地表水质远程监控的无人值守系统实现

黄 戎 巫 茜

(重庆工业职业技术学院自动化系1，重庆 401120;重庆理工大学计算机科学与工程学院2，重庆 400054)

0 引言

随着水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题日益突出，而其解决方法受限于目前对生活污水和工业废水的处理能力(直接排放至大江大河)，从而导致原生态水环境遭到严重破坏，直接危及人们健康和各物种的生存。水生态环境恶化极大地制约了我国社会经济的可持续发展，有文献对其不堪想象的严重后果进行了风险评估，并提出了警告［1－3］。为此，国发［2012］3 号文件“国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见”提出了“加强水功能区限制纳污红线管理，严格控制入河湖排污总量”的战略对策措施。水是生命之源，水与空气一样是人类存在的最基本条件，面对严峻的水环境挑战，本文对基于无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)的无人值守地表水水质远程监控系统的实现进行了讨论。

1 监控系统架构设计

地表水也称“陆地水”，是指存在于地壳表面并暴露于大气的水，是河流、冰川、湖泊、沼泽四种水体的总称。由于地表水资源分布地域辽阔，各个地区分布状况差异很大，应针对具体地域特点设计水环境监控系统的底层结构。基于多层次多传感器的无线网络监控系统架构如图1所示。

图1 监控系统架构Fig.1 Architecture of the monitoring system

系统由基于ZigBee协议的无线传感器网络设备组成。设备节点负责采集分布在不同观测点的相关数据，采用GPRS方式，由网络协调器传送到监控中心。监控中心负责对设备节点数据进行处理，并将其与地理信息系统(geographic information system，GIS)和全球定位系统(global positioning system，GPS)融合，以方便在更大范围内实现数据信息资源共享，从而为领导层提供指挥决策支持参考，有效支持突发性污染事故的报警。此外，监控中心还能基于污染源分析结果生成应急处置预案。整个系统包括监控中心监控软件和节点传感器数据采集控制系统以及通信系统，其中每个监控设备控制节点都包含有一个ZigBee通信模块，远程监控系统还包括GPRS通信模块、无线通信网络、网络协调器等［4－7］。

2 WSN的拓扑模型

在无线传感网络ZigBee中，主要有星型网络、簇树型网络和网状型网络3种拓扑结构，如图2所示。

图2 无线传感网络拓扑结构Fig.2 Topological structure of WSN

图2中，节点C、R、F分别为具有监控终端与无线传输装置的网络协调器(network coordinator，NC)节点、全功能设备(full-function device，FFD)节点、精简功能设备(reduced-function device，RFD)节点。其中，网络协调器负责网络设备节点与链路状态信息的管理以及数据的分组转发等;FFD用于进行检测控制与管理，RFD用于简单的数据检测控制。FFD与RFD设备节点的区别在于:RFD之间不能相互通信，它只能与FFD通信;FFD无论与FFD或是RFD均可相互通信。在3种拓扑结构中，无线簇树型网络拓扑与无线网状网络拓扑属于多跳网络，而无线星型网络拓扑属于单跳网络。显然网络协调器节点是整个无线传感器网络的中心，它负责网络的创建与管理，是监控中心与设备节点通信的媒介与桥梁。由于ZigBee通信模块传输距离有限，因此在通信中全功能设备节点可作为数据通信的中继器使用，但是精简功能设备节点不能作为中继器使用［8－10］。

3 监控系统组网与设计

3.1 WSN 的组网

现以图3所示无线网状网络拓扑结构为例讨论WSN组网过程。ZigBee网络采用避免数据冲突传送机制，无需人工干预。如果网络中的某个设备传感节点出现故障，由于ZigBee网络具有自愈与自组织功能，所以其拓扑结构可以自动调整，以确保整个系统的正常工作。如果网络中的某个设备节点检测到通信信道的剩余空闲时间比被传送数据帧时间区间长，就可发送数据信息，否则不发送。CSMA/CD传送机制确保了在某时间段只有一个设备可传送数据信息。组网的首要步骤是在监控范围内设置一个网络协调节点，其他节点通过该协调节点访问，以建立无线网状网络。因此，如增加新监控区域，就必须在新监控区域设置一个网络协调器，所有访问连接等都是由网络自动搜索完成的;同样，如要删除某监控区域，则从该区域删除协调节点即可。

图3 无线网状网络拓扑结构Fig.3 Topological structure of the wireless mesh network

3.2 监控系统设计

3.2.1 远程监控中心设计

从图1可知，监控中心由网络协调器与监控系统的后台PC机组成。它是整个远程监控系统的指挥中心，负责接收与处理来自设备模块所采集的数据，给新节点分配网址，借助GPRS发送数据到PC机。如果发现测试结果中某检测项目的数据出现异常，则监控中心自动给出报警的数据信息，并对数据进行统计分析，可自动跟踪污染源［8－9］。

3.2.2 设备节点设计

设备节点结构如图4所示，其复杂度低，可有效地降低成本。在网络组网完成后，其全功能设备节点既可作检测设备也可作路由器用，以实现多跳路由。终端节点设备用于采集检测数据与向路由器接点传送检测数据，主要由微处理器、无线传感模块、无线收发模块组成。无数据传送时，设备处于休眠状态;否则设备处于唤醒状态［11］。

图4 ZigBee设备节点结构Fig.4 Structure of the ZigBee device node

3.2.3 软件系统设计

在ZigBee无线传感网络中，每个设备节点都按照ZigBee的无线传感网络通信协议要求，采用点对点的通信方式进行数据交换。软件系统主要由监控中心后台PC机应用程序与设备节点程序组成，如图5所示，其中，图5(a)和图5(b)分别为网络协调过程和节点设备数据采集过程的流程图。

图5 网络协调与数据采集流程Fig.5 Flowcharts of network coordination and data collection

4 监控实现与参数测试

4.1 系统监控平台选择

针对地表水水质远程监控的特点，无线传感网络平台选择ZigBee，传输距离≤1 000 m;传输速率可达250 kbit/s;当受到自然灾害时有自动恢复功能，能够自动组网;当受到安全攻击时，能够自动追踪攻击源;数据可实现24 h自动备份。

ZigBee具有以下显著优势:①数据速率较低，适合于水质远程监控领域应用;②抗干扰能力比较强，MAC应用层的应答重传功能可避开干扰，一旦受到外界干扰，可动态地切换工作信道;③ZigBee网络时延短，节点连接进入网络只需30 ms，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节能效果显著;④组网能力强，网络覆盖范围广，适合用于地表水资源分布水域辽阔及地区分布差异大的远程监控应用;⑤ZigBee可采用多种网络拓扑结构，上层网络设备节点可管理下层设备主节点，一个主设备节点可管理254个子节点，最多可组成包括65 000个设备节点的大网络，很适合分布水域辽阔的应用;⑥ZigBee提供了安全模式，因此网络安全性高。

4.2 节点设备实现

为提高可靠性，选用 AGPRS1090、SAM300、C51RFCC2530-PK ZigBee等标准产品分别作为数据采集模块与数据传送模块、无线收发模块和微处理器，通信传输距离≤1 000 m。在线pH计选择PHG5202，其他在线温度计等按水环境规定选定。由于设备硬件系统组装比较简单，调试工作量不大，经过统调合格后即可投入运行使用。

4.3 地表水参数测试

系统设计安装后，在某实验现场对水中的pH值、融解氧含量、水温、重金属离子等进行了自动测量。其中，温度测量灵敏度为0.5 mV/℃，温度范围为－5～55℃;pH值测量灵敏度为±5%，pH值范围为4～14;融解氧量测量灵敏度为±5%，测量范围为4～20 mg/L。实际测试表明，采用GPRS传送数据，监控中心能实现监控现场数据的远程检测，同时也说明了采用无线传感网络平台方案是可行的，完全可以满足实际地表水环境参数监控要求。

5 结束语

地表水水质监控非常复杂，测试参数多，基于WSN的无线网状网络拓扑模型，设计了监控系统架构与原型样机监控平台。选择标准节点设备搭建系统，并对地表水的溶解氧、水温与水环境pH值等进行了检测。部分参数的监测结果验证了上述方法的可行性与合理性，可以达到环保部门对实际地表水环境参数监控要求。由于系统对重金属离子等的在线检测还不够成熟，因此有待进一步研究。

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