廊坊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)供水中心 張應亮

在全球高速度發(fā)展經(jīng)濟的同時，環(huán)境惡化與污染現(xiàn)象越來越嚴重，已經(jīng)成為制約人類社會進一步發(fā)展的重要因素，其中水環(huán)境污染是當下最亟待解決的問題?，F(xiàn)代科技不斷發(fā)展，許多公共事業(yè)和控制系統(tǒng)的研發(fā)方向，都開始轉(zhuǎn)向以無線傳感網(wǎng)絡為基礎的自動化物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。就目前研究表明大部分網(wǎng)絡傳感技術(shù)的應用是在短距離的場景中進行設置，例如辦公樓和住宅區(qū)等，只能產(chǎn)生小范圍的布控和監(jiān)測[1]。

一、水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

（一）設計pH調(diào)理電路

本文選用上海雷磁生產(chǎn)的I40-RT復合型pH傳感器，利用電極之間的微弱電差變化，將玻璃電阻放置在調(diào)理電路中實現(xiàn)高抗電阻的輸入，得出正確電壓信號，具體電路如圖1所示。

圖1 PH調(diào)理電路

圖1中所示此次放置的電極內(nèi)阻最高值為107歐，直流電電壓為6V，兩端電極的正負極分別連接了負荷放大器的雙路引腳，使信號在通過FD344放大電路時獲取該位置信號，實現(xiàn)pH值的準確測量。

（二）設計溶解氧調(diào)理電路

溶解氧的準確測量方法和酸堿度測量類似，均采用電極法將氧分子透過薄膜電極直接接觸，利用擴散速度將氧分子分解成正比關(guān)系，使透膜的氧在負極端產(chǎn)生化學反應，生成電流[2]。此次選取YU780傳感器作為電化學原電池式，測量溶氧的輸出電壓控制在6-12mv之內(nèi)，主要調(diào)理電路由低波過濾電路為基礎，加入兩個GI721芯片提供驅(qū)動電壓。

在第一級濾波經(jīng)過時設置YU1、YU2與0I三個短頻轉(zhuǎn)點裝置，去除雜質(zhì)信號。在通過調(diào)零設定將+7V電壓轉(zhuǎn)化成-7V電壓，轉(zhuǎn)化正負關(guān)系完成輸出信號的控制。

二、水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

（一）虛擬力算法構(gòu)建測量模型

為避免測量模型受電磁影響和噪聲干擾，在建立模型初始階段加入抗干擾效應，設置每個等待設定的傳感器監(jiān)測點的半徑及通訊半徑相同，在此基礎上獲取參數(shù)范圍[3]。每個傳感器的監(jiān)測范圍會被劃分為二維網(wǎng)格，這個網(wǎng)格之間會形成一段距離，此距離的選取需滿足平衡虛擬力的計算概率要求。兩個傳感器之間按照節(jié)點不同所對應坐標不一致，根據(jù)兩個節(jié)點h與k之間距離s計算公式為：

公式中，Q表示衡量外界的環(huán)境干擾參數(shù)；(za,ja)表示節(jié)點h的坐標；(z,j)表示節(jié)點的坐標k；ua表示傳感器節(jié)點覆蓋區(qū)域。通過傳感器的監(jiān)測范圍和距離計算得出最終傳感器網(wǎng)絡最終布控效果的疏密程度，根據(jù)該測量模型完成無線傳感網(wǎng)絡的設定，進而控制采集數(shù)據(jù)流程。

（二）基于無線傳感網(wǎng)絡控制數(shù)據(jù)采集流程

將傳感器節(jié)點放置在無線網(wǎng)絡中，對該節(jié)點處的數(shù)據(jù)采集任務進行分配，實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的采集工作。流程分為兩部分。一是信號的接收程度設定，在發(fā)送信號請求加入無線傳感網(wǎng)絡時，匯聚節(jié)點能否對傳感器節(jié)點發(fā)送操控命令，正確接受和識別數(shù)據(jù)內(nèi)容。二是對于等待的信息能否通過匯集節(jié)點完成分類，完成終端發(fā)送執(zhí)行指令。具體工作表述為在程序開始前初始化設備，對內(nèi)部待測定的組合14位AC模塊建立多通道監(jiān)測路徑，在每個路徑內(nèi)設置終端ID號碼查找，等待終端發(fā)現(xiàn)特定的ID碼后才能同意終端加入網(wǎng)絡。在開啟終端設備時在路徑內(nèi)設定定時信號，并加入指示燈閃爍功能，在數(shù)據(jù)任務進入流程循環(huán)中，可以根據(jù)指示燈的閃爍顏色判斷是否存在危險事件，利用優(yōu)先處理危機事件原則對重點數(shù)據(jù)先一步進行輸送，完成串口段發(fā)送流程。

（三）處理采集后節(jié)點數(shù)據(jù)完成自動監(jiān)測

此次選擇數(shù)據(jù)的核心處理器TUmaedsa415，并加入CO/SU雙操作系統(tǒng)，能夠保證處理過程中的數(shù)據(jù)共享功能。在不同大小的內(nèi)存任務分配過程中，要對已經(jīng)完成的任務回收儲存，減少未處理數(shù)據(jù)的延緩等待時間。此過程必須滿足三個任務要求，第一是處理器的模塊測量電流必須在SYR協(xié)議的基礎上讀取由轉(zhuǎn)換器變換后的信號數(shù)字，控制中心數(shù)據(jù)傳感器。第二是在工作模式中加入看門狗板塊保證處理程序的正確運行，當該程序無法定時喂狗時，所有數(shù)據(jù)將不再進行傳輸任務，直接停留在串口處等待。第三是通信板塊在任務向該板塊發(fā)送指令時，需要將接收到的數(shù)據(jù)信息完成處理并轉(zhuǎn)回至無線通信網(wǎng)絡串口，將各部分數(shù)據(jù)進行交換。

三、實驗論證分析

（一）搭建實驗環(huán)境

為了驗證此次設計的系統(tǒng)具有實用性，通過試驗檢測的方式檢驗系統(tǒng)的應用效果。為簡化實驗過程此次選擇室內(nèi)進行檢驗，根據(jù)現(xiàn)有實驗室條件監(jiān)測系統(tǒng)的前提如下。采用4個無線傳感器節(jié)點組成無線傳感網(wǎng)絡，將節(jié)點分成兩組，第一組裝置標記為T1、T2和T3用來監(jiān)測污染物，TI連接水體樣本PH值傳感器，T2連接溶解氧傳感器，T3連接渾濁度傳感器。第二組裝置作為傳輸節(jié)點，以串口和計算機相連的方式協(xié)調(diào)傳感器所得數(shù)據(jù)的傳輸工作，標記為S1。每個節(jié)點之間的距離為4公里，組成的線性結(jié)構(gòu)為拓撲結(jié)構(gòu)。

在每個節(jié)點上連接好污染物監(jiān)測傳感器，其獲取數(shù)據(jù)能夠直接顯示在計算機屏幕中，但受實驗室場地限制，此次連接的3個傳感器在數(shù)據(jù)傳輸中按照排列順序依次進行，即從T1至T3節(jié)點。在將數(shù)據(jù)包統(tǒng)一匯集到S1節(jié)點處，與串口相連調(diào)試完成數(shù)據(jù)輸送和顯示，為更加直觀地感受到數(shù)據(jù)，利用Visual-Studio平臺連接串口獲取數(shù)據(jù)。

（二）污染物監(jiān)測過程

在完成測試環(huán)境搭建后，將三個節(jié)點的傳感器放置在測試樣本中，直接將實驗室自來水作為此次監(jiān)測的水質(zhì)樣本。為了更好地判斷新系統(tǒng)的監(jiān)測能力，以十分鐘作為時間間隔，向水質(zhì)樣本中加入等量的石灰溶液與酸性飲料。本次實驗測試時間控制在1小時內(nèi)，通過節(jié)點傳感器監(jiān)測水質(zhì)pH值、溶解氧溶度以及渾濁度數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖中顯示結(jié)果可知，在設置好的時間間隔內(nèi)，三個節(jié)點傳感器均能在第一時間測出水中污染物含量，表明該系統(tǒng)具有實際應用效果。在1小時測試時間結(jié)束后將混合而成的水質(zhì)樣本靜置，不再添加任何液體。

（三）測試結(jié)果分析

選取標準水質(zhì)檢測設備對靜置后的污染物進行測量，具體指標結(jié)果如下：pH值6.42、渾濁度130NTU、溶氧量4.24ppm，實際測量結(jié)果在±2范圍內(nèi)表示合格。為進一步了解此次設計的系統(tǒng)在監(jiān)測過程中獲取的數(shù)據(jù)真實有效，利用S1號節(jié)點連接三個傳感器，通過串口調(diào)試獲取綜合數(shù)據(jù)，進行5次時間間隔為1分鐘的測量。

根據(jù)圖中所得數(shù)據(jù)值可知，通過本次設計的監(jiān)測系統(tǒng)獲取的污染物數(shù)據(jù)值與專業(yè)設備測量的結(jié)果無明顯差異，均在測量合理范圍內(nèi)。綜合兩輪測試說明該系統(tǒng)具有一定的適用性和可靠性，能夠進行水環(huán)境的自動監(jiān)測。

四、結(jié)束語

本次研究立足于無線傳感網(wǎng)絡的技術(shù)優(yōu)點，結(jié)合虛擬力算法的優(yōu)勢，建立了全新的水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，有效對水中污染物的指標進行監(jiān)測并傳輸至監(jiān)測站。在研究過程中重新設計了測量污染物傳感器的調(diào)理電路，根據(jù)虛擬力算法的距離差值完成測量模型的構(gòu)建，解決傳感器網(wǎng)絡的布控問題，有效完成對污染物數(shù)據(jù)的采集和處理工作，綜合實驗測試結(jié)果可知，此次設計的自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠在4公里的距離下完成數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。但受個人知識水平的限制，研究成果仍有不足，在后續(xù)研究中會對電能再生和監(jiān)測維度方面進行改進，提高水質(zhì)監(jiān)測的完整性。

相關(guān)鏈接

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。

無線傳感器網(wǎng)絡是一項通過無線通信技術(shù)把數(shù)以萬計的傳感器節(jié)點以自由式進行組織與結(jié)合進而形成的網(wǎng)絡形式。構(gòu)成傳感器節(jié)點的單元分別為：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元以及能量供應單元。其中數(shù)據(jù)采集單元通常都是采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息并加以轉(zhuǎn)換，比如光強度跟大氣壓力與濕度等；數(shù)據(jù)傳輸單元則主要以無線通信和交流信息以及發(fā)送接收那些采集進來的數(shù)據(jù)信息為主；數(shù)據(jù)處理單元通常處理的是全部節(jié)點的路由協(xié)議和管理任務以及定位裝置等；能量供應單元為縮減傳感器節(jié)點占據(jù)的面積，會選擇微型電池的構(gòu)成形式。無線傳感器網(wǎng)絡當中的節(jié)點分為兩種，一個是匯聚節(jié)點，一個是傳感器節(jié)點。匯聚節(jié)點主要指的是網(wǎng)關(guān)能夠在傳感器節(jié)點當中將錯誤的報告數(shù)據(jù)剔除，并與相關(guān)的報告相結(jié)合將數(shù)據(jù)加以融合，對發(fā)生的事件進行判斷。匯聚節(jié)點與用戶節(jié)點連接可借助廣域網(wǎng)絡或者衛(wèi)星直接通信，并對收集到的數(shù)據(jù)進行處理。

傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡的所有者。