基于无线传感器网络的水质监测与分析系统研究与设计

赵立新

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000）

伴随着中国经济的快速发展，由此造成的水环境的污染及破坏也在加速，从这个意义上讲，水环境监测作为水资源管理和水污染控制的主要方法之一，正变得越来越不可或缺。目前主要有四种监测水环境的方法，每种方法都有其优点和缺点：(1)便携式水质检测装置的人工取样和随后的实验室分析。该方法仅适用于河流和湖泊横截面的采样，采样频率范围从一天到几个月不等。(2)通过监视器、控制中心以及若干监测子站进行水质监测，每个站提供其实时水环境参数。然而这些系统成本高，对周围的生态环境影响很大。(3)利用遥感技术监测水体的光谱特征。在处理来自示例性光谱的集合的信息之后，将识别其物理和化学特性。然而，该方法只能提供低精度的水质信息，并且难以执行实时监视。(4)通过测量或分析不同水环境中不同生物活动的变化，利用水生生物对水体中有毒物质的敏感性实现水质监测技术，然后进行水质定性评价报告。实施这种类型的基本测量方法包括鱼测量和海滩虱子测量。尽管如此，这些方法绝不可能达到水环境监测的高精度。

本文研究开发了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，无线传感器网络 （wireless sensor network，WSN）是一种 ad-hoc网络系统，由大量微小的传感节点组成，能够感知、计算和传输数据[1-3]。它作为一个智能系统，可根据不断变化的环境自动完成各种类型的监控任务。该系统可应用于人工湖水质监测，从而实现对湖水PH值和温度的远程自动在线监测。且与现有的水质检测方法相比，构建基于无线传感器网络的无线传感器网络监测系统，具有成本低，监测方便，各种参数采集，检测精度高，责任追究等优点。并以某小区人工湖为对象对其测试效果进行了验证，它的提出可使人工湖水监测更加方便。

1 监控系统设计

提出的水环境监测系统为三个部分：数据监测节点，数据基站和被监测水域的远程监测中心（见图1）。分布在待监测水域的大量数据监测节点动态构成监测网络，来自监控节点的数据由基站通过GPRS网络传输到远程监控中心，再由监测中心对水质参数进行分析处理，对水污染等突发事件进行报警，并对水质突然变化进行监测，为水污染防治决策提供支持。其中每个节点只能收集PH、溶解氧量、温度和电导率等参数，而且能够操作线性化和温度补偿，数据打包，收集的参数记忆和路由到数据基站。

图1 基于无线传感器网络的水环境监测系统

1.1 数据监控节点设计

监测节点作为水环境监测区域的基本单元，是实现监测功能的基本单元。监测节点的主要功能是：

1）收集待监测水域的温度和PH数据。安装在监控节点上的PH和温度传感器可以满足上述需求，实现对采集数据的线性化和温度补偿。

2）基于ZigBee协议建立无线网络，大量监控节点和基站a基于ZigBee协议动态组装到无线网络中，通过该协议将PH和温度数据等路由到基站。

监控节点由传感模块、处理模块、电源模块、PH发送器和ZigBee射频模块五个模块构成。除了传感模块之外，其他模块通常放置在漂浮在水面上的防水舱中，并具有掉落的锚。电源模块为PH发射器，处理模块和ZigBee射频模块提供电力。传感模块位于水中，通过电缆连接到防水舱。PH变送器连接到PH和温度传感器后，可收集目标水域的PH和温度。变送器可将PH和温度信号转换为标准的4-20 mA信号。每个节点通过ZigBee通信协议与基站连接并由基站控制。处理模块处理和存储PH和温度信号并收集标准信号，然后通过ZigBee模块将它们传送到基站。

1.2 数据处理任务

数据处理任务主要是分析来自数据监控中心的命令和来自数据监控节点的监控数据，并激活相应的任务来处理这些消息。它可以通过GPRS接收的中断子程序激活，ZigBee通过邮箱信息接收中断子程序。来自数据监控中心的命令可以分为两类：第一类是建立数据基站的命令；另一种是控制数据监控节点的命令。其中，控制监控节点的命令主要具有建立监控节点采样通道的功能，并读取这些通道的当前采样值。数据处理任务根据命令帧中的命令编号调用相应的模块。如果需要维持GPRS连接，则数据处理任务需要定期发送请求以维持GPRS连接，如果不需要维持GPRS连接，即从数据接收GPRS断开请求，停止发送请求，一分钟后，GPRS模块将自动进入休眠状态。如果数据处理任务重新监视节点接收消息，则需要更新节点状态表。

1.3 远程监控

远程监控中心由GPRS网关和数据中心两部分组成，负责监控水环境的变化，控制和管理现场实施，对水域突发事件或其他快速环境变化进行报警。其中，GPRS网关负责接收水环境参数，数据中心通过串口与GPRS网关连接。此外，远程监控中心由监控软件提供完整的监控界面，可以显示实时数据，执行历史数据查询，进行数据分析和非正常状态报警，最终用户还可以通过互联网实现目标水域的全天候检测。

2 实验验证与分析

为了验证系统性能，在南京市江宁区某小区人工湖进行了实验，测试了设计的水环境监测系统。使用LE-438 PH和温度传感器的数据监测节点。其温度测量范围为0-60，精度为±0.5；其PH测量范围为0-14，精度为±0.05。GPRS调制解调器通过串行线连接到主板。CC2430模块插在主板的右下角，MSP430最小系统板位于主板中间。

实验中，在人工湖上部署了4个节点，以便实时和在线监测PH值。此实验期间，周围温度在12到20之间，降雨量适中。可以观察到人工湖PH值范围从6.5到7.0之间变化，最大值出现在下午3点到下午5点之间，最小值出现在下午8点到晚上9点之间。此外，PH也受降雨影响。在测试实验之前，用 PH4.0，PH7.0和PH10.0的标准品校准 PH探针。

监测系统每隔一小时自动收集一次水的温度和PH值。补偿后，4个节点收集的PH值和温度值应通过自己的ZigBee通信模块分别传输到基站，平均值应上传到远程监控中心。最大PH值发生在下午3点到下午5点之间。这是因为人工湖中的浮游植物达到了最高的光合作用[4,5]。以下是光合作用的化学方程式，用于解释PH的日变化规律：

在光合作用的高峰期，大量CO2已经改为C6H12O6，降低了H2CO3的含量，从而降低了酸度，提高了PH值。PH值受到周温度和降水变化的影响，并且在一定范围内波动。但每天的变化都非常相似。

在实验过程中，每隔一小时对PH进行一次人工取样，通过比较人工取样和监测系统的PH值，每日PH值非常相似，表明监测系统检测到的PH值的准确性和可靠性。图2显示了通过人工取样收集的PH的每日变化曲线，其在每隔一小时一次在上午8点到晚上8点之间进行，抽样过程是劳动密集型的。在本实验中，通过设计的监测节点与监测系统协调，对人工湖的PH和温度进行远程实时监测，准确有效。心。在节点存储监控数据之前，它们将对收集的数据执行线性化和温度补偿。总而言之，系统传输存储在节点上的所有监控数据，但它是被动传输，并且不会经常发生。系统的通信压力较小，所以无需处理数据压缩。

在该监控系统中，使用ad-hoc多跳路由来支持ZigBee无线通信。它使用最短路径优先算法，具有单个目标节点和主动双向链路估计。多跳路由器对我们来说基本上是透明的，并且易于移植到该系统中。通过帧检查和重发机制，可以确保所有命令和监控数据都能成功发送到目标设备。综上所述，该监控系统在无线通信可靠性领域具有良好的性能。

3 结论

本文提出了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，它由三部分组成：数据监控节点，数据基站和远程监控中心，该系统适用于复杂和大规模的水环境监测，具有监控范围大，配置灵活以及低功耗的优点，同时对自然环境的损害小、成本较低。

图2 人工湖PH变化曲线

由于本监控系统是低功率系统，具有较长的采样周期（通常超过半小时），并且数据存储在本地节点上，因此系统在数据采样期间没有大量数据流量处理。只有当数据监控中心从监控系统请求历史数据时，系统的节点才会将其本地存储的历史数据发送到基站，然后基站将所有日期发送到数据监控中