常見計算機(jī)軟件輔助水質(zhì)監(jiān)測

摘 要：隨著現(xiàn)在工業(yè)的快速發(fā)展，水污染的矛盾日益突出，能夠快速、準(zhǔn)確和自動的進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測就顯得尤為重要。常見計算機(jī)軟件ZigBee與WSN結(jié)合GPS定位技術(shù)，建了水質(zhì)參數(shù)采集的無線通信網(wǎng)絡(luò)，介紹了這兩種軟件是如何輔助進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：水污染；水質(zhì)監(jiān)測；無線通信網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP391.76

近年來，由于工業(yè)的快速發(fā)展，水體污染事件嚴(yán)重危害到公共健康和人類的生活質(zhì)量，導(dǎo)致水環(huán)境逐漸惡化。過去人們通過人工現(xiàn)場采樣、實驗室儀器分析為主要手段進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測模式，這些方式監(jiān)測頻次低、采樣誤差大，難以滿足現(xiàn)代環(huán)境管理的需求。隨著計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)軟件輔助的水質(zhì)監(jiān)測逐漸走入工程師的視野，綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)，能夠自動采集監(jiān)測信息，自動處理，滿足了水質(zhì)監(jiān)測中快速、準(zhǔn)確和自動的需求。

1 硬件設(shè)計

1.1 ZigBee無線通信模塊

ZigBee是一種最新流行的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它具有成本花費少，近距離傳輸信息，復(fù)雜程度比較低，功耗比較少，數(shù)據(jù)傳遞速率比較慢等特點。其數(shù)據(jù)傳遞速率一般為10KB/秒至250KB /秒，成本費用中不收專利費，與此同時還優(yōu)化時延功能，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)點等，眾多優(yōu)點使其普及范圍越來越廣。雖然ZigBee技術(shù)還不夠成熟，但是其應(yīng)用價值很高，在未來的基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)市場等領(lǐng)域中會有更廣闊的市場。

在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，ZigBee 模塊是傳感器節(jié)點的基礎(chǔ)部分，它在路由節(jié)點處也能夠作為FFD，和水質(zhì)檢測模塊共同實現(xiàn)輔助水質(zhì)檢測的功能。而另外三個普通傳感器節(jié)點上的ZigBee 模塊都是RFD，作為樹型網(wǎng)絡(luò)的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中[1]。樹型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊环N，是星型網(wǎng)絡(luò)集合在一起構(gòu)成的系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)信息的節(jié)點“跳躍”，跨越障礙到達(dá)目標(biāo)節(jié)點。

1.2 傳感器

在用于輔助水質(zhì)監(jiān)測的計算機(jī)軟件中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，經(jīng)研究探討發(fā)現(xiàn)樹型網(wǎng)絡(luò)最適合用于輔助水質(zhì)監(jiān)測。首先，在最底層中，傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)收集相關(guān)數(shù)據(jù)并獲的水質(zhì)參數(shù)。在中間層中，所有從傳感器接受的傳送數(shù)據(jù)匯總至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。與此同時，中間層還添加了一級路由，實現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)功能。在最上層中，計算機(jī)占據(jù)中央位置，它能夠?qū)碜跃W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

2 WSN工作原理

WSN即Wireless Sensor Networks，是利用WSN技術(shù)和GPRS等技術(shù)來監(jiān)測水體水文信息。

2.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信

GPRS在信息傳遞中主要使用移動網(wǎng)絡(luò)，它具有傳遞速度比較快，涵蓋范圍比較廣，使用費用比較低，受環(huán)境約束比較少等優(yōu)勢。它作為GSM的延續(xù)，數(shù)據(jù)傳遞速率有了很大的提高，是一種通用的分組無線服務(wù)技術(shù)。在水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中，GPRS作為水質(zhì)數(shù)據(jù)信息的傳送通道在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理之后，將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心。

2.2 WEB應(yīng)用程序設(shè)計

水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)由水資源信息采集中心、水質(zhì)監(jiān)測站等組成[2]。在監(jiān)測站所測得的相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)為主要通道，GPRS作為備用通道，將數(shù)據(jù)信息傳遞至數(shù)據(jù)信息中心。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的WEB程序設(shè)計如下：

首先，PLC作為系統(tǒng)中心控制取水單元和水樣預(yù)處理單元。取水單元中，雜物隔離網(wǎng)、取樣浮子、自吸水泵、壓力流量傳感器和采水管道為主要成分[2]。在水樣預(yù)處理單元中，一旦出現(xiàn)異常情況，PLC會切斷其電源并使用備用泵，方便幫助工作人員對故障進(jìn)行分析和處理。

第二，輔助分析單元是主要由管理軟件進(jìn)行控制，同時它也是由PLC間接控制的。它的主要功能是進(jìn)行純水等類型水的制備。

第三.水質(zhì)監(jiān)測分析單元具有自動量程轉(zhuǎn)換、遙控、標(biāo)準(zhǔn)輸出接口和數(shù)字顯示、自動清洗、狀態(tài)自檢和報警、干運轉(zhuǎn)和斷電保護(hù)、來電自動恢復(fù)等[3]。在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，C0D、總氮和等儀器可以對誤差進(jìn)行自動標(biāo)識并進(jìn)行校正。

3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的的設(shè)計構(gòu)想為針對不同功能依上而下設(shè)計不同的模塊，主要有三個模塊：數(shù)據(jù)庫模塊，模型庫模塊與水質(zhì)管理模塊。在不同模塊中設(shè)定不同的程序，實現(xiàn)每個程序都能夠獨立自主的完成其內(nèi)部任務(wù)，并盡量將每個任務(wù)都細(xì)化。首先，利用arcview本身具有的編輯功能， 基本上可以實現(xiàn)對視圖特征及其屬性數(shù)據(jù)的添加、編輯和刪除等功能[2]。與此同時， 以方便為中心，增添了其它方便基本信息利用的功能，如添加與刪除。這些設(shè)計能夠為操作增加方便性，還沒有用過arcview的用戶只要點擊按鈕即可。

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可以分析和計算不同種類的水資源相關(guān)數(shù)據(jù)信息。比如說降雨的多少，蒸發(fā)量和水位高度的統(tǒng)計、離子數(shù)量是否超標(biāo)等。針對以上幾點功能，系統(tǒng)設(shè)計主要利用復(fù)雜程度比較低的比較手段，編制出平均值的代碼程序。

3.2 WSN 節(jié)點

WSN即Wireless Sensor Network，無線傳感網(wǎng)絡(luò)。它由很多靜止或是活躍的傳感器節(jié)點構(gòu)成，能夠以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)內(nèi)，監(jiān)測、收集、處理與傳送相對應(yīng)的信息，互聯(lián)網(wǎng)與衛(wèi)星和任務(wù)管理中心相連，與此同時和匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點相連。匯聚網(wǎng)節(jié)點和不同的傳感器節(jié)點相連。它可以比較方便的獲得隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)[1]。

3.3 組網(wǎng)方案

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星型、樹型、網(wǎng)狀型[1]。星型網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用比較頻繁的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它呈輻射狀，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為通信中心，和其他的終端設(shè)備（END）相連，并傳播相關(guān)數(shù)據(jù)和命令。網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境適應(yīng)力比較強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)構(gòu)成基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，終端設(shè)備不參與路由且任意兩個終端設(shè)備在其覆蓋范圍內(nèi)都能通過無線相連接，通信障礙比較少，可靠性非常強(qiáng)。在進(jìn)行組網(wǎng)方案設(shè)計時，主要考慮以下幾個因素：

首先，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中心節(jié)點，因此，要考慮在同一時間內(nèi)，對通信狀況沒有影響下，中心節(jié)點所能接受的連接點的數(shù)量最上限。

第二，要考慮信號的有效覆蓋的最大范圍，與此同時還要考慮到當(dāng)距離發(fā)生變化時網(wǎng)絡(luò)的有效性變化與否。

第三，考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中節(jié)點密度對網(wǎng)絡(luò)的各項性能是否有影響。

第四，考慮網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)路由器中各項參數(shù)的聯(lián)系。

第五，由于傳感器的節(jié)點位于室外，因此電池的更換比較麻煩，其電量對網(wǎng)絡(luò)整體性有著很大的影響。因此在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，需要考慮傳感器的電能利用率。

在以上參考因素基礎(chǔ)上，依照設(shè)備的不同功能編制相應(yīng)的計算機(jī)程序，使每個設(shè)備都可以與其他設(shè)備連接，并對服務(wù)搜索進(jìn)行初始化。然后進(jìn)行設(shè)備綁定，使每個節(jié)點都加入進(jìn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，只有當(dāng)每個節(jié)點的指示燈都發(fā)亮的時候即說明組網(wǎng)完成。

3.4 監(jiān)測中心系統(tǒng)方案

在水質(zhì)監(jiān)測中，當(dāng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組建完成后，需要利用傳感器對不同水質(zhì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采樣，再利用信號調(diào)整電路對其放大，使其適于A/D轉(zhuǎn)換。首先要選擇合適的傳感器類型，并根據(jù)傳感器設(shè)定相應(yīng)的測量設(shè)備與方法。然后對水溫、PH 值和電導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行測量。由于檢測的位置位于靠近海邊等潮濕的環(huán)境中，在設(shè)計電源的時候，最好采用太陽能供電，且最好為雙電源。

4 結(jié)束語

供水系統(tǒng)和人們生活息息相關(guān)，必須保證飲水和用水健康才能創(chuàng)造更好的生活環(huán)境，提高人民的生活水平。因此建立合理、完備的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是十分重要的，如何在原有的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)大其容量，增加通信成功率是未來要研究的重點內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]李莉.ZigBee技術(shù)在無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的組網(wǎng)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2013：13-15.

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[3]丁勝建.基于WSN的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中ZigBee協(xié)議和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].安徽大學(xué)，2013：24-27.

作者單位：惠州市供水有限公司，廣東惠州 516001