黃 戎 巫 茜

(重慶工業(yè)職業(yè)技術學院自動化系1，重慶 401120;重慶理工大學計算機科學與工程學院2，重慶 400054)

0 引言

隨著水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益突出，而其解決方法受限于目前對生活污水和工業(yè)廢水的處理能力(直接排放至大江大河)，從而導致原生態(tài)水環(huán)境遭到嚴重破壞，直接危及人們健康和各物種的生存。水生態(tài)環(huán)境惡化極大地制約了我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，有文獻對其不堪想象的嚴重后果進行了風險評估，并提出了警告［1－3］。為此，國發(fā)［2012］3 號文件“國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見”提出了“加強水功能區(qū)限制納污紅線管理，嚴格控制入河湖排污總量”的戰(zhàn)略對策措施。水是生命之源，水與空氣一樣是人類存在的最基本條件，面對嚴峻的水環(huán)境挑戰(zhàn)，本文對基于無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，WSN)的無人值守地表水水質遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了討論。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構設計

地表水也稱“陸地水”，是指存在于地殼表面并暴露于大氣的水，是河流、冰川、湖泊、沼澤四種水體的總稱。由于地表水資源分布地域遼闊，各個地區(qū)分布狀況差異很大，應針對具體地域特點設計水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的底層結構?；诙鄬哟味鄠鞲衅鞯臒o線網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of the monitoring system

系統(tǒng)由基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡設備組成。設備節(jié)點負責采集分布在不同觀測點的相關數(shù)據(jù)，采用GPRS方式，由網(wǎng)絡協(xié)調器傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心負責對設備節(jié)點數(shù)據(jù)進行處理，并將其與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)融合，以方便在更大范圍內實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源共享，從而為領導層提供指揮決策支持參考，有效支持突發(fā)性污染事故的報警。此外，監(jiān)控中心還能基于污染源分析結果生成應急處置預案。整個系統(tǒng)包括監(jiān)控中心監(jiān)控軟件和節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，其中每個監(jiān)控設備控制節(jié)點都包含有一個ZigBee通信模塊，遠程監(jiān)控系統(tǒng)還包括GPRS通信模塊、無線通信網(wǎng)絡、網(wǎng)絡協(xié)調器等［4－7］。

2 WSN的拓撲模型

在無線傳感網(wǎng)絡ZigBee中，主要有星型網(wǎng)絡、簇樹型網(wǎng)絡和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡3種拓撲結構，如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡拓撲結構Fig.2 Topological structure of WSN

圖2中，節(jié)點C、R、F分別為具有監(jiān)控終端與無線傳輸裝置的網(wǎng)絡協(xié)調器(network coordinator，NC)節(jié)點、全功能設備(full-function device，F(xiàn)FD)節(jié)點、精簡功能設備(reduced-function device，RFD)節(jié)點。其中，網(wǎng)絡協(xié)調器負責網(wǎng)絡設備節(jié)點與鏈路狀態(tài)信息的管理以及數(shù)據(jù)的分組轉發(fā)等;FFD用于進行檢測控制與管理，RFD用于簡單的數(shù)據(jù)檢測控制。FFD與RFD設備節(jié)點的區(qū)別在于:RFD之間不能相互通信，它只能與FFD通信;FFD無論與FFD或是RFD均可相互通信。在3種拓撲結構中，無線簇樹型網(wǎng)絡拓撲與無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲屬于多跳網(wǎng)絡，而無線星型網(wǎng)絡拓撲屬于單跳網(wǎng)絡。顯然網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點是整個無線傳感器網(wǎng)絡的中心，它負責網(wǎng)絡的創(chuàng)建與管理，是監(jiān)控中心與設備節(jié)點通信的媒介與橋梁。由于ZigBee通信模塊傳輸距離有限，因此在通信中全功能設備節(jié)點可作為數(shù)據(jù)通信的中繼器使用，但是精簡功能設備節(jié)點不能作為中繼器使用［8－10］。

3 監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)與設計

3.1 WSN 的組網(wǎng)

現(xiàn)以圖3所示無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構為例討論WSN組網(wǎng)過程。ZigBee網(wǎng)絡采用避免數(shù)據(jù)沖突傳送機制，無需人工干預。如果網(wǎng)絡中的某個設備傳感節(jié)點出現(xiàn)故障，由于ZigBee網(wǎng)絡具有自愈與自組織功能，所以其拓撲結構可以自動調整，以確保整個系統(tǒng)的正常工作。如果網(wǎng)絡中的某個設備節(jié)點檢測到通信信道的剩余空閑時間比被傳送數(shù)據(jù)幀時間區(qū)間長，就可發(fā)送數(shù)據(jù)信息，否則不發(fā)送。CSMA/CD傳送機制確保了在某時間段只有一個設備可傳送數(shù)據(jù)信息。組網(wǎng)的首要步驟是在監(jiān)控范圍內設置一個網(wǎng)絡協(xié)調節(jié)點，其他節(jié)點通過該協(xié)調節(jié)點訪問，以建立無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。因此，如增加新監(jiān)控區(qū)域，就必須在新監(jiān)控區(qū)域設置一個網(wǎng)絡協(xié)調器，所有訪問連接等都是由網(wǎng)絡自動搜索完成的;同樣，如要刪除某監(jiān)控區(qū)域，則從該區(qū)域刪除協(xié)調節(jié)點即可。

圖3 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構Fig.3 Topological structure of the wireless mesh network

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.2.1 遠程監(jiān)控中心設計

從圖1可知，監(jiān)控中心由網(wǎng)絡協(xié)調器與監(jiān)控系統(tǒng)的后臺PC機組成。它是整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)的指揮中心，負責接收與處理來自設備模塊所采集的數(shù)據(jù)，給新節(jié)點分配網(wǎng)址，借助GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機。如果發(fā)現(xiàn)測試結果中某檢測項目的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則監(jiān)控中心自動給出報警的數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可自動跟蹤污染源［8－9］。

3.2.2 設備節(jié)點設計

設備節(jié)點結構如圖4所示，其復雜度低，可有效地降低成本。在網(wǎng)絡組網(wǎng)完成后，其全功能設備節(jié)點既可作檢測設備也可作路由器用，以實現(xiàn)多跳路由。終端節(jié)點設備用于采集檢測數(shù)據(jù)與向路由器接點傳送檢測數(shù)據(jù)，主要由微處理器、無線傳感模塊、無線收發(fā)模塊組成。無數(shù)據(jù)傳送時，設備處于休眠狀態(tài);否則設備處于喚醒狀態(tài)［11］。

圖4 ZigBee設備節(jié)點結構Fig.4 Structure of the ZigBee device node

3.2.3 軟件系統(tǒng)設計

在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中，每個設備節(jié)點都按照ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡通信協(xié)議要求，采用點對點的通信方式進行數(shù)據(jù)交換。軟件系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心后臺PC機應用程序與設備節(jié)點程序組成，如圖5所示，其中，圖5(a)和圖5(b)分別為網(wǎng)絡協(xié)調過程和節(jié)點設備數(shù)據(jù)采集過程的流程圖。

圖5 網(wǎng)絡協(xié)調與數(shù)據(jù)采集流程Fig.5 Flowcharts of network coordination and data collection

4 監(jiān)控實現(xiàn)與參數(shù)測試

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控平臺選擇

針對地表水水質遠程監(jiān)控的特點，無線傳感網(wǎng)絡平臺選擇ZigBee，傳輸距離≤1 000 m;傳輸速率可達250 kbit/s;當受到自然災害時有自動恢復功能，能夠自動組網(wǎng);當受到安全攻擊時，能夠自動追蹤攻擊源;數(shù)據(jù)可實現(xiàn)24 h自動備份。

ZigBee具有以下顯著優(yōu)勢:①數(shù)據(jù)速率較低，適合于水質遠程監(jiān)控領域應用;②抗干擾能力比較強，MAC應用層的應答重傳功能可避開干擾，一旦受到外界干擾，可動態(tài)地切換工作信道;③ZigBee網(wǎng)絡時延短，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30 ms，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)能效果顯著;④組網(wǎng)能力強，網(wǎng)絡覆蓋范圍廣，適合用于地表水資源分布水域遼闊及地區(qū)分布差異大的遠程監(jiān)控應用;⑤ZigBee可采用多種網(wǎng)絡拓撲結構，上層網(wǎng)絡設備節(jié)點可管理下層設備主節(jié)點，一個主設備節(jié)點可管理254個子節(jié)點，最多可組成包括65 000個設備節(jié)點的大網(wǎng)絡，很適合分布水域遼闊的應用;⑥ZigBee提供了安全模式，因此網(wǎng)絡安全性高。

4.2 節(jié)點設備實現(xiàn)

為提高可靠性，選用 AGPRS1090、SAM300、C51RFCC2530-PK ZigBee等標準產(chǎn)品分別作為數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳送模塊、無線收發(fā)模塊和微處理器，通信傳輸距離≤1 000 m。在線pH計選擇PHG5202，其他在線溫度計等按水環(huán)境規(guī)定選定。由于設備硬件系統(tǒng)組裝比較簡單，調試工作量不大，經(jīng)過統(tǒng)調合格后即可投入運行使用。

4.3 地表水參數(shù)測試

系統(tǒng)設計安裝后，在某實驗現(xiàn)場對水中的pH值、融解氧含量、水溫、重金屬離子等進行了自動測量。其中，溫度測量靈敏度為0.5 mV/℃，溫度范圍為－5～55℃;pH值測量靈敏度為±5%，pH值范圍為4～14;融解氧量測量靈敏度為±5%，測量范圍為4～20 mg/L。實際測試表明，采用GPRS傳送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心能實現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠程檢測，同時也說明了采用無線傳感網(wǎng)絡平臺方案是可行的，完全可以滿足實際地表水環(huán)境參數(shù)監(jiān)控要求。

5 結束語

地表水水質監(jiān)控非常復雜，測試參數(shù)多，基于WSN的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲模型，設計了監(jiān)控系統(tǒng)架構與原型樣機監(jiān)控平臺。選擇標準節(jié)點設備搭建系統(tǒng)，并對地表水的溶解氧、水溫與水環(huán)境pH值等進行了檢測。部分參數(shù)的監(jiān)測結果驗證了上述方法的可行性與合理性，可以達到環(huán)保部門對實際地表水環(huán)境參數(shù)監(jiān)控要求。由于系統(tǒng)對重金屬離子等的在線檢測還不夠成熟，因此有待進一步研究。

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