魏勝非，陳彩云，陳菊芳，許德玄

（東北師范大學(xué)a.物理學(xué)院；b.城市與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春130024）

1 引 言

近年來，由于取水環(huán)境污染而使飲用污染水的引發(fā)人們生病甚至死亡的事件時(shí)有發(fā)生.盡管飲用水生產(chǎn)單位都配備相應(yīng)的化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室用以檢測水的質(zhì)量，但是化學(xué)分析需要時(shí)間較長，并且不能連續(xù)進(jìn)行.化學(xué)分析需要知道所含毒物的大概范圍，對一些復(fù)合的化學(xué)毒物，特別是這些化學(xué)成分之間的拮抗作用很難確定.生物傳感器是一種較為理想的飲用水取水環(huán)境監(jiān)測的方法，目前一些國家已能生產(chǎn)在線的生物傳感器毒物監(jiān)測系統(tǒng)，但是性能還不穩(wěn)定，特別是監(jiān)測范圍小，只能監(jiān)測生產(chǎn)前水環(huán)境，不能大面積監(jiān)測取水口環(huán)境［1-2］.為了能夠大面積監(jiān)測取水環(huán)境，從而發(fā)現(xiàn)水環(huán)境的改變，筆者研發(fā)了基于 WSN協(xié)議的Q67取水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用節(jié)點(diǎn)收集信息，傳輸給匯聚接點(diǎn)的方式，增大了監(jiān)測面積.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信形成的多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)信息.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、會聚節(jié)點(diǎn)（sink）和管理節(jié)點(diǎn)［3-4］，如圖1所示.傳感器的節(jié)點(diǎn)的硬件功能模塊主要有傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊、電源模塊和輔助模塊.傳感器模塊包括DS18B20溫度傳感器和光電倍增管.數(shù)據(jù)處理模塊采用單片機(jī)Atmega128，它是高性能、低功耗的AVR 8位微處理器并具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash.射頻芯片采用CC2420，該芯片支持基于IEEE802.15.4的MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖等功能.電源模塊由蓄電池提供能量.輔助模塊包括看門狗電路、電池電量檢測模塊.傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.傳感器節(jié)點(diǎn)大量分布于所要監(jiān)測的水廠取水口附近區(qū)域.

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)原理

基于WSN協(xié)議的Q67取水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要原理可以分為通信協(xié)議的選擇和青海弧菌Q67發(fā)光及監(jiān)測2部分，下面分別加以論述.

1）通信協(xié)議的選擇

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一樣可以分為幾個(gè)層次，不同的是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一般分為7層結(jié)構(gòu)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)一般僅有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層.無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)的劃分不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)的劃分，其層次結(jié)構(gòu)的劃分更為靈活，層次結(jié)構(gòu)的界限也不象計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)那樣清晰，主要以節(jié)省能源為主，這是因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)不可能象計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的能源和存儲容量.根據(jù)飲用水取水檢測時(shí)間間隔一般為15min，以及水檢測急性毒物的特性，在MAC協(xié)議選擇時(shí)采用DMAC協(xié)議［5］.因?yàn)樵搮f(xié)議能夠很好地解決由于休眠造成的延遲問題.DMAC的基本思想是組成樹狀數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，然后各節(jié)點(diǎn)沿這個(gè)樹狀網(wǎng)絡(luò)單向傳輸.網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議選擇LEACH協(xié)議［6］，它是以循環(huán)方式隨機(jī)選擇簇首的低功耗自適應(yīng)分層路由協(xié)議.監(jiān)測急性毒物的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于水域內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的水域內(nèi)出現(xiàn)急性毒物的機(jī)會均等.如果選定某一節(jié)點(diǎn)一直擔(dān)任簇首，就可能使該節(jié)點(diǎn)過勞而死，從而縮短整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期.整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議以Zigbee協(xié)議為基礎(chǔ).Zigbee是一種低功耗、短距離通信標(biāo)準(zhǔn)，支持樹狀、網(wǎng)狀、星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［7-8］.

2）青?；【鶴67發(fā)光及監(jiān)測的基本原理

發(fā)光細(xì)菌是一類在正常的生理?xiàng)l件下能夠發(fā)射可見熒光的細(xì)菌，這種可見熒光波長在450～490nm之間，在黑暗處肉眼可見.青?；【鷮儆诘l(fā)光菌.發(fā)光機(jī)理的研究表明，不同種類的發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光機(jī)理是相同的，是由特異性的熒光酶（LE）、還原性的黃素（FMNH2）、八碳以上長鏈脂肪醛（RCHO）、氧分子（O2）所參與的復(fù)雜反應(yīng)，大致歷程如下：

概括地說，細(xì)菌生物發(fā)光反應(yīng)是由分子氧作用，胞內(nèi)熒光酶催化，將還原態(tài)的黃素單核苷酸（FMNH2）及長鏈脂肪醛氧化為FMN及長鏈脂肪酸，同時(shí)釋放出最大發(fā)光強(qiáng)度在波長為450～490nm處的藍(lán)綠光［9］.當(dāng)發(fā)光微生物遇急性毒物后，其發(fā)光能力下降.通過檢測發(fā)光微生物發(fā)光強(qiáng)度的改變即可表明急性毒物的定性濃度，從而快速判定急性毒物是否超標(biāo).

4 系統(tǒng)測試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際效果，將急性毒物傳感器用于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)際水域急性毒物監(jiān)測.第一片水域選取長春市伊通河衛(wèi)星大橋段及某排污口附近.為了驗(yàn)證傳感器網(wǎng)絡(luò)的可行性，網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，選擇環(huán)境溫度為22～24℃時(shí)的數(shù)據(jù)如表1所示，其中n為節(jié)點(diǎn)號，I為相對發(fā)光度，x為變異系數(shù).

表1 長春市伊通河衛(wèi)星大橋段水域傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果

同時(shí)人工提取節(jié)點(diǎn)水樣（每個(gè)水樣取5試管），低溫箱儲存并迅速送往實(shí)驗(yàn)室檢測，數(shù)據(jù)如表2所示.表1同表2相對發(fā)光度的相關(guān)系數(shù)R1＝0.98，說明二者密切相關(guān).

表2 長春市伊通河衛(wèi)星大橋段水域?qū)嶒?yàn)室檢測結(jié)果

第二片水域選取長春市某工廠排污口附近，網(wǎng)絡(luò)仍由4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，選擇環(huán)境溫度為22～24℃時(shí)的數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 長春市某工廠排污口水域傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果

同時(shí)人工提取節(jié)點(diǎn)水樣（每個(gè)水樣取5試管），低溫箱儲存并迅速送往實(shí)驗(yàn)室檢測.數(shù)據(jù)如表4所示.表3同表4相對發(fā)光度的相關(guān)系數(shù)R2＝0.99，說明二者密切相關(guān).

表4 長春市某工廠排污口實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果

通過數(shù)據(jù)可見傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果高度相關(guān)，表明系統(tǒng)可以用于實(shí)際水環(huán)境急性毒物監(jiān)測.傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室結(jié)果有所差異，其原因分析可能如下：1）實(shí)際環(huán)境的溫度同實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)溫度的差異導(dǎo)致Q67的發(fā)光影響，這需要進(jìn)一步研究相應(yīng)的補(bǔ)償算法，以提高精確度.2）無線傳輸因素的影響，需要進(jìn)一步對無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸條件進(jìn)行研究.

5 結(jié) 論

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的取水環(huán)境急性毒物監(jiān)測范圍將比固定監(jiān)測范圍擴(kuò)大很多.對于突發(fā)事件所獲取的預(yù)警提前量將大幅提高，為及時(shí)采取應(yīng)對措施提供了寶貴時(shí)間.將生物傳感器檢測技術(shù)同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合將極大地?cái)U(kuò)充傳感器的監(jiān)測領(lǐng)域.通過選取的2片區(qū)域進(jìn)行的系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境.雖然系統(tǒng)測試結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室檢測相比存在一定的差異，但是生物傳感器對于急性毒物的檢測速度是其他檢測方法無法比擬的，所以用生物傳感器快速檢測急性毒物依然是今后一段時(shí)間采取的主要手段.鑒于此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的取水環(huán)境急性毒物監(jiān)測的研究將變得更加重要，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)針對取水環(huán)境急性毒物監(jiān)測的跨層通信協(xié)議的研究將為降低傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲量、降低節(jié)點(diǎn)能耗起到重要作用.

［1］魏勝非.模擬高壓靜電對Q67發(fā)光影響的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（12）：34-38.

［2］魏勝非，李忠民，許德玄.基于Labview的發(fā)光微生物測量實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（3）：17-19.

［3］Lu G，Krishnamachchari B，Raghavendra C S.An adaptive energy efficient and low-latency MAC for data gathring in wireless sensor networks ［A］.In Proceeding of 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium［C］.Los Angeles CA，2004，3：224-231.

［4］Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakririshman H.Energy-efficient communicaton protocol for wireless microsensor networks［A］.In Proceeding of the 33rd Annual Hawaii Int’l Conf.On System Scinces［C］.Maui：IEEE Computer Society，2000：3005-3014.

［5］王驥，徐國保，沈玉利.基于無線傳感器的海水重金屬監(jiān)測系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17（4）：643-645.

［6］景興鵬，王偉峰，黑磊，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2009，28（4）：93-97.

［7］Doss R，Gang Li，Mak V，et al.Morshed chowdhury，improving the QoS for information discovery in autonomic wireless sensor networks［J］.Pervasive and Mobile Computing，2009（5）：334-349.

［8］Song Chao，Liu Ming，Cao Jiannong，et al.Maximizing network lifetime based on transmission range adjustment in wireless sensor networks［J］.Computer Communications，2009（32）：1316-1325.

［9］朱文杰，鄭天凌，李偉民.發(fā)光細(xì)菌與環(huán)境毒性檢測［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2009：208-209.