基于无线传感网络的水环境自动监测系统设计

廊坊经济技术开发区供水中心 张应亮

在全球高速度发展经济的同时，环境恶化与污染现象越来越严重，已经成为制约人类社会进一步发展的重要因素，其中水环境污染是当下最亟待解决的问题。现代科技不断发展，许多公共事业和控制系统的研发方向，都开始转向以无线传感网络为基础的自动化物联网发展。就目前研究表明大部分网络传感技术的应用是在短距离的场景中进行设置，例如办公楼和住宅区等，只能产生小范围的布控和监测[1]。

一、水环境自动监测系统硬件设计

（一）设计pH调理电路

本文选用上海雷磁生产的I40-RT复合型pH传感器，利用电极之间的微弱电差变化，将玻璃电阻放置在调理电路中实现高抗电阻的输入，得出正确电压信号，具体电路如图1所示。

图1 PH调理电路

图1中所示此次放置的电极内阻最高值为107欧，直流电电压为6V，两端电极的正负极分别连接了负荷放大器的双路引脚，使信号在通过FD344放大电路时获取该位置信号，实现pH值的准确测量。

（二）设计溶解氧调理电路

溶解氧的准确测量方法和酸碱度测量类似，均采用电极法将氧分子透过薄膜电极直接接触，利用扩散速度将氧分子分解成正比关系，使透膜的氧在负极端产生化学反应，生成电流[2]。此次选取YU780传感器作为电化学原电池式，测量溶氧的输出电压控制在6-12mv之内，主要调理电路由低波过滤电路为基础，加入两个GI721芯片提供驱动电压。

在第一级滤波经过时设置YU1、YU2与0I三个短频转点装置，去除杂质信号。在通过调零设定将+7V电压转化成-7V电压，转化正负关系完成输出信号的控制。

二、水环境自动监测系统软件设计

（一）虚拟力算法构建测量模型

为避免测量模型受电磁影响和噪声干扰，在建立模型初始阶段加入抗干扰效应，设置每个等待设定的传感器监测点的半径及通讯半径相同，在此基础上获取参数范围[3]。每个传感器的监测范围会被划分为二维网格，这个网格之间会形成一段距离，此距离的选取需满足平衡虚拟力的计算概率要求。两个传感器之间按照节点不同所对应坐标不一致，根据两个节点h与k之间距离s计算公式为：

公式中，Q表示衡量外界的环境干扰参数；(za,ja)表示节点h的坐标；(z,j)表示节点的坐标k；ua表示传感器节点覆盖区域。通过传感器的监测范围和距离计算得出最终传感器网络最终布控效果的疏密程度，根据该测量模型完成无线传感网络的设定，进而控制采集数据流程。

（二）基于无线传感网络控制数据采集流程

将传感器节点放置在无线网络中，对该节点处的数据采集任务进行分配，实现终端数据的采集工作。流程分为两部分。一是信号的接收程度设定，在发送信号请求加入无线传感网络时，汇聚节点能否对传感器节点发送操控命令，正确接受和识别数据内容。二是对于等待的信息能否通过汇集节点完成分类，完成终端发送执行指令。具体工作表述为在程序开始前初始化设备，对内部待测定的组合14位AC模块建立多通道监测路径，在每个路径内设置终端ID号码查找，等待终端发现特定的ID码后才能同意终端加入网络。在开启终端设备时在路径内设定定时信号，并加入指示灯闪烁功能，在数据任务进入流程循环中，可以根据指示灯的闪烁颜色判断是否存在危险事件，利用优先处理危机事件原则对重点数据先一步进行输送，完成串口段发送流程。

（三）处理采集后节点数据完成自动监测

此次选择数据的核心处理器TUmaedsa415，并加入CO/SU双操作系统，能够保证处理过程中的数据共享功能。在不同大小的内存任务分配过程中，要对已经完成的任务回收储存，减少未处理数据的延缓等待时间。此过程必须满足三个任务要求，第一是处理器的模块测量电流必须在SYR协议的基础上读取由转换器变换后的信号数字，控制中心数据传感器。第二是在工作模式中加入看门狗板块保证处理程序的正确运行，当该程序无法定时喂狗时，所有数据将不再进行传输任务，直接停留在串口处等待。第三是通信板块在任务向该板块发送指令时，需要将接收到的数据信息完成处理并转回至无线通信网络串口，将各部分数据进行交换。

三、实验论证分析

（一）搭建实验环境

为了验证此次设计的系统具有实用性，通过试验检测的方式检验系统的应用效果。为简化实验过程此次选择室内进行检验，根据现有实验室条件监测系统的前提如下。采用4个无线传感器节点组成无线传感网络，将节点分成两组，第一组装置标记为T1、T2和T3用来监测污染物，TI连接水体样本PH值传感器，T2连接溶解氧传感器，T3连接浑浊度传感器。第二组装置作为传输节点，以串口和计算机相连的方式协调传感器所得数据的传输工作，标记为S1。每个节点之间的距离为4公里，组成的线性结构为拓扑结构。

在每个节点上连接好污染物监测传感器，其获取数据能够直接显示在计算机屏幕中，但受实验室场地限制，此次连接的3个传感器在数据传输中按照排列顺序依次进行，即从T1至T3节点。在将数据包统一汇集到S1节点处，与串口相连调试完成数据输送和显示，为更加直观地感受到数据，利用Visual-Studio平台连接串口获取数据。

（二）污染物监测过程

在完成测试环境搭建后，将三个节点的传感器放置在测试样本中，直接将实验室自来水作为此次监测的水质样本。为了更好地判断新系统的监测能力，以十分钟作为时间间隔，向水质样本中加入等量的石灰溶液与酸性饮料。本次实验测试时间控制在1小时内，通过节点传感器监测水质pH值、溶解氧溶度以及浑浊度数据。

根据图中显示结果可知，在设置好的时间间隔内，三个节点传感器均能在第一时间测出水中污染物含量，表明该系统具有实际应用效果。在1小时测试时间结束后将混合而成的水质样本静置，不再添加任何液体。

（三）测试结果分析

选取标准水质检测设备对静置后的污染物进行测量，具体指标结果如下：pH值6.42、浑浊度130NTU、溶氧量4.24ppm，实际测量结果在±2范围内表示合格。为进一步了解此次设计的系统在监测过程中获取的数据真实有效，利用S1号节点连接三个传感器，通过串口调试获取综合数据，进行5次时间间隔为1分钟的测量。

根据图中所得数据值可知，通过本次设计的监测系统获取的污染物数据值与专业设备测量的结果无明显差异，均在测量合理范围内。综合两轮测试说明该系统具有一定的适用性和可靠性，能够进行水环境的自动监测。

四、结束语

本次研究立足于无线传感网络的技术优点，结合虚拟力算法的优势，建立了全新的水环境自动监测系统，有效对水中污染物的指标进行监测并传输至监测站。在研究过程中重新设计了测量污染物传感器的调理电路，根据虚拟力算法的距离差值完成测量模型的构建，解决传感器网络的布控问题，有效完成对污染物数据的采集和处理工作，综合实验测试结果可知，此次设计的自动监测系统能够在4公里的距离下完成数据的实时监测。但受个人知识水平的限制，研究成果仍有不足，在后续研究中会对电能再生和监测维度方面进行改进，提高水质监测的完整性。

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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络是一项通过无线通信技术把数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式。构成传感器节点的单元分别为：数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。其中数据采集单元通常都是采集监测区域内的信息并加以转换，比如光强度跟大气压力与湿度等；数据传输单元则主要以无线通信和交流信息以及发送接收那些采集进来的数据信息为主；数据处理单元通常处理的是全部节点的路由协议和管理任务以及定位装置等；能量供应单元为缩减传感器节点占据的面积，会选择微型电池的构成形式。无线传感器网络当中的节点分为两种，一个是汇聚节点，一个是传感器节点。汇聚节点主要指的是网关能够在传感器节点当中将错误的报告数据剔除，并与相关的报告相结合将数据加以融合，对发生的事件进行判断。汇聚节点与用户节点连接可借助广域网络或者卫星直接通信，并对收集到的数据进行处理。

传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的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。