基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

趙立新

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，由此造成的水環(huán)境的污染及破壞也在加速，從這個(gè)意義上講，水環(huán)境監(jiān)測(cè)作為水資源管理和水污染控制的主要方法之一，正變得越來越不可或缺。目前主要有四種監(jiān)測(cè)水環(huán)境的方法，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：(1)便攜式水質(zhì)檢測(cè)裝置的人工取樣和隨后的實(shí)驗(yàn)室分析。該方法僅適用于河流和湖泊橫截面的采樣，采樣頻率范圍從一天到幾個(gè)月不等。(2)通過監(jiān)視器、控制中心以及若干監(jiān)測(cè)子站進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，每個(gè)站提供其實(shí)時(shí)水環(huán)境參數(shù)。然而這些系統(tǒng)成本高，對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境影響很大。(3)利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)水體的光譜特征。在處理來自示例性光譜的集合的信息之后，將識(shí)別其物理和化學(xué)特性。然而，該方法只能提供低精度的水質(zhì)信息，并且難以執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。(4)通過測(cè)量或分析不同水環(huán)境中不同生物活動(dòng)的變化，利用水生生物對(duì)水體中有毒物質(zhì)的敏感性實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，然后進(jìn)行水質(zhì)定性評(píng)價(jià)報(bào)告。實(shí)施這種類型的基本測(cè)量方法包括魚測(cè)量和海灘虱子測(cè)量。盡管如此，這些方法絕不可能達(dá)到水環(huán)境監(jiān)測(cè)的高精度。

本文研究開發(fā)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （wireless sensor network，WSN）是一種 ad-hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由大量微小的傳感節(jié)點(diǎn)組成，能夠感知、計(jì)算和傳輸數(shù)據(jù)[1-3]。它作為一個(gè)智能系統(tǒng)，可根據(jù)不斷變化的環(huán)境自動(dòng)完成各種類型的監(jiān)控任務(wù)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于人工湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)湖水PH值和溫度的遠(yuǎn)程自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)。且與現(xiàn)有的水質(zhì)檢測(cè)方法相比，構(gòu)建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有成本低，監(jiān)測(cè)方便，各種參數(shù)采集，檢測(cè)精度高，責(zé)任追究等優(yōu)點(diǎn)。并以某小區(qū)人工湖為對(duì)象對(duì)其測(cè)試效果進(jìn)行了驗(yàn)證，它的提出可使人工湖水監(jiān)測(cè)更加方便。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提出的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)基站和被監(jiān)測(cè)水域的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心（見圖1）。分布在待監(jiān)測(cè)水域的大量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，來自監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由基站通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，再由監(jiān)測(cè)中心對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析處理，對(duì)水污染等突發(fā)事件進(jìn)行報(bào)警，并對(duì)水質(zhì)突然變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為水污染防治決策提供支持。其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能收集PH、溶解氧量、溫度和電導(dǎo)率等參數(shù)，而且能夠操作線性化和溫度補(bǔ)償，數(shù)據(jù)打包，收集的參數(shù)記憶和路由到數(shù)據(jù)基站。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為水環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域的基本單元，是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的基本單元。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能是：

1）收集待監(jiān)測(cè)水域的溫度和PH數(shù)據(jù)。安裝在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上的PH和溫度傳感器可以滿足上述需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的線性化和溫度補(bǔ)償。

2）基于ZigBee協(xié)議建立無線網(wǎng)絡(luò)，大量監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和基站a基于ZigBee協(xié)議動(dòng)態(tài)組裝到無線網(wǎng)絡(luò)中，通過該協(xié)議將PH和溫度數(shù)據(jù)等路由到基站。

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由傳感模塊、處理模塊、電源模塊、PH發(fā)送器和ZigBee射頻模塊五個(gè)模塊構(gòu)成。除了傳感模塊之外，其他模塊通常放置在漂浮在水面上的防水艙中，并具有掉落的錨。電源模塊為PH發(fā)射器，處理模塊和ZigBee射頻模塊提供電力。傳感模塊位于水中，通過電纜連接到防水艙。PH變送器連接到PH和溫度傳感器后，可收集目標(biāo)水域的PH和溫度。變送器可將PH和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20 mA信號(hào)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過ZigBee通信協(xié)議與基站連接并由基站控制。處理模塊處理和存儲(chǔ)PH和溫度信號(hào)并收集標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后通過ZigBee模塊將它們傳送到基站。

1.2 數(shù)據(jù)處理任務(wù)

數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要是分析來自數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的命令和來自數(shù)據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并激活相應(yīng)的任務(wù)來處理這些消息。它可以通過GPRS接收的中斷子程序激活，ZigBee通過郵箱信息接收中斷子程序。來自數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的命令可以分為兩類：第一類是建立數(shù)據(jù)基站的命令；另一種是控制數(shù)據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的命令。其中，控制監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的命令主要具有建立監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采樣通道的功能，并讀取這些通道的當(dāng)前采樣值。數(shù)據(jù)處理任務(wù)根據(jù)命令幀中的命令編號(hào)調(diào)用相應(yīng)的模塊。如果需要維持GPRS連接，則數(shù)據(jù)處理任務(wù)需要定期發(fā)送請(qǐng)求以維持GPRS連接，如果不需要維持GPRS連接，即從數(shù)據(jù)接收GPRS斷開請(qǐng)求，停止發(fā)送請(qǐng)求，一分鐘后，GPRS模塊將自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)處理任務(wù)重新監(jiān)視節(jié)點(diǎn)接收消息，則需要更新節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由GPRS網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)中心兩部分組成，負(fù)責(zé)監(jiān)控水環(huán)境的變化，控制和管理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，對(duì)水域突發(fā)事件或其他快速環(huán)境變化進(jìn)行報(bào)警。其中，GPRS網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收水環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)中心通過串口與GPRS網(wǎng)關(guān)連接。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由監(jiān)控軟件提供完整的監(jiān)控界面，可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，執(zhí)行歷史數(shù)據(jù)查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和非正常狀態(tài)報(bào)警，最終用戶還可以通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)水域的全天候檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，在南京市江寧區(qū)某小區(qū)人工湖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了設(shè)計(jì)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用LE-438 PH和溫度傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。其溫度測(cè)量范圍為0-60，精度為±0.5；其PH測(cè)量范圍為0-14，精度為±0.05。GPRS調(diào)制解調(diào)器通過串行線連接到主板。CC2430模塊插在主板的右下角，MSP430最小系統(tǒng)板位于主板中間。

實(shí)驗(yàn)中，在人工湖上部署了4個(gè)節(jié)點(diǎn)，以便實(shí)時(shí)和在線監(jiān)測(cè)PH值。此實(shí)驗(yàn)期間，周圍溫度在12到20之間，降雨量適中?？梢杂^察到人工湖PH值范圍從6.5到7.0之間變化，最大值出現(xiàn)在下午3點(diǎn)到下午5點(diǎn)之間，最小值出現(xiàn)在下午8點(diǎn)到晚上9點(diǎn)之間。此外，PH也受降雨影響。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)之前，用 PH4.0，PH7.0和PH10.0的標(biāo)準(zhǔn)品校準(zhǔn) PH探針。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每隔一小時(shí)自動(dòng)收集一次水的溫度和PH值。補(bǔ)償后，4個(gè)節(jié)點(diǎn)收集的PH值和溫度值應(yīng)通過自己的ZigBee通信模塊分別傳輸?shù)交?，平均值?yīng)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。最大PH值發(fā)生在下午3點(diǎn)到下午5點(diǎn)之間。這是因?yàn)槿斯ず械母∮沃参镞_(dá)到了最高的光合作用[4,5]。以下是光合作用的化學(xué)方程式，用于解釋PH的日變化規(guī)律：

在光合作用的高峰期，大量CO2已經(jīng)改為C6H12O6，降低了H2CO3的含量，從而降低了酸度，提高了PH值。PH值受到周溫度和降水變化的影響，并且在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。但每天的變化都非常相似。

在實(shí)驗(yàn)過程中，每隔一小時(shí)對(duì)PH進(jìn)行一次人工取樣，通過比較人工取樣和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的PH值，每日PH值非常相似，表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的PH值的準(zhǔn)確性和可靠性。圖2顯示了通過人工取樣收集的PH的每日變化曲線，其在每隔一小時(shí)一次在上午8點(diǎn)到晚上8點(diǎn)之間進(jìn)行，抽樣過程是勞動(dòng)密集型的。在本實(shí)驗(yàn)中，通過設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)，對(duì)人工湖的PH和溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確有效。心。在節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)之前，它們將對(duì)收集的數(shù)據(jù)執(zhí)行線性化和溫度補(bǔ)償?？偠灾?，系統(tǒng)傳輸存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)上的所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，但它是被動(dòng)傳輸，并且不會(huì)經(jīng)常發(fā)生。系統(tǒng)的通信壓力較小，所以無需處理數(shù)據(jù)壓縮。

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，使用ad-hoc多跳路由來支持ZigBee無線通信。它使用最短路徑優(yōu)先算法，具有單個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和主動(dòng)雙向鏈路估計(jì)。多跳路由器對(duì)我們來說基本上是透明的，并且易于移植到該系統(tǒng)中。通過幀檢查和重發(fā)機(jī)制，可以確保所有命令和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都能成功發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備。綜上所述，該監(jiān)控系統(tǒng)在無線通信可靠性領(lǐng)域具有良好的性能。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它由三部分組成：數(shù)據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)基站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，該系統(tǒng)適用于復(fù)雜和大規(guī)模的水環(huán)境監(jiān)測(cè)，具有監(jiān)控范圍大，配置靈活以及低功耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)自然環(huán)境的損害小、成本較低。

圖2 人工湖PH變化曲線

由于本監(jiān)控系統(tǒng)是低功率系統(tǒng)，具有較長(zhǎng)的采樣周期（通常超過半小時(shí)），并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地節(jié)點(diǎn)上，因此系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采樣期間沒有大量數(shù)據(jù)流量處理。只有當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心從監(jiān)控系統(tǒng)請(qǐng)求歷史數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)才會(huì)將其本地存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，然后基站將所有日期發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中