鄒 賽，劉昌明，李法平

(重慶電子工程職業(yè)學院軟件工程系，重慶401331)

0 引言

生物監(jiān)測是利用生物的組分、個體、種群或群落對環(huán)境污染或環(huán)境變化所產(chǎn)生的反應，從生物學的角度為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和評價提供依據(jù)的監(jiān)測技術，是未來一類重要的環(huán)境監(jiān)測方法，它主要有兩大類方法:群落監(jiān)測和生物測試，這兩類生物監(jiān)測方法在水環(huán)境評價、規(guī)劃、災害預報、水質(zhì)監(jiān)測、水質(zhì)標準制定及污染物排放監(jiān)測中有重要的應用，能夠發(fā)現(xiàn)其他物理和化學方法所發(fā)現(xiàn)不了的污染，同時，將在宏觀、微觀領域為人類提供大量連續(xù)、綜合的環(huán)境信息［1］。但由于生物監(jiān)測的監(jiān)測對象是高度復雜的生態(tài)系統(tǒng)，且由于監(jiān)測結(jié)果準確度與表達等原因的限制，使得生物監(jiān)測在實際應用時面臨著一些問題。因此，更好地將生物監(jiān)測與傳統(tǒng)的理化監(jiān)測相結(jié)合，體現(xiàn)其綜合、靈敏的優(yōu)勢特點，使用無線傳感器網(wǎng)絡是最好的監(jiān)測方法。

基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，國外比較典型的代表有美國Heliosware公司的EMNET系統(tǒng)和澳大利亞CSIRO的Fleck系統(tǒng)。上述2種系統(tǒng)可采集參數(shù)種類較少、功耗較高，僅適合用作研究。國內(nèi)已對基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的一些關鍵技術進行了研究［2，3］，并致力于研究無線傳感器網(wǎng)絡在長江環(huán)境監(jiān)測中的應用。利用無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)視長江的整體生態(tài)環(huán)境變化情況，建立一個完全自動化的立體監(jiān)測網(wǎng)是今后發(fā)展的趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡在對長江防汛、水質(zhì)監(jiān)測和生態(tài)平衡問題等方面具有非常明顯的技術優(yōu)勢和廣闊的應用前景［4，5］。

1 監(jiān)測傳感器節(jié)點設計

環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網(wǎng)絡屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡，基站，最終連接到Internet。由于本系統(tǒng)只是對水質(zhì)中發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)進行報警，所以，設計的傳感器節(jié)點如圖1所示。整個節(jié)點由3個傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊、能量供應模塊、浮標組成。傳感器把采集到的現(xiàn)場信號，經(jīng)過前端處理電路進行濾波和放大處理后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，最后變成105)

數(shù)字信號，把數(shù)字信號與此傳感器節(jié)點的存儲模塊的數(shù)據(jù)進行比較，如果與此前數(shù)據(jù)相同，則丟失，如果不同，則替代存儲模塊現(xiàn)有數(shù)據(jù)，并且馬上送CAN控制器處理，再經(jīng)過光電耦合，由CAN收發(fā)器發(fā)送中心服務器上。

圖1 監(jiān)測傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of monitoring sensor nodes

采用以C8051F040單片機為核心構(gòu)成的智能節(jié)點電路，在普通傳感器基礎上可以形成接收多至20路模擬量輸入和智能傳感器節(jié)點。該智能傳感器節(jié)點的電路原理圖如圖2所示。在C8051F040微控制器發(fā)出一系列控制信號之后，傳感器把采集到的現(xiàn)場信號，經(jīng)過前端信號調(diào)理電路進行濾波和放大處理，從單片機的模擬信號輸入，再經(jīng)過多路開關送入到A/D轉(zhuǎn)換器，最后變成數(shù)字信號;數(shù)字信號經(jīng)內(nèi)部自帶的CAN控制器處理后，再經(jīng)過光電耦合器6N137，由CDMA收發(fā)器與總線進行數(shù)據(jù)交換。

圖2 傳感器節(jié)點電路原理圖Fig 2 Circuit principle diagram of sensor nodes

2 智能無線傳感器網(wǎng)絡搭建

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡整體結(jié)構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡技術，并融合網(wǎng)絡拓撲和低能耗路由技術，通過在監(jiān)測區(qū)內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點實時采集水環(huán)境信息，并經(jīng)微處理器處理，通過無線通信模塊以多跳中繼方式送到網(wǎng)關節(jié)點再經(jīng)處理后將有用數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂行?，?jīng)專家研究后實施決策管理、預報等功能。傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，各節(jié)點在工作時自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域的信息。網(wǎng)絡自組織特性體現(xiàn)在當某節(jié)點失效或新節(jié)點加入時網(wǎng)絡能夠自適應重新組建，以調(diào)整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢。

2.2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

文獻［6］研究表明:采用分環(huán)分簇辦法，各環(huán)簇之間的節(jié)點數(shù)目成一定的比例，再采用休眠機制從而達到節(jié)點的最大節(jié)能性。在設計此系統(tǒng)時以Sink節(jié)點為圓心，以通信半徑R為環(huán)距、覆蓋半徑r為簇，從而使得相鄰的二簇環(huán)之間的所有節(jié)點能夠通信，并且可以覆蓋每一塊信息監(jiān)測區(qū)域。從最外環(huán)開始節(jié)點數(shù)目按1∶2∶3∶…∶n的比例從外向內(nèi)依次排列，在排列時最好讓每一個節(jié)點都處于每一個環(huán)簇的中心點;處于最外環(huán)節(jié)點以最短距離算法，按1∶2∶3∶…∶n的比例，向上一環(huán)節(jié)點發(fā)出信號，當上一環(huán)節(jié)點接收到信號馬上返回信息，并且把此節(jié)點編入一簇，同理，此環(huán)其他節(jié)點同樣按此比例向自己的上一環(huán)發(fā)出信號，直到基站為止;并且按簇把每一簇節(jié)點編號，只有在同一簇的節(jié)點才能進行通信，不同簇的節(jié)點不能通信。

2.3 覆蓋組網(wǎng)技術

對監(jiān)測區(qū)域無線傳感器節(jié)點的最小連通覆蓋集問題進行了研究，基于“正方形網(wǎng)格剖分”的概念及其良好的特性，采用了一種分布式的近似最小連通覆蓋集的構(gòu)造算法［7］。Sink節(jié)點首先將其目標區(qū)環(huán)簇信息轉(zhuǎn)換為正方形網(wǎng)格，并將得到的剖分信息廣播給網(wǎng)絡中的所有傳感器節(jié)點，然后，網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點再通過周期性地與其鄰節(jié)點交換信息，來構(gòu)造目標區(qū)域的近似最小連通覆蓋集。并計算每個網(wǎng)格到Sink節(jié)點最近的網(wǎng)格的最短相對長度，通過這個最短相對長度構(gòu)建多條路徑，并采用休眠機制進行方向性路由。

2.4 路由技術

所有處于“工作狀態(tài)”的節(jié)點，開始收集信息，并采用多跳方式傳遞信息，即每一個節(jié)點收集的信息必須通過上一環(huán)節(jié)點傳向基站。由于采用多跳方式，所以，上一環(huán)工作節(jié)點的能量消耗比下一環(huán)工作的節(jié)點快，上一環(huán)工作的節(jié)點的能量先于下一環(huán)工作節(jié)點的能量耗盡;當上一環(huán)工作的節(jié)點能量低于一個常量EL時(最底工作能量限制)，向同一環(huán)的“監(jiān)測節(jié)點”發(fā)出警報，并且進入“退休狀態(tài)”，從此不再工作，由“監(jiān)測節(jié)點”替代此工作節(jié)點，進入工作狀態(tài)，并隨機選取一“睡眠狀態(tài)”的節(jié)點進入“監(jiān)測狀態(tài)”，直到全部節(jié)點都處于“退休狀態(tài)”，最終所有環(huán)節(jié)點同時進入退休狀態(tài)［8］。

3 自動監(jiān)測預警系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)服務架構(gòu)

長江流域水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為基于無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控長江流域水環(huán)境的軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要服務于無線傳感器節(jié)點組網(wǎng)的水環(huán)境監(jiān)控硬件系統(tǒng)，對長江流域水域的pH值、含氧量及重金屬離子等信息進行實時采集、存儲、顯示、監(jiān)控預警、動態(tài)分析和動態(tài)跟蹤。最終達到對長江流域水域的水環(huán)境信息實時監(jiān)控，進一步對山峽庫區(qū)水環(huán)境污染提供應急依據(jù)，達到節(jié)約資源，資源高度共享的目的，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)服務架構(gòu)圖Fig 3 Framework of system service

首先由數(shù)據(jù)導入分析模塊導入近30年相關的水質(zhì)信息和行業(yè)專家所設定的pH值、含氧量、重金屬離子含量的安全范圍值;當數(shù)據(jù)接收模塊接收到相關數(shù)據(jù)后，馬上把各數(shù)據(jù)相關值保存入數(shù)據(jù)庫(傳感器節(jié)點號、時間、相關性能值);再調(diào)入數(shù)據(jù)分析比較模塊與安全范圍數(shù)據(jù)進行比較，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出安全范圍時調(diào)用異常報警模塊在監(jiān)測室報警、調(diào)用異常區(qū)域追綜模塊進行異常數(shù)據(jù)范圍追綜并在電腦虛擬實物圖上繪出異常源、調(diào)用移動手機發(fā)送模塊向相關責任人發(fā)送手機短信。最終經(jīng)過各年的數(shù)據(jù)進行比較，對未來水環(huán)境可能出現(xiàn)的情況進行預測。

3.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

長江流域水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)充分考慮IT企業(yè)架構(gòu)規(guī)劃，基于SOA架構(gòu)，通過數(shù)據(jù)采集集成、多系統(tǒng)集成及顯示內(nèi)容多渠道整合，實現(xiàn)了長江流域水環(huán)境監(jiān)測資源的高度共享，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖Fig 4 Framework of the system architecture

4 實驗

為了檢測系統(tǒng)的性能及相關功能，在某水塘設置傳感器網(wǎng)絡，以Sink節(jié)點為圓心，以水面15 m的距離為半徑，節(jié)點以上述說明構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu);各節(jié)點數(shù)據(jù)通過Sink節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)進入局域網(wǎng)，最后進入中心服務器。在實驗中主要測試含氧量，pH值，金屬離子。由于含氧量主要與溫度有關，所以，在實驗過程中先逐漸增減水中的溫度觀察相關值，再在水中增加增酸劑，增堿劑量觀看pH值。

系統(tǒng)穩(wěn)定后，在1 atm下，溫度為28℃，先向水中加入冰塊，再加入熱水，同時先增加增酸劑、再增加堿劑的量，系統(tǒng)性能如圖5所示，氧含量，pH值測試結(jié)果如表1，表2。

圖5 1號節(jié)點監(jiān)測情況Fig 5 Monitoring of No1 node

表1 含氧量檢測值與實際值Tab 1 Detected and actual value of oxygen

從表1中可以看出:在降溫檢測過程中檢測值比標準值要低，加升溫檢測過程中檢測值比標準值要高，說明在監(jiān)測過程中有一個網(wǎng)絡傳輸時間，監(jiān)測結(jié)果是前一時刻的數(shù)據(jù)值，所以，監(jiān)測結(jié)果基本符合實際情況。

當pH值高于10或者低于4時，發(fā)現(xiàn)傳感器節(jié)點有所影響。從表2中可以看出:測試結(jié)果與實際值基本相符。

表2 p H檢測值與實際值Tab 2 Detected and actual value of p H

5 結(jié)論

本系統(tǒng)綜合運用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術、無線傳感器網(wǎng)絡技術、無線通信技術、分布式智能信息處理技術和面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)技術，實現(xiàn)了對水中的含氧量，pH值，重金屬離子含量進行自動測量，以及水質(zhì)監(jiān)測、異常數(shù)據(jù)自動預警、各年度數(shù)據(jù)對比，從而對未來做出預測等功能。系統(tǒng)擴展性好，稍加改進可以應用在長江河流域水環(huán)境監(jiān)測。經(jīng)過實驗監(jiān)測該系統(tǒng)有一定的實用價值與推廣價值。

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