基于无线传感器网络的污水监测系统设计

宗 峰

(山东英才学院 信息工程学院， 济南 250104)

基于无线传感器网络的污水监测系统设计

宗 峰

(山东英才学院 信息工程学院， 济南 250104)

针对传统污水监测系统的弊端，文章设计了一种基于无线传感器网络的污水监测系统，通过在采样区域内布置若干pH值传感器、电导率传感器、DO(溶解氧)传感器、氨氮NH3-N传感器、浊度传感器、温度传感器获得相关水质信息，利用ZigBee技术传输至无线网关节点，再由无线网关节点通过GPRS技术传输至远程监控中心进行数据分析，从而达到污水监测的目的。通过实验测试，该系统稳定可靠，能够满足预期要求。

无线传感器网络； 污水监测； ZigBee； GPRS

水是生命之源，然而城市水资源的污染却日趋严重[1]。改革开放，大力发展工业化的同时，江河湖泊的污染问题进一步被凸现出来，其中城市污水中有害物质的排放对河流及自然环境的威胁尤为显著[2]。水资源的污染问题，严重制约着国家的经济发展，威胁着人民的身体健康[3]。因此，城市污水的防治工作刻不容缓，污水监测作为水资源管理和水环境污染控制的主要手段之一，正在发挥不可替代的作用[4]。

传统的污水监测依赖于人工采样的方法，工作强度大、过程繁琐、时效性差、污水水质监测周期长，并且水样分析与统计过程中用到的高精度仪器设备需从国外进口[5]，导致监测成本过高。近年来，随着无线通讯和网络技术的成熟与发展，基于无线传感器网络的污水监测系统成为该领域的研究热点之一[6]。

1 基于WSN的污水监测系统优势分析

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种分布式传感网络，是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者[7]。WSN通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点，在监测区域内部或附近随机部署大量的传感器节点，这些节点通过自组织及多跳的方式构成网络，将监测到的数据经本地简单处理后沿着临近的传感器节点多跳地进行传输并路由到汇聚节点，在传输过程中每个传感器节点都有可能对监测数据进行处理，这些监测数据在汇聚节点进行聚集后再通过互联网或卫星通信网络到达管理节点，其结构如图1所示[8]。

图1 WSN结构图

因此，采用基于无线传感器网络的水质监测系统，具有如下优点[9]：

(1)组网简单。节点间通过自定义或协议栈标准组网入网，网内利用ZigBee进行数据传输，整个过程无需人工干预，系统自动完成节点的增删工作。如遇故障节点则自行跳过，重新选择网络的传输路径，自我修复以保证系统工作的顺利进行。

(2)成本低廉。通信采用无线方式，避免了铺设电缆及建设监测子站的开销，传感器节点体积小、能耗少、价格低。

(3)监测灵活。每个传感器节点可以连接多种不同类型、不同精度的水质参数传感器，能够满足同时采集多种水质参数、不同监测精度的需求，大大提高了水质监测的精度和时效性。

2 基于WSN的污水监测系统设计

笔者设计的污水监测系统中，所有数据信息来源于被监测水域的传感器节点，传感器节点将其采集到的信息通过ZigBee技术传输至无线网关节点，再由无线网关节点通过GPRS技术传输至远程的监测中心[10]。因此，该监测系统主要由3部分组成，即监测水域内的大量无线传感器节点，监测水域附近的无线网关节点以及远端的监测控制中心，其框架如图2所示[11]。

图2 污水监测系统框架图

如图2所示，在待测水域内散布大量传感器节点，并根据所采集参数的不同设置不同类型的传感器，城市水资源监测主要包括对水质的pH值、温度、电导率、氨氮、溶解氧、浊度、化学耗氧量、生化耗氧量等各项指标进行监测[12]，这里笔者选取pH值、电导率、溶解氧、氨氮、浊度、温度6个参数进行监测[13]。选取济南小清河历山北路向西100米为待测水域，河面宽约90米，在此100 m×90 m区域内，划分为25个20 m×18 m的子区域，每个子区域部署pH值传感器、电导率传感器、DO(溶解氧)传感器、氨氮NH3-N传感器、浊度传感器、温度传感器各1个，整个待测水域共需150个传感器。

传感器节点采集到水质参数数据后，通过ZigBee技术完成彼此之间的数据传输以及到相应的无线网关节点的数据传输[14]。ZigBee[15]是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

无线网关节点接收到水质参数数据，通过GPRS技术发送至上位机或远程监控中心，因此，无线网关节点的作用尤为重要，其性能的优劣将决定整个监测系统的性能优劣[16]。无线网关既是连接ZigBee网络和GPRS网络的桥梁，又是ZigBee网络中的协调器，负责管理和维护已经建立好的ZigBee网络，当有终端传感器节点试图加入这个网络时，给这个节点分配一个唯一的十六位网络地址[17]。

远程监控中心通常距离待测水域较远，位于污水处理企业的调度室内，对传感器节点采集到的数据进行分析、存储及实时监控，还可以对传感器节点的采集状态进行管理和控制[18]。

2.1 无线传感器节点的选择与设计

传感器节点是整个无线传感器网络最基本的单元，主要有处理器、传感器、电源和无线通信4个模块[19]。其中传感器负责其他模块的管理和协调，以及相关的数据处理工作；传感器负责各种水质参数的采集与传输；电源负责整体能量供应；无线通信模块负责与网关节点的数据传输[20]。传感器节点结构如图3所示[21]。

图3 传感器节点结构图

2.1.1 处理器选择

在污水监测系统中，需要考虑电源工作的长期性持久性，因此在处理器选择上，低功耗是第一考虑要素，另外，所选处理器也需要低成本且易于开发[22]。笔者实验中，所选处理器是德州仪器(TI)的CC2530。CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4,ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案，它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，并且具有不同的运行模式，使其尤为适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗[23]，价格也相对比较便宜，能够满足大量安置的需求。

2.1.2 传感器选择

(1)pH值传感器

笔者实验中采用的是美国Global Water的WQ201 pH传感器，该传感器采用全电子封装，4～20 mA输出，不锈钢外壳，坚固耐用，可测范围为0～14 pH，外形尺寸50 mm×305 mm。

(2)电导率传感器

实验中采用的是美国Global Water的WQ-COND电导率传感器，该传感器使用4级电极测量技术，提供大量的电导率精准读数，由于离子溶液的电导率随温度升高而增加，因此内置温度传感器，相对标准25℃，提供2%℃的自动温度补偿。内置接口模块把数字电导率和温度数据转为2股独立的4～20 mA信号，分别连接数据记录器和可编程逻辑控制器(PLC)设备，其测量范围为0～-200 us·cm-1，外形尺寸为22 mm×202 mm。

(3)DO(溶解氧)传感器

实验中采用的是美国Global Water的WQ401溶解氧传感器，该传感器采用全电子封装，4～20 mA输出，不锈钢外壳，输出为3线配置，测量范围为0～8 mg·L-1，外形尺寸为50 mm～305 mm。

(4)氨氮NH3-N传感器

实验中采用的是美国HACH的NH4D sc氨氮传感器，该传感器主要用于市政污水应用领域，使用离子选择电极技术来测量污水水样中的铵离子，参比电极使用的是差分pH技术，不会直接与过程流接触，非常稳定，没有漂移。量程0.2～1000 mg·L-1NH4-N，功耗1瓦，外形尺寸360.9 mm×48.3 mm。

(5)浊度传感器

实验中采用的是美国Global Water的WQ730浊度传感器，其应用范围包括水质检测及监管、河道监测、水流测量、水库水质监测、地下水检测、废水处理及工业排污控制，测量范围为0～50 NTU和0～100 NTU，外形尺寸308 mm×2160 mm。

(6)温度传感器

实验中采用的是美国Global Water的WQ101沉入式温度传感器，该传感器采用全电子封装，4～20 mA输出，不锈钢外壳，测量范围为-50℃～50℃，外形尺寸为43 mm×203 mm。

2.1.3 电源选择

电源模块应具有长期稳定供电的特性，笔者选择7.5 V可充电锂电池，由于CC2530工作电压是3.3 V，这里采用ASM1117芯片将7.5V电压转换为3.3 V电压[24]。实验证明，充电一次可稳定供电超过达3个月。

2.1.4 无线通信模块选择

无线通信模块负责数据的采集和无线传输，主要由射频芯片和天线电路构成[25]。实验中为简化射频电路的设计，在处理器单元CC2530芯片上增加一个射频前端CC2591来放大输出功率。CC2591也是德州仪器的产品，是一款高性价比和高性能的2.4 GHz RF前端，适合低功耗低电压2.4 GHz无线应用，其输出功率高达22 dBm，集成了开关、匹配网络和平衡/不平衡电路、电感、功率、放大器 (PA)以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2.4 GHz ISM系统，无线传感器网络，无线工业系统，IEEE 802.15.4 和ZigBee系统，可以与TI公司所有2.4 GHzRF收发器、发送器和SOC相连，提高输出功率。天线负责各节点间信号的接收与发送，为提高系统稳定性和信号传输质量,实验选择棒状天线。

2.2 无线网关节点选择与设计

实验中，通过ZigBee网络把传感器节点采集到的水质参数数据传输到无线网关节点，再通过GPRS网络把无线网关节点接收到的数据传输至远程监控中心。这个过程中，ZigBee网络是由若干个传感器节点构成的，理论上讲，可以通过多路由节点把数据层层上传直到远程监控中心，而无需无线网关模块。实际操作中，考虑到ZigBee节点间传输距离在100m左右，如果扩大传输距离需要增加过多能耗，远距离传输时，采用ZigBee网络性价比太低，可以采用已经存在的移动GSM网络中的GPRS技术。因此，需要一种把内部的ZigBee网络和外部的GPRS网络连接起来、完成协议转换的设备，这就是无线网关。无线网关节点结合了ZigBee和GPRS两种无线通讯技术，是整个系统中的通讯枢纽[26]，因此实验中，无线网关节点的设计主要包括微处理器模块、射频收发模块和GPRS模块。

2.2.1 微处理器与射频收发模块的选择

该模块有两种常见设计方案，一种方案是微处理器加无线发射模块，即采用内置ZigBee协议栈芯片，外接1个MCU，优点是结构紧凑，缺点是加重了MCU的负荷；另一种方案是采用SOC芯片，该芯片上集成有运行ZigBee协议栈的MCU和ZigBee无线收发器[27]。笔者实验采用后面一种方案，芯片还是选择德州仪器的CC2530。

2.2.2 GPRS模块的选择

该模块可以直接选择成型的嵌入式芯片，完成无线网关节点到远程监控中心的数据传输，笔者实验选用济南有人物联网技术有限公司的USR-GPRS232-7S2芯片完成TTL串口转GPRS传输的功能，这款芯片采用插针式结构，无需外接电源，适合长时间的野外工作，且性能稳定。然后在远程监控中心上连接一块GPRS DTU(无线数传终端)，实验选用的还是济南有人物联网技术有限公司产品USR-GPRS-730，通过串口连接远程监控中心。

3 系统测试

3.1 丢包率测试

测试工作分别在实验室内和待测水域两处地点进行，每处地点采集数据两组，分别为30 m数据(传感器节点与无线网关节点距离30 m)和50 m数据(传感器节点与无线网关节点距离50 m)，每组数据分别传输16B，32B，64B，128B包长的数据包，传感器节点每隔0.25 s发送数据1次，每个实验测试3遍。测试结果分别见表1～表4。

总结:实验室内测试结果，30 m数据丢包率几乎为0，50 m数据丢包率不到0.5%；待测水域测试结果，30 m丢包率最大值在1.8%，50 m数据丢包率最大值2.3%。分析表1～表4数据可知，丢包率随数据包包长增加、节点距离增大、发射环境复杂程度增加而增大，故需要对接收到的数据包进行纠错编码，防止丢包、错发等故障。

表1 实验室内30 m数据测试结果

表2 实验室内50 m数据测试结果

表3 待测水域30 m数据测试结果

表4 待测水域50 m数据测试结果

3.2 稳定性测试

表5 节点a传输小清河河水的pH值

表6 节点a传输7.0pH标准液pH值

表7 节点b传输小清河河水的pH值

表8 节点b传输7.0pH标准液pH值

测试工作在待测水域附近进行，取pH值传感器节点a,节点b,节点c为测试节点，分别采集7.0 pH标准液和小清河河水的pH值进行传输，节点每隔1分钟向上位机发送1个数据包，测试结果如下表表5。

表9 节点c传输小清河河水的pH值

表10 节点c传输7.0pH标准液pH值

总结:该污水监测系统可以对不同pH值的水质参数进行数据采集，测试过程持续24 h，无突发问题及不可预期的错误，系统稳定行良好，通过比较7.0pH标准液数值，(7.01-7)/7=0.14%，精确度达到预期要求。

4 结论与展望

笔者设计了一种基于无线传感器网络的污水监测系统，通过在采样区域内布置若干pH值传感器、电导率传感器、DO(溶解氧)传感器、氨氮NH3-N传感器、浊度传感器、温度传感器获得相关水质信息，利用ZigBee技术传输至无线网关节点，再由无线网关节点通过GPRS技术传输至远程监控中心进行数据分析，从而达到污水监测的目的。经实验验证，该系统功能可以满足预设需求，能够通过传感器采集相应水质参数数据，并传输至相应的模拟远程监控中心。

同时，在实验过程中也发现了系统的一些不足之处，受工作环境影响，系统工作时采集到的冗余信息较多，冗余信息的传输直接导致能量的过度消耗，影响网络寿命，对冗余数据的过滤、提高数据精确性，是进一步研究的方向。

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DesignofSewageMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetwork

ZONGFeng

(ShandongYingcaiUniversity,Jinan250104,China)

Aiming at the disadvantages of the traditional sewage monitoring system, a sewage monitoring system was designed based on wireless sensor network.Through the layout of pH sensor, conductivity sensor, DO sensor, NH3-N sensor, turbidity sensor and temperature sensor in sampling area, relevant water quality information were obtained, and transmitted to the wireless gateway node through the ZigBee technology, from there the data were transmitted to remote monitoring center by GPRS technology and analyzed there.Thus, the purpose of sewage monitoring is achieved.Through the experimental test, the system is stable and reliable, could meet the expected requirements.

wireless sensor network ; sewage monitoring ; ZigBee ; GPRS

2016-12-05

2017-01-26

项目来源： 2015年度国家自然科学基金(61501284)； 2016年度山东省统计科研一般课题(KT16142)； 2015年度全国统计科学研究项目(2015LY74)； 中华职业教育社“互联网+职业教育”的研究与实践课题(ZJY16090)；中华职业教育社“互联网+职业教育”的研究与实践课题(ZJY16091)

宗 峰(1979-)，男，山东济南人，副教授，主要从事大数据建模、物联网应用等研究工作，E-mail：nfxzf@163.com

TN92

A

1000-1166(2017)06-0037-06