宗 峰

(山東英才學(xué)院 信息工程學(xué)院， 濟(jì)南 250104)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宗 峰

(山東英才學(xué)院 信息工程學(xué)院， 濟(jì)南 250104)

針對(duì)傳統(tǒng)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的弊端，文章設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在采樣區(qū)域內(nèi)布置若干pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、DO(溶解氧)傳感器、氨氮NH3-N傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器獲得相關(guān)水質(zhì)信息，利用ZigBee技術(shù)傳輸至無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS技術(shù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而達(dá)到污水監(jiān)測(cè)的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足預(yù)期要求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 污水監(jiān)測(cè)； ZigBee； GPRS

水是生命之源，然而城市水資源的污染卻日趨嚴(yán)重[1]。改革開(kāi)放，大力發(fā)展工業(yè)化的同時(shí)，江河湖泊的污染問(wèn)題進(jìn)一步被凸現(xiàn)出來(lái)，其中城市污水中有害物質(zhì)的排放對(duì)河流及自然環(huán)境的威脅尤為顯著[2]。水資源的污染問(wèn)題，嚴(yán)重制約著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，威脅著人民的身體健康[3]。因此，城市污水的防治工作刻不容緩，污水監(jiān)測(cè)作為水資源管理和水環(huán)境污染控制的主要手段之一，正在發(fā)揮不可替代的作用[4]。

傳統(tǒng)的污水監(jiān)測(cè)依賴于人工采樣的方法，工作強(qiáng)度大、過(guò)程繁瑣、時(shí)效性差、污水水質(zhì)監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，并且水樣分析與統(tǒng)計(jì)過(guò)程中用到的高精度儀器設(shè)備需從國(guó)外進(jìn)口[5]，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)成本過(guò)高。近年來(lái)，隨著無(wú)線通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟與發(fā)展，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[6]。

1 基于WSN的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，是由大量靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者[7]。WSN通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近隨機(jī)部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織及多跳的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)本地簡(jiǎn)單處理后沿著臨近的傳感器節(jié)點(diǎn)多跳地進(jìn)行傳輸并路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，在傳輸過(guò)程中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有可能對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚集后再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

圖1 WSN結(jié)構(gòu)圖

因此，采用基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)[9]：

(1)組網(wǎng)簡(jiǎn)單。節(jié)點(diǎn)間通過(guò)自定義或協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)入網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)利用ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)完成節(jié)點(diǎn)的增刪工作。如遇故障節(jié)點(diǎn)則自行跳過(guò)，重新選擇網(wǎng)絡(luò)的傳輸路徑，自我修復(fù)以保證系統(tǒng)工作的順利進(jìn)行。

(2)成本低廉。通信采用無(wú)線方式，避免了鋪設(shè)電纜及建設(shè)監(jiān)測(cè)子站的開(kāi)銷(xiāo)，傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、能耗少、價(jià)格低。

(3)監(jiān)測(cè)靈活。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以連接多種不同類(lèi)型、不同精度的水質(zhì)參數(shù)傳感器，能夠滿足同時(shí)采集多種水質(zhì)參數(shù)、不同監(jiān)測(cè)精度的需求，大大提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的精度和時(shí)效性。

2 基于WSN的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)信息來(lái)源于被監(jiān)測(cè)水域的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)將其采集到的信息通過(guò)ZigBee技術(shù)傳輸至無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS技術(shù)傳輸至遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)中心[10]。因此，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3部分組成，即監(jiān)測(cè)水域內(nèi)的大量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)水域附近的無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)端的監(jiān)測(cè)控制中心，其框架如圖2所示[11]。

圖2 污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

如圖2所示，在待測(cè)水域內(nèi)散布大量傳感器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)所采集參數(shù)的不同設(shè)置不同類(lèi)型的傳感器，城市水資源監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)水質(zhì)的pH值、溫度、電導(dǎo)率、氨氮、溶解氧、濁度、化學(xué)耗氧量、生化耗氧量等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]，這里筆者選取pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、氨氮、濁度、溫度6個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[13]。選取濟(jì)南小清河歷山北路向西100米為待測(cè)水域，河面寬約90米，在此100 m×90 m區(qū)域內(nèi)，劃分為25個(gè)20 m×18 m的子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域部署pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、DO(溶解氧)傳感器、氨氮NH3-N傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器各1個(gè)，整個(gè)待測(cè)水域共需150個(gè)傳感器。

傳感器節(jié)點(diǎn)采集到水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)后，通過(guò)ZigBee技術(shù)完成彼此之間的數(shù)據(jù)傳輸以及到相應(yīng)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸[14]。ZigBee[15]是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS技術(shù)發(fā)送至上位機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，因此，無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用尤為重要，其性能的優(yōu)劣將決定整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣[16]。無(wú)線網(wǎng)關(guān)既是連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的橋梁，又是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)已經(jīng)建立好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有終端傳感器節(jié)點(diǎn)試圖加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，給這個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的十六位網(wǎng)絡(luò)地址[17]。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通常距離待測(cè)水域較遠(yuǎn)，位于污水處理企業(yè)的調(diào)度室內(nèi)，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的采集狀態(tài)進(jìn)行管理和控制[18]。

2.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的選擇與設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的單元，主要有處理器、傳感器、電源和無(wú)線通信4個(gè)模塊[19]。其中傳感器負(fù)責(zé)其他模塊的管理和協(xié)調(diào)，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理工作；傳感器負(fù)責(zé)各種水質(zhì)參數(shù)的采集與傳輸；電源負(fù)責(zé)整體能量供應(yīng)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸[20]。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示[21]。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 處理器選擇

在污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要考慮電源工作的長(zhǎng)期性持久性，因此在處理器選擇上，低功耗是第一考慮要素，另外，所選處理器也需要低成本且易于開(kāi)發(fā)[22]。筆者實(shí)驗(yàn)中，所選處理器是德州儀器(TI)的CC2530。CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4,ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且具有不同的運(yùn)行模式，使其尤為適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗[23]，價(jià)格也相對(duì)比較便宜，能夠滿足大量安置的需求。

2.1.2 傳感器選擇

(1)pH值傳感器

筆者實(shí)驗(yàn)中采用的是美國(guó)Global Water的WQ201 pH傳感器，該傳感器采用全電子封裝，4～20 mA輸出，不銹鋼外殼，堅(jiān)固耐用，可測(cè)范圍為0～14 pH，外形尺寸50 mm×305 mm。

(2)電導(dǎo)率傳感器

實(shí)驗(yàn)中采用的是美國(guó)Global Water的WQ-COND電導(dǎo)率傳感器，該傳感器使用4級(jí)電極測(cè)量技術(shù)，提供大量的電導(dǎo)率精準(zhǔn)讀數(shù)，由于離子溶液的電導(dǎo)率隨溫度升高而增加，因此內(nèi)置溫度傳感器，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)25℃，提供2%℃的自動(dòng)溫度補(bǔ)償。內(nèi)置接口模塊把數(shù)字電導(dǎo)率和溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為2股獨(dú)立的4～20 mA信號(hào)，分別連接數(shù)據(jù)記錄器和可編程邏輯控制器(PLC)設(shè)備，其測(cè)量范圍為0～-200 us·cm-1，外形尺寸為22 mm×202 mm。

(3)DO(溶解氧)傳感器

實(shí)驗(yàn)中采用的是美國(guó)Global Water的WQ401溶解氧傳感器，該傳感器采用全電子封裝，4～20 mA輸出，不銹鋼外殼，輸出為3線配置，測(cè)量范圍為0～8 mg·L-1，外形尺寸為50 mm～305 mm。

(4)氨氮NH3-N傳感器

實(shí)驗(yàn)中采用的是美國(guó)HACH的NH4D sc氨氮傳感器，該傳感器主要用于市政污水應(yīng)用領(lǐng)域，使用離子選擇電極技術(shù)來(lái)測(cè)量污水水樣中的銨離子，參比電極使用的是差分pH技術(shù)，不會(huì)直接與過(guò)程流接觸，非常穩(wěn)定，沒(méi)有漂移。量程0.2～1000 mg·L-1NH4-N，功耗1瓦，外形尺寸360.9 mm×48.3 mm。

(5)濁度傳感器

實(shí)驗(yàn)中采用的是美國(guó)Global Water的WQ730濁度傳感器，其應(yīng)用范圍包括水質(zhì)檢測(cè)及監(jiān)管、河道監(jiān)測(cè)、水流測(cè)量、水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、地下水檢測(cè)、廢水處理及工業(yè)排污控制，測(cè)量范圍為0～50 NTU和0～100 NTU，外形尺寸308 mm×2160 mm。

(6)溫度傳感器

實(shí)驗(yàn)中采用的是美國(guó)Global Water的WQ101沉入式溫度傳感器，該傳感器采用全電子封裝，4～20 mA輸出，不銹鋼外殼，測(cè)量范圍為-50℃～50℃，外形尺寸為43 mm×203 mm。

2.1.3 電源選擇

電源模塊應(yīng)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的特性，筆者選擇7.5 V可充電鋰電池，由于CC2530工作電壓是3.3 V，這里采用ASM1117芯片將7.5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓[24]。實(shí)驗(yàn)證明，充電一次可穩(wěn)定供電超過(guò)達(dá)3個(gè)月。

2.1.4 無(wú)線通信模塊選擇

無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線傳輸，主要由射頻芯片和天線電路構(gòu)成[25]。實(shí)驗(yàn)中為簡(jiǎn)化射頻電路的設(shè)計(jì)，在處理器單元CC2530芯片上增加一個(gè)射頻前端CC2591來(lái)放大輸出功率。CC2591也是德州儀器的產(chǎn)品，是一款高性價(jià)比和高性能的2.4 GHz RF前端，適合低功耗低電壓2.4 GHz無(wú)線應(yīng)用，其輸出功率高達(dá)22 dBm，集成了開(kāi)關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)和平衡/不平衡電路、電感、功率、放大器 (PA)以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2.4 GHz ISM系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線工業(yè)系統(tǒng)，IEEE 802.15.4 和ZigBee系統(tǒng)，可以與TI公司所有2.4 GHzRF收發(fā)器、發(fā)送器和SOC相連，提高輸出功率。天線負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)間信號(hào)的接收與發(fā)送，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和信號(hào)傳輸質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)選擇棒狀天線。

2.2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇與設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)把傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)把無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。這個(gè)過(guò)程中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，理論上講，可以通過(guò)多路由節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)層層上傳直到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，而無(wú)需無(wú)線網(wǎng)關(guān)模塊。實(shí)際操作中，考慮到ZigBee節(jié)點(diǎn)間傳輸距離在100m左右，如果擴(kuò)大傳輸距離需要增加過(guò)多能耗，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)性價(jià)比太低，可以采用已經(jīng)存在的移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)中的GPRS技術(shù)。因此，需要一種把內(nèi)部的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和外部的GPRS網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)、完成協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備，這就是無(wú)線網(wǎng)關(guān)。無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)合了ZigBee和GPRS兩種無(wú)線通訊技術(shù)，是整個(gè)系統(tǒng)中的通訊樞紐[26]，因此實(shí)驗(yàn)中，無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要包括微處理器模塊、射頻收發(fā)模塊和GPRS模塊。

2.2.1 微處理器與射頻收發(fā)模塊的選擇

該模塊有兩種常見(jiàn)設(shè)計(jì)方案，一種方案是微處理器加無(wú)線發(fā)射模塊，即采用內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧芯片，外接1個(gè)MCU，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，缺點(diǎn)是加重了MCU的負(fù)荷；另一種方案是采用SOC芯片，該芯片上集成有運(yùn)行ZigBee協(xié)議棧的MCU和ZigBee無(wú)線收發(fā)器[27]。筆者實(shí)驗(yàn)采用后面一種方案，芯片還是選擇德州儀器的CC2530。

2.2.2 GPRS模塊的選擇

該模塊可以直接選擇成型的嵌入式芯片，完成無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，筆者實(shí)驗(yàn)選用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司的USR-GPRS232-7S2芯片完成TTL串口轉(zhuǎn)GPRS傳輸?shù)墓δ?，這款芯片采用插針式結(jié)構(gòu)，無(wú)需外接電源，適合長(zhǎng)時(shí)間的野外工作，且性能穩(wěn)定。然后在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心上連接一塊GPRS DTU(無(wú)線數(shù)傳終端)，實(shí)驗(yàn)選用的還是濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司產(chǎn)品USR-GPRS-730，通過(guò)串口連接遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 丟包率測(cè)試

測(cè)試工作分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和待測(cè)水域兩處地點(diǎn)進(jìn)行，每處地點(diǎn)采集數(shù)據(jù)兩組，分別為30 m數(shù)據(jù)(傳感器節(jié)點(diǎn)與無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)距離30 m)和50 m數(shù)據(jù)(傳感器節(jié)點(diǎn)與無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)距離50 m)，每組數(shù)據(jù)分別傳輸16B，32B，64B，128B包長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包，傳感器節(jié)點(diǎn)每隔0.25 s發(fā)送數(shù)據(jù)1次，每個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試3遍。測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1～表4。

總結(jié):實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，30 m數(shù)據(jù)丟包率幾乎為0，50 m數(shù)據(jù)丟包率不到0.5%；待測(cè)水域測(cè)試結(jié)果，30 m丟包率最大值在1.8%，50 m數(shù)據(jù)丟包率最大值2.3%。分析表1～表4數(shù)據(jù)可知，丟包率隨數(shù)據(jù)包包長(zhǎng)增加、節(jié)點(diǎn)距離增大、發(fā)射環(huán)境復(fù)雜程度增加而增大，故需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，防止丟包、錯(cuò)發(fā)等故障。

表1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)30 m數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)50 m數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

表3 待測(cè)水域30 m數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

表4 待測(cè)水域50 m數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

3.2 穩(wěn)定性測(cè)試

表5 節(jié)點(diǎn)a傳輸小清河河水的pH值

表6 節(jié)點(diǎn)a傳輸7.0pH標(biāo)準(zhǔn)液pH值

表7 節(jié)點(diǎn)b傳輸小清河河水的pH值

表8 節(jié)點(diǎn)b傳輸7.0pH標(biāo)準(zhǔn)液pH值

測(cè)試工作在待測(cè)水域附近進(jìn)行，取pH值傳感器節(jié)點(diǎn)a,節(jié)點(diǎn)b,節(jié)點(diǎn)c為測(cè)試節(jié)點(diǎn)，分別采集7.0 pH標(biāo)準(zhǔn)液和小清河河水的pH值進(jìn)行傳輸，節(jié)點(diǎn)每隔1分鐘向上位機(jī)發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包，測(cè)試結(jié)果如下表表5。

表9 節(jié)點(diǎn)c傳輸小清河河水的pH值

表10 節(jié)點(diǎn)c傳輸7.0pH標(biāo)準(zhǔn)液pH值

總結(jié):該污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)不同pH值的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)試過(guò)程持續(xù)24 h，無(wú)突發(fā)問(wèn)題及不可預(yù)期的錯(cuò)誤，系統(tǒng)穩(wěn)定行良好，通過(guò)比較7.0pH標(biāo)準(zhǔn)液數(shù)值，(7.01-7)/7=0.14%，精確度達(dá)到預(yù)期要求。

4 結(jié)論與展望

筆者設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在采樣區(qū)域內(nèi)布置若干pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、DO(溶解氧)傳感器、氨氮NH3-N傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器獲得相關(guān)水質(zhì)信息，利用ZigBee技術(shù)傳輸至無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS技術(shù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而達(dá)到污水監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)功能可以滿足預(yù)設(shè)需求，能夠通過(guò)傳感器采集相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，并傳輸至相應(yīng)的模擬遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的一些不足之處，受工作環(huán)境影響，系統(tǒng)工作時(shí)采集到的冗余信息較多，冗余信息的傳輸直接導(dǎo)致能量的過(guò)度消耗，影響網(wǎng)絡(luò)壽命，對(duì)冗余數(shù)據(jù)的過(guò)濾、提高數(shù)據(jù)精確性，是進(jìn)一步研究的方向。

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DesignofSewageMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetwork

ZONGFeng

(ShandongYingcaiUniversity,Jinan250104,China)

Aiming at the disadvantages of the traditional sewage monitoring system, a sewage monitoring system was designed based on wireless sensor network.Through the layout of pH sensor, conductivity sensor, DO sensor, NH3-N sensor, turbidity sensor and temperature sensor in sampling area, relevant water quality information were obtained, and transmitted to the wireless gateway node through the ZigBee technology, from there the data were transmitted to remote monitoring center by GPRS technology and analyzed there.Thus, the purpose of sewage monitoring is achieved.Through the experimental test, the system is stable and reliable, could meet the expected requirements.

wireless sensor network ; sewage monitoring ; ZigBee ; GPRS

2016-12-05

2017-01-26

項(xiàng)目來(lái)源： 2015年度國(guó)家自然科學(xué)基金(61501284)； 2016年度山東省統(tǒng)計(jì)科研一般課題(KT16142)； 2015年度全國(guó)統(tǒng)計(jì)科學(xué)研究項(xiàng)目(2015LY74)； 中華職業(yè)教育社“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”的研究與實(shí)踐課題(ZJY16090)；中華職業(yè)教育社“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”的研究與實(shí)踐課題(ZJY16091)

宗 峰(1979-)，男，山東濟(jì)南人，副教授，主要從事大數(shù)據(jù)建模、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等研究工作，E-mail：nfxzf@163.com

TN92

A

1000-1166(2017)06-0037-06