淮安信息職業(yè)技術學院 劉步中

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基于ZigBee和GPRS的水環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

淮安信息職業(yè)技術學院 劉步中

【摘要】針對水環(huán)境污染問題，采用ZigBee和GPRS技術研發(fā)了水環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于ZigBee無線自組網技術的硬件無線傳感網，負責水環(huán)境監(jiān)測指標的實時動態(tài)采集與傳輸；采用WebGIS實時動態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)，實時監(jiān)測并模擬水環(huán)境的動態(tài)變化，精確定位污染源并預警污染事故的發(fā)生。運行結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據的自適應采集及實時、可靠地高效傳輸，為水質的監(jiān)控與治理提供良好的技術支撐與可靠的數(shù)據支持。

【關鍵詞】水環(huán)境監(jiān)測；傳感器網絡；數(shù)據管理軟件；Zigbee協(xié)議

1　引言

良好的環(huán)境對人類和動植物的生存以及健康成長至關重要，而高速的發(fā)展卻帶來了水環(huán)境嚴重污染問題。我國工業(yè)化進程的加快，導致水環(huán)境污染日趨嚴重，人類飲用水及水產養(yǎng)殖業(yè)均遭到不同程度的影響。水環(huán)境中的溶解氧、水溫、PH值及濁度等參數(shù)能較直觀地反映該水域水質水平，因此對這些參數(shù)的實時監(jiān)測有助于及時察覺水質變化，對水質的保護具有較強的現(xiàn)實意義。

2　水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測中心和傳感器網絡兩部分組成。根據被監(jiān)測水域面積大小，傳感器網絡通過CC2420模塊組建若干個ZigBee網絡，實現(xiàn)自組網功能。監(jiān)測節(jié)點通過傳感器采集獲取水域的溶解氧、水溫、PH值及濁度等參數(shù)，并通過CC2420模塊將數(shù)據發(fā)送至數(shù)據基站。數(shù)據基站收到數(shù)據根據通信協(xié)議封裝成幀，由GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)測中心，監(jiān)測中心接收到數(shù)據后，實時顯示數(shù)據曲線并將數(shù)據存儲至數(shù)據庫。系統(tǒng)能夠顯示監(jiān)測節(jié)點的工作狀態(tài)，并在監(jiān)測節(jié)點及數(shù)據基站的運行出現(xiàn)問題時發(fā)出報警信號。水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體架構如圖1所示：

圖1　水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體構架

3　水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

3.1監(jiān)測節(jié)點

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要由監(jiān)測節(jié)點和數(shù)據基站兩部分組成。監(jiān)測節(jié)點主要由電源管理模塊、數(shù)據采集模塊、控制器模塊、通信模塊以及其他一些外圍電路組成。監(jiān)測節(jié)點總體框架如圖2所示。通過數(shù)據采集模塊采集對應水域水質的水溫、PH值、溶解氧濃度、濁度四個參數(shù)，數(shù)據通過控制器進行相關的處理后由CC2420將數(shù)據發(fā)送至數(shù)據基站，并存儲到外部存儲模塊中。

圖2　監(jiān)測節(jié)點總體架構

3.2數(shù)據基站

數(shù)據基站是向監(jiān)測節(jié)點發(fā)送命令和接收監(jiān)測數(shù)據，將接收的數(shù)據根據協(xié)議封裝成幀后發(fā)送至監(jiān)測中心，數(shù)據基站與監(jiān)測中心之間通過GPRS模塊進行通信，每一個數(shù)據基站主要負責對分布在其所在水域的傳感器子網絡中的監(jiān)測節(jié)點進行數(shù)據采集和狀態(tài)監(jiān)測。數(shù)據基站增加了GPRS模塊，用于與監(jiān)測中心的服務器通信。數(shù)據基站整體架構如圖3所示：

圖3　數(shù)據基站整體架構

圖4　協(xié)調器自動組網流程

圖5　路由器節(jié)點功能流程圖

4　水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計

4.1協(xié)調器節(jié)點軟件設計

協(xié)調器節(jié)點負責組建ZigBee子網絡的水質監(jiān)測數(shù)據，并通過GPRS傳送數(shù)據到監(jiān)測系統(tǒng)，協(xié)調器自動組網實現(xiàn)軟件流程圖如圖4所示。協(xié)調器節(jié)點上電啟動后首先進行初始化，再對信道進行能量監(jiān)測，選擇合適的信道為網絡分配唯一的PAN標識符，成功建立網絡。網絡建立后協(xié)調器等待路由器節(jié)點的入網請求，當協(xié)調器接收到路由器的入網請求后，會根據路由器節(jié)點容量和地址匹配等判斷是否允許路由器入網。路由器入網成功，協(xié)調器給新入網的路由器創(chuàng)建一個入口，并自動分配唯一的網絡地址。

4.2路由器節(jié)點軟件設計

路由器節(jié)點是通過傳感器采集大量水域水質監(jiān)測數(shù)據并進行A/D轉換，將數(shù)據發(fā)送至路由器父節(jié)點路由器，并逐級向上傳遞至協(xié)調器節(jié)點。其軟件實現(xiàn)流程圖如圖5所示。

路由器節(jié)點上電首先進行硬件初始化，向協(xié)調器節(jié)點發(fā)出入網請求。路由器節(jié)點得到協(xié)調器的允許入網響應后會成為此網絡子節(jié)點。

5　結論

針對水環(huán)境污染問題，提出了一種水環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)技術方案，采用Zigbee無線自組網技術研發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)對水環(huán)境相關參數(shù)實時動態(tài)采集與傳輸，實現(xiàn)了低成本運行。通過GPRS技術實現(xiàn)數(shù)據交互，實時動態(tài)采集并傳輸水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據至系統(tǒng)，采用數(shù)據庫技術研發(fā)的B/S模式下基于WEBGIS的系統(tǒng)，實現(xiàn)了水環(huán)境采集數(shù)據的實時動態(tài)監(jiān)測與統(tǒng)計分析，能更直觀的展示水環(huán)境質量狀況、污染程度、發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)組網靈活、易布設，為水環(huán)境監(jiān)視與控制提供了良好的技術支撐和可靠的數(shù)據支持，具有良好的應用和推廣價值。

參考文獻

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劉步中（1982－），男，江蘇鹽城人，講師，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)技術，物聯(lián)網技術。

Dynamic Monitoring System of Water Environment Based on ZigBee and GPRS Technology

Liu Bu-zhong
(Huaian college of Information Technology)

Abstract:A real-time dynamic monitoring system of water environment is developed based on the technologies of ZigBee and GPRS . The system is hardware wireless sensor net , which collects and transmits real-time monitoring data of water environment , which within the net; WebGIS-based real-time monitoring software system for water environment , which monitors and simulates the real-time change of water environment , positions accurately pollution source locations and warns pollution accidents happening . In the operation , the system realizes adaptive data collection and effective transmission , and provides a technological support and basic data for monitoring and governance of water environment.

Key words:Water environment monitoring; sensor networks ; data management software; Zigbee protocol

作者簡介：

基金項目：2015年淮安市科技計劃社會發(fā)展項目（總編號：HAS2015016，子項目編號：HAS2015016-2）。