童曉紅陳 玲徐 偉李恒勝楊 磊

(1 合肥職業(yè)技術學院計算機應用技術系，安徽 合肥 238000）

(2 安徽斯瑪特物聯(lián)網科技有限公司，安徽 合肥 231000）

基于WSNs的巢湖水質監(jiān)測系統(tǒng)的設計

童曉紅1陳 玲1徐 偉1李恒勝1楊 磊2

(1 合肥職業(yè)技術學院計算機應用技術系，安徽 合肥 238000）

(2 安徽斯瑪特物聯(lián)網科技有限公司，安徽 合肥 231000）

介紹了基于無線傳感器網絡(WSNs)的巢湖水質監(jiān)測系統(tǒng)。通過ZigBee無線技術與wifi、GPRS等通信技術對數據進行接收與遠程通信，實現(xiàn)對水溫、pH值、溶解氧、電導率、濁度等數據的定時采集、處理、遠程存儲、顯示和實時分析并預警。并通過實驗測試，取得實質性成果。

無線傳感器網絡；ZigBee；Wifi；GPRS；水質監(jiān)測

巢湖位于安徽省皖江城市帶承接產業(yè)轉移示范區(qū)重點區(qū)域中。近年來經濟社會持續(xù)高速發(fā)展的同時，水質環(huán)境問題顯得日益突出。我國環(huán)保部《2010年—2020年先進的環(huán)境監(jiān)測預警體系建設綱要》要求對全國重點湖庫、飲用水水源地水質等實現(xiàn)自動監(jiān)測。本文提出的基于無線傳感器網絡對巢湖現(xiàn)有水質建立實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計，具有覆蓋范圍廣、組網靈活、野外多種電源供電設計、遠程數據多形式發(fā)送與存儲[1]、可在各類復雜環(huán)境下通過分布固定基站及浮標節(jié)點對巢湖水質進行不間斷實時監(jiān)測與峰值預警等特點，對未來環(huán)巢湖整體湖面水域真正實現(xiàn)智能、實時的監(jiān)測預警具有一定的借鑒價值與指導意義。

1 系統(tǒng)結構

目前國內基于無線傳感器網絡(WSNs）的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網絡結構基本為監(jiān)測中心、基站、網關、傳感器節(jié)點等[2]。傳輸方法有直接傳輸、采用Zigbee、IEEE802.15.4等。本文著重從電源模塊種類、傳感器選擇、數據采集與數據通信、數據存儲、系統(tǒng)設計等方面闡述多參數實時水質自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)基本結構如圖1。

2 系統(tǒng)設計

由于系統(tǒng)具有多路傳感器集成模塊和一路根據不同野外采樣環(huán)境特定性要求采用的通信集成模塊，為了避免信號間的相互干擾，在電源管理模塊的設計上要考慮相互隔離，以提高系統(tǒng)的可靠性。在電源供給方式上，由于環(huán)巢湖野外環(huán)境的要求，固定采集點(包括國家在環(huán)巢湖區(qū)域設定的8個一級節(jié)點）可以通過市電直接供電(轉換成系統(tǒng)要求的24 V、12 V與5 V），不具有市電供給的采集點可選太陽能供電及蓄電儲放系統(tǒng)、鋰電、干電供給方式等技術解決。

這里要著重提及太陽能供電系統(tǒng)，包括太陽能電池板、充電控制器和蓄電池構成[3]。在有陽光的時候，太陽能電池板給電池充電，同時電池維持系統(tǒng)正常運行;在沒有陽光的時候，電池則依靠本身所存儲的能量維持系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)功耗主要是24 V、12 V及部分5 V供電。考慮到水質現(xiàn)場周邊環(huán)境揚塵、水霧影響光電轉換效率等因素，最終選擇的太陽能電池板功率為110 W (2塊55 W太陽能電池板并聯(lián)），且系統(tǒng)的低功耗設計使監(jiān)測子系統(tǒng)完全無需市政供電[4]。

國家環(huán)保總局于2003年3月28日發(fā)布了環(huán)保行業(yè)標準《水質自動分析儀技術要求》(HJ/T96-104-2003），并于2003年7月1日實施。該標準共包括9個水質參數的自動分析儀技術要求，即pH值、電導率、濁度、溶解氧(DO）、高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷和總有機碳(TOC）[5]，這一標準的實施，保證了水質自動監(jiān)測系統(tǒng)設計的規(guī)范化要求。巢湖為國家重點建設的河湖水質自動監(jiān)測系統(tǒng)實驗區(qū)，日前國家級8個剖面單價百萬元的多參數水質分析儀浮標站正加緊建設，本項目基于多傳感器移動式監(jiān)測顯得特別必要與及時。

傳感器的選擇主要考慮通信數據接口的選型 (RS485、RS232、RS422）、信號處理與精度要求、信號數據實時選取的閾值大小、價格及是否支持二次開發(fā)等[6-7]。這里以pH值傳感器的信號調理電路設計加以說明。本設計采用E-201-C復合玻璃電極，該pH電極測量范圍為1～14，電極內置熱敏電阻器，可用于溫度測量或者溫度補償功能。pH值復合電極輸出是mV級，且內阻很高。在信號調理電路中，第1級將pH電極的輸出與CA3140電壓跟隨器相連，保證信號的準確性。第2級用AD623放大芯片，使之輸出滿足0～5 V，滿足A/D轉換的輸入范圍，通過多次實驗驗證設定的計算公式可以計算出所求的pH值的大小[8]：

pH值信號調理電路如圖3所示。

鑒于環(huán)巢湖區(qū)域水質的多樣性及監(jiān)測的復雜性，因此在采集器的傳感器輸入路數、信號模擬量類別(電壓、電流）及量程、輸入通道差分與隔離要求、通信協(xié)議、通信接口是否提供光電隔離及浪涌保護、電源選型及是否具有過流過壓保護和防反接功能等都要一定的技術及功能支持[9]。

系統(tǒng)選用通信模塊實現(xiàn)數據的無線傳輸[10]，把數字量模塊和模擬量模塊采集到的數據組成一個數據包先經過加密算法加密后[11]，利用網關的GPRS通信模塊與地面移動基站(或利用WiFi與無線寬帶路由器、網關等）通信，發(fā)送給數據處理中心或者云服務器，如圖4所示。對國家級剖面并且是固定漂浮式采集節(jié)點，可以結合太陽能光電轉換供電系統(tǒng)考慮使用GPRS方式，其他盡量使用WiFi與ZigBee通信方式。這兩種方式都有一定的缺陷與不足，特別是WiFi受傳輸距離、寬帶、范圍、干擾等影響，GPRS長期占用費用高，這些在實驗設計與野外場景布點時也是有差別的。

遠程數據處理中心數據庫采用多元異構數據庫管理系統(tǒng)[12]。主要數據庫包括節(jié)點信息表、運行日志表、原始記錄表、報警記錄表等。節(jié)點信息表(ms_inf）保存區(qū)域各個固定基站及漂浮移動監(jiān)測站的序號、地理位置、采集處理后的監(jiān)測數據、維護人員信息等數據；運行日志表(run_inf）記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)，包括站點序號、開始時間、結束時間等；原始記錄表(real_inf）保存監(jiān)測站的實時數據，包括全部各類設定的水質要素；報警記錄表(alarm_inf）記錄編號、傳輸模塊、數據類別、實時數據、閾值、所屬節(jié)點、標志位[13]；將所有節(jié)點整合在一個數據庫表中，用時間和站點代號及數據類型作為主鍵。

巢湖水質實時監(jiān)測系統(tǒng)設計的功能模塊目前包括：水質監(jiān)測子系統(tǒng)、水質分析決策子系統(tǒng)、水質預警子系統(tǒng)三大塊。其中水質監(jiān)測子系統(tǒng)是基于.NET框架進行的Web系統(tǒng)設計，B/S模式實現(xiàn)過程[14]，主要包括系統(tǒng)管理、節(jié)點管理、實時監(jiān)測與顯示及圖表數據管理等；水質決策分析系統(tǒng)主要通過數據挖掘決策分析模型[15]，利用Web Service中間件技術對數據進行決策分析，為水質預警與峰值報警提供基線閾值范圍；水質預警子系統(tǒng)屬于移動終端設計，開發(fā)的基于android平臺的app在移動終端與手機安裝后，利用WiFi與GPRS流量接入到遠程服務器數據中心后臺就可以實時了解巢湖水質動態(tài)值與變化，對峰值可實現(xiàn)短消息實時報警，并能實現(xiàn)不斷完善其功能的系統(tǒng)升級，本系統(tǒng)如圖5所示。

3 實測結果

實驗測試還是需要多次驗證與糾錯才能實現(xiàn)預想結果。目前初期現(xiàn)場實測是在巢湖東湖區(qū)選定4個監(jiān)測節(jié)點，其中包括1個數據基站(太陽能基站）及1個監(jiān)測中心，另外兩個水面定點浮標上(屬于國家級水質監(jiān)測地面基站位置）。2014年10月1日上午10時左右同時在表層30 CM處對常規(guī)五項進行監(jiān)測。同一時間同一監(jiān)測節(jié)點所在位置，分別采用人工監(jiān)測和本系統(tǒng)監(jiān)測兩種方式進行數據采樣，所得監(jiān)測數據如表1所示，測量精度基本能滿足完全水質監(jiān)測的要求，但還是有一定的誤差。

4 結論

綜上所述，我們已經基本完成各單元的原理性測試和驗證工作，研制了部分節(jié)點類型的調理電路、數據采集信號的通信模塊、基于數據中心的動態(tài)水質監(jiān)測系統(tǒng)設計等。本文設計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)比較精準的無線水質參數采集，其創(chuàng)新點是網絡能夠實現(xiàn)自組織、無需人工干預與人工實測就可以對湖泊環(huán)境中的常規(guī)五項進行連續(xù)遠程動態(tài)監(jiān)測，利用WSNs技術在大面積湖泊水質的自動采集，無線傳輸和實時處理，而且不受地域、時域的限制[16]。與采用在線水質分析儀的同類產品相比，這種多參數監(jiān)測系統(tǒng)結構簡單、成本低、測量誤差較小、精度基本能滿足測量需求、數據通信穩(wěn)定、效率高、克服了有線通信在大區(qū)域無法構架的缺點及現(xiàn)場實測的非實時連接監(jiān)測的弊端，其應用前景非常樂觀。

[1]王士明，俞阿龍，楊維衛(wèi).基于ZigBee的大水域水質環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，（11）：102-105.

[2]王英帥，張樂，蔣鵬.基于傳感器網絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].杭州電子科技大學學報，2014，（5）：91-95.

[3]袁帥，馬貴林，周國華，等.太陽能式無人值守水資源監(jiān)測分析系統(tǒng)應用研究[J].人民長江，2014，（7）：81-84.

[4]薛升寧，孟鉦秀，周國華，等.新型太陽能小型無人值守水質實驗站的開發(fā)和應用[J].四川環(huán)境，2011，（6）∶43-46.

[5]Mao Nan，F(xiàn)eng Zhi-guo，Ge Zhao，et al.Development of the Varled and Heteregeneous Database Management System for the Water Quality Monitoring and Alarming Platform[C].Beijing International Environmental Technology Conference，2013∶222-226.

[6]陸勃.水質參數采集傳感器處理終端的研究[D].邯鄲：河北工程大學，2009.

[7]陳巖，閆云浩，譚婷，等.基于WSNs多參數水質監(jiān)測的終端設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，（10）：83-86.

[8]閆宏浩，陳天華.水質監(jiān)測無線傳感器網絡的硬件設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，（4）：81-84.

[9]張禮杰，殷建軍，項祖豐，等.多傳感器集成水質檢測系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011，（1）∶49-53.

[10]李金鳳，劉豐喜，楊中華，等.基于無線傳感器網絡及GPRS的水質監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制，2014，（12）：3887-3890.

[11]滕佩峰.基于GSM網絡水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2008.

[12]Yang X.，Ong K.G.，Dreschel W.R.，et al.Design of a wireless sensor networks for long-term，in-situ monitoring of an aqueous environment[J].Sensors，2002，（2）∶455-472.

[13]李遠芳，白毅平.南海區(qū)域海洋環(huán)境監(jiān)測數據庫及web開發(fā)應用[J].科技創(chuàng)新導報，2011，（12）∶18.

[14]黃歡.基于Web的三峽庫區(qū)水質監(jiān)測及分析系統(tǒng)的研究與設計[D].重慶：重慶大學，2009.

[15]陳勇.面向水質監(jiān)測的魚類目標跟蹤與運動行為建模系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2010.

[16]吳世利.靖宇水源保護區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學，2011.

ON THE DESIGN OF THE MONITORING SYSTEM OF WATER QUALITY IN CHAOHU LAKE BASED ON WSNS

TONG Xiao-hong1CHEN Ling1XU Wei1LI Heng-sheng1YANG Lei2
（1 Department of Computer Application Technology，Hefei Technology College，Hefei Anhui 238000）（2 Anhui Smart Networking Technology Co.，Ltd，Hefei Anhui 231000）

This paper introduces the monitoring system water quality in Chaohu Lake based on wireless sensor network（WSN）through using the ZigBee wireless technology，GPRS and WiFi to receive data and achieve remote communications.And it also achieves timing data-collection，processing，remote storage，display，real-time analysis and early warning for the water temperature，PH value，dissolved oxygen，conductivity，turbidity，etc.And through the experimental test，we attain some substantial results.

wireless sensor network（WSNs）；ZigBee；wireless fidelity（Wifi）；general packet radio service（GPRS）；water quality monitoring

TP274

A

1672-2868（2015）06-0082-06

責任編輯：陳小舉

2015-09-28

安徽高校省級自然科學研究重點基金項目(項目編號：KJ2014A219）

童曉紅(1965-），男，安徽巢湖人。合肥職業(yè)技術學院，副教授。研究方向：物聯(lián)網技術與應用。