基于ZigBee和GPRS的水环境实时动态监控系统

淮安信息职业技术学院 刘步中



基于ZigBee和GPRS的水环境实时动态监控系统

淮安信息职业技术学院 刘步中

【摘要】针对水环境污染问题，采用ZigBee和GPRS技术研发了水环境实时动态监测系统，该系统是基于ZigBee无线自组网技术的硬件无线传感网，负责水环境监测指标的实时动态采集与传输；采用WebGIS实时动态监测软件系统，实时监测并模拟水环境的动态变化，精确定位污染源并预警污染事故的发生。运行结果表明，该系统实现了对水环境监测数据的自适应采集及实时、可靠地高效传输，为水质的监控与治理提供良好的技术支撑与可靠的数据支持。

【关键词】水环境监测；传感器网络；数据管理软件；Zigbee协议

1　引言

良好的环境对人类和动植物的生存以及健康成长至关重要，而高速的发展却带来了水环境严重污染问题。我国工业化进程的加快，导致水环境污染日趋严重，人类饮用水及水产养殖业均遭到不同程度的影响。水环境中的溶解氧、水温、PH值及浊度等参数能较直观地反映该水域水质水平，因此对这些参数的实时监测有助于及时察觉水质变化，对水质的保护具有较强的现实意义。

2　水环境监测系统总体方案

水环境监测系统主要由监测中心和传感器网络两部分组成。根据被监测水域面积大小，传感器网络通过CC2420模块组建若干个ZigBee网络，实现自组网功能。监测节点通过传感器采集获取水域的溶解氧、水温、PH值及浊度等参数，并通过CC2420模块将数据发送至数据基站。数据基站收到数据根据通信协议封装成帧，由GPRS模块发送至监测中心，监测中心接收到数据后，实时显示数据曲线并将数据存储至数据库。系统能够显示监测节点的工作状态，并在监测节点及数据基站的运行出现问题时发出报警信号。水环境监测系统整体架构如图1所示：

图1　水环境监测系统整体构架

3　水环境监测系统硬件设计

3.1监测节点

水环境监测系统的硬件部分主要由监测节点和数据基站两部分组成。监测节点主要由电源管理模块、数据采集模块、控制器模块、通信模块以及其他一些外围电路组成。监测节点总体框架如图2所示。通过数据采集模块采集对应水域水质的水温、PH值、溶解氧浓度、浊度四个参数，数据通过控制器进行相关的处理后由CC2420将数据发送至数据基站，并存储到外部存储模块中。

图2　监测节点总体架构

3.2数据基站

数据基站是向监测节点发送命令和接收监测数据，将接收的数据根据协议封装成帧后发送至监测中心，数据基站与监测中心之间通过GPRS模块进行通信，每一个数据基站主要负责对分布在其所在水域的传感器子网络中的监测节点进行数据采集和状态监测。数据基站增加了GPRS模块，用于与监测中心的服务器通信。数据基站整体架构如图3所示：

图3　数据基站整体架构

图4　协调器自动组网流程

图5　路由器节点功能流程图

4　水环境监测系统软件系统设计

4.1协调器节点软件设计

协调器节点负责组建ZigBee子网络的水质监测数据，并通过GPRS传送数据到监测系统，协调器自动组网实现软件流程图如图4所示。协调器节点上电启动后首先进行初始化，再对信道进行能量监测，选择合适的信道为网络分配唯一的PAN标识符，成功建立网络。网络建立后协调器等待路由器节点的入网请求，当协调器接收到路由器的入网请求后，会根据路由器节点容量和地址匹配等判断是否允许路由器入网。路由器入网成功，协调器给新入网的路由器创建一个入口，并自动分配唯一的网络地址。

4.2路由器节点软件设计

路由器节点是通过传感器采集大量水域水质监测数据并进行A/D转换，将数据发送至路由器父节点路由器，并逐级向上传递至协调器节点。其软件实现流程图如图5所示。

路由器节点上电首先进行硬件初始化，向协调器节点发出入网请求。路由器节点得到协调器的允许入网响应后会成为此网络子节点。

5　结论

针对水环境污染问题，提出了一种水环境实时动态监测系统的研发技术方案，采用Zigbee无线自组网技术研发系统，实现对水环境相关参数实时动态采集与传输，实现了低成本运行。通过GPRS技术实现数据交互，实时动态采集并传输水环境监测数据至系统，采用数据库技术研发的B/S模式下基于WEBGIS的系统，实现了水环境采集数据的实时动态监测与统计分析，能更直观的展示水环境质量状况、污染程度、发展趋势。该系统组网灵活、易布设，为水环境监视与控制提供了良好的技术支撑和可靠的数据支持，具有良好的应用和推广价值。

参考文献

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刘步中（1982－），男，江苏盐城人，讲师，工程师，研究方向：嵌入式系统技术，物联网技术。

Dynamic Monitoring System of Water Environment Based on ZigBee and GPRS Technology

Liu Bu-zhong
(Huaian college of Information Technology)

Abstract:A real-time dynamic monitoring system of water environment is developed based on the technologies of ZigBee and GPRS . The system is hardware wireless sensor net , which collects and transmits real-time monitoring data of water environment , which within the net; WebGIS-based real-time monitoring software system for water environment , which monitors and simulates the real-time change of water environment , positions accurately pollution source locations and warns pollution accidents happening . In the operation , the system realizes adaptive data collection and effective transmission , and provides a technological support and basic data for monitoring and governance of water environment.

Key words:Water environment monitoring; sensor networks ; data management software; Zigbee protocol

作者简介：

基金项目：2015年淮安市科技计划社会发展项目（总编号：HAS2015016，子项目编号：HAS2015016-2）。