)域中。近年來經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)高速發(fā)展的同時(shí)，水質(zhì)環(huán)境問題顯得日益突出。我國環(huán)保部《2010年—2020年先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)綱要》要求對全國重點(diǎn)湖庫、飲用水水源地水質(zhì)等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測。本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對巢湖現(xiàn)有水質(zhì)建立實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活、野外多種電源供電設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)多形式發(fā)送與存儲(chǔ)[1]、可在各類復(fù)雜環(huán)境下通過分布固定基站及浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)對巢湖水質(zhì)進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測與峰值預(yù)警等特點(diǎn)，對未來環(huán)巢湖整體湖面水域真正實(shí)現(xiàn)智能、實(shí)時(shí)的監(jiān)測預(yù)警具有一定的借鑒價(jià)值與指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs）的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本為監(jiān)測中心、基站、網(wǎng)關(guān)、傳感器節(jié)點(diǎn)等[2]。傳輸方法有直接傳輸、采用Zigbee、IEEE802.15.4等。本文著重從電源模塊種類、傳感器選擇、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面闡述多參數(shù)實(shí)時(shí)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)具有多路傳感器集成模塊和一路根據(jù)不同野外采樣環(huán)境特定性要求采用的通信集成模塊，為了避免信號(hào)間的相互干擾，在電源管理模塊的設(shè)計(jì)上要考慮相互隔離，以提高系統(tǒng)的可靠性。在電源供給方式上，由于環(huán)巢湖野外環(huán)境的要求，固定采集點(diǎn)(包括國家在環(huán)巢湖區(qū)域設(shè)定的8個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)）可以通過市電直接供電(轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)要求的24 V、12 V與5 V），不具有市電供給的采集點(diǎn)可選太陽能供電及蓄電儲(chǔ)放系統(tǒng)、鋰電、干電供給方式等技術(shù)解決。

這里要著重提及太陽能供電系統(tǒng)，包括太陽能電池板、充電控制器和蓄電池構(gòu)成[3]。在有陽光的時(shí)候，太陽能電池板給電池充電，同時(shí)電池維持系統(tǒng)正常運(yùn)行;在沒有陽光的時(shí)候，電池則依靠本身所存儲(chǔ)的能量維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)功耗主要是24 V、12 V及部分5 V供電?？紤]到水質(zhì)現(xiàn)場周邊環(huán)境揚(yáng)塵、水霧影響光電轉(zhuǎn)換效率等因素，最終選擇的太陽能電池板功率為110 W (2塊55 W太陽能電池板并聯(lián)），且系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)使監(jiān)測子系統(tǒng)完全無需市政供電[4]。

國家環(huán)?？偩钟?003年3月28日發(fā)布了環(huán)保行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》(HJ/T96-104-2003），并于2003年7月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)共包括9個(gè)水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)分析儀技術(shù)要求，即pH值、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧(DO）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷和總有機(jī)碳(TOC）[5]，這一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，保證了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范化要求。巢湖為國家重點(diǎn)建設(shè)的河湖水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)區(qū)，日前國家級(jí)8個(gè)剖面單價(jià)百萬元的多參數(shù)水質(zhì)分析儀浮標(biāo)站正加緊建設(shè)，本項(xiàng)目基于多傳感器移動(dòng)式監(jiān)測顯得特別必要與及時(shí)。

傳感器的選擇主要考慮通信數(shù)據(jù)接口的選型 (RS485、RS232、RS422）、信號(hào)處理與精度要求、信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)選取的閾值大小、價(jià)格及是否支持二次開發(fā)等[6-7]。這里以pH值傳感器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)加以說明。本設(shè)計(jì)采用E-201-C復(fù)合玻璃電極，該pH電極測量范圍為1～14，電極內(nèi)置熱敏電阻器，可用于溫度測量或者溫度補(bǔ)償功能。pH值復(fù)合電極輸出是mV級(jí)，且內(nèi)阻很高。在信號(hào)調(diào)理電路中，第1級(jí)將pH電極的輸出與CA3140電壓跟隨器相連，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。第2級(jí)用AD623放大芯片，使之輸出滿足0～5 V，滿足A/D轉(zhuǎn)換的輸入范圍，通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)定的計(jì)算公式可以計(jì)算出所求的pH值的大小[8]：

pH值信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

鑒于環(huán)巢湖區(qū)域水質(zhì)的多樣性及監(jiān)測的復(fù)雜性，因此在采集器的傳感器輸入路數(shù)、信號(hào)模擬量類別(電壓、電流）及量程、輸入通道差分與隔離要求、通信協(xié)議、通信接口是否提供光電隔離及浪涌保護(hù)、電源選型及是否具有過流過壓保護(hù)和防反接功能等都要一定的技術(shù)及功能支持[9]。

系統(tǒng)選用通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[10]，把數(shù)字量模塊和模擬量模塊采集到的數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)包先經(jīng)過加密算法加密后[11]，利用網(wǎng)關(guān)的GPRS通信模塊與地面移動(dòng)基站(或利用WiFi與無線寬帶路由器、網(wǎng)關(guān)等）通信，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心或者云服務(wù)器，如圖4所示。對國家級(jí)剖面并且是固定漂浮式采集節(jié)點(diǎn)，可以結(jié)合太陽能光電轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)考慮使用GPRS方式，其他盡量使用WiFi與ZigBee通信方式。這兩種方式都有一定的缺陷與不足，特別是WiFi受傳輸距離、寬帶、范圍、干擾等影響，GPRS長期占用費(fèi)用高，這些在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與野外場景布點(diǎn)時(shí)也是有差別的。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)庫采用多元異構(gòu)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[12]。主要數(shù)據(jù)庫包括節(jié)點(diǎn)信息表、運(yùn)行日志表、原始記錄表、報(bào)警記錄表等。節(jié)點(diǎn)信息表(ms_inf）保存區(qū)域各個(gè)固定基站及漂浮移動(dòng)監(jiān)測站的序號(hào)、地理位置、采集處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)、維護(hù)人員信息等數(shù)據(jù)；運(yùn)行日志表(run_inf）記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括站點(diǎn)序號(hào)、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等；原始記錄表(real_inf）保存監(jiān)測站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括全部各類設(shè)定的水質(zhì)要素；報(bào)警記錄表(alarm_inf）記錄編號(hào)、傳輸模塊、數(shù)據(jù)類別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、閾值、所屬節(jié)點(diǎn)、標(biāo)志位[13]；將所有節(jié)點(diǎn)整合在一個(gè)數(shù)據(jù)庫表中，用時(shí)間和站點(diǎn)代號(hào)及數(shù)據(jù)類型作為主鍵。

巢湖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能模塊目前包括：水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)、水質(zhì)分析決策子系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)警子系統(tǒng)三大塊。其中水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)是基于.NET框架進(jìn)行的Web系統(tǒng)設(shè)計(jì)，B/S模式實(shí)現(xiàn)過程[14]，主要包括系統(tǒng)管理、節(jié)點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示及圖表數(shù)據(jù)管理等；水質(zhì)決策分析系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)挖掘決策分析模型[15]，利用Web Service中間件技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析，為水質(zhì)預(yù)警與峰值報(bào)警提供基線閾值范圍；水質(zhì)預(yù)警子系統(tǒng)屬于移動(dòng)終端設(shè)計(jì)，開發(fā)的基于android平臺(tái)的app在移動(dòng)終端與手機(jī)安裝后，利用WiFi與GPRS流量接入到遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)中心后臺(tái)就可以實(shí)時(shí)了解巢湖水質(zhì)動(dòng)態(tài)值與變化，對峰值可實(shí)現(xiàn)短消息實(shí)時(shí)報(bào)警，并能實(shí)現(xiàn)不斷完善其功能的系統(tǒng)升級(jí)，本系統(tǒng)如圖5所示。

3 實(shí)測結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試還是需要多次驗(yàn)證與糾錯(cuò)才能實(shí)現(xiàn)預(yù)想結(jié)果。目前初期現(xiàn)場實(shí)測是在巢湖東湖區(qū)選定4個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，其中包括1個(gè)數(shù)據(jù)基站(太陽能基站）及1個(gè)監(jiān)測中心，另外兩個(gè)水面定點(diǎn)浮標(biāo)上(屬于國家級(jí)水質(zhì)監(jiān)測地面基站位置）。2014年10月1日上午10時(shí)左右同時(shí)在表層30 CM處對常規(guī)五項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測。同一時(shí)間同一監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所在位置，分別采用人工監(jiān)測和本系統(tǒng)監(jiān)測兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，所得監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示，測量精度基本能滿足完全水質(zhì)監(jiān)測的要求，但還是有一定的誤差。

4 結(jié)論

綜上所述，我們已經(jīng)基本完成各單元的原理性測試和驗(yàn)證工作，研制了部分節(jié)點(diǎn)類型的調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集信號(hào)的通信模塊、基于數(shù)據(jù)中心的動(dòng)態(tài)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比較精準(zhǔn)的無線水質(zhì)參數(shù)采集，其創(chuàng)新點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)自組織、無需人工干預(yù)與人工實(shí)測就可以對湖泊環(huán)境中的常規(guī)五項(xiàng)進(jìn)行連續(xù)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測，利用WSNs技術(shù)在大面積湖泊水質(zhì)的自動(dòng)采集，無線傳輸和實(shí)時(shí)處理，而且不受地域、時(shí)域的限制[16]。與采用在線水質(zhì)分析儀的同類產(chǎn)品相比，這種多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量誤差較小、精度基本能滿足測量需求、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定、效率高、克服了有線通信在大區(qū)域無法構(gòu)架的缺點(diǎn)及現(xiàn)場實(shí)測的非實(shí)時(shí)連接監(jiān)測的弊端，其應(yīng)用前景非常樂觀。

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ON THE DESIGN OF THE MONITORING SYSTEM OF WATER QUALITY IN CHAOHU LAKE BASED ON WSNS

TONG Xiao-hong1CHEN Ling1XU Wei1LI Heng-sheng1YANG Lei2
（1 Department of Computer Application Technology，Hefei Technology College，Hefei Anhui 238000）（2 Anhui Smart Networking Technology Co.，Ltd，Hefei Anhui 231000）

This paper introduces the monitoring system water quality in Chaohu Lake based on wireless sensor network（WSN）through using the ZigBee wireless technology，GPRS and WiFi to receive data and achieve remote communications.And it also achieves timing data-collection，processing，remote storage，display，real-time analysis and early warning for the water temperature，PH value，dissolved oxygen，conductivity，turbidity，etc.And through the experimental test，we attain some substantial results.

wireless sensor network（WSNs）；ZigBee；wireless fidelity（Wifi）；general packet radio service（GPRS）；water quality monitoring

TP274

A

1672-2868（2015）06-0082-06

責(zé)任編輯：陳小舉

2015-09-28

安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：KJ2014A219）

童曉紅(1965-），男，安徽巢湖人。合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。