基于无线传感器网络的水质监测系统探究

基于无线传感器网络的水质监测系统探究

康伟

陕西龙门钢铁有限责任公司陕西渭南715405

摘要：随着我国经济的快速发展，工业、生活废水的非法排放导致大量的水资源被污染。渔业资源衰退，水生动物种类显著减少，生态环境遭到严重破坏、危害人类的健康。对水环境进行有效保护、全面提高水资源的使用质量迫在眉睫。而及时、准确、全面的水质监测是反映水环境质量和污染源的重要手段，已成为一个研究热点。

关键词：无线传感器网络；水质监测系统；

水是人类赖以生存的生命之源，然而我国正面临水资源短缺和水环境不断恶化的问题，并且已经进入了水环境污染事故高发期。因此，实现对水质的实时监测，及时掌握水质现状及其发展趋势尤为重要。目前，我国已经存在的水质监测方法仍然存在很多问题。经验检测法容易出现人为错误，已不能满足需求；化学检测法实时性差，过程复杂，还有可能带来二次污染。随着通信技术、传感器技术和计算机技术的发展，国内外水质监测系统已经发展到现今的在线监测系统。

一、无线传感器网络的水质监测系统

1.总体设计。衡量水污染的指标主要有温度、PH值、溶氧量（DO）、电导率、浊度、盐度、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、重金属离子等。一是水质监测系统整体结构设计。水质监测具有区域内的监测点数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点。本文设计中的水质监测系统主要由数据采集部分、数据远程传输部分以及上位监控中心三大部分组成，水质监测系统的最底层是数据采集部分，也是本文研究的核心部分，由无线传感网络组成。该部分包括网络协调器、路由节点和传感器节点。将传感器节点分布于被监测区域，动态地组成网络，用于采集水中的温度、PH值等多种参数；网络协调器是数据的汇聚中心，负责接收传感器节点发出的数据，并对采集到的数据进行处理。系统的中间层是数据的远程传输部分，由目前技术成熟的GPRS网络实现，操作性强，应用方便。最上层即为远程监测中心，监测中心对传输到的水质参数数据进行分析和处理，将原始数据和处理结果显示到上位机界面，对发现存在水质污染情况的区域进行报警，数据库中的历史数据能对工厂的排污是否超标提供依据。二是监测节点设计。在无线传感器网络中，传感器节点既能作为路由节点也能作为终端节点，在采集、接收、处理、发送数据的同时，不但要对同一网络的其他节点发送来的数据进行存储、管理和转发等，还要实现与其他节点的协作。因此，设计系统的传感器节点，实现被监测系统的数据采集是本文研究设计的重点。传感器节点主要用来采集水体中的水质参数，并将其各项数据信息传输至上位机。传感器采集部分主要负责对被监测区域内对象的感知和数据信息的采集；信号调节模块负责对传感器采集的信息进行数据转换；无线通信模块的功能主要是实现本节点与其他传感器节点的无线通信、信息交换以及数据的无线接收和发送；电源是为传感器节点的正常运行供能。

2.系统硬件设计。一是模块选型。系统采用处理器作为核心，它支持协议。其内部集成了增强工业标准的8051内核、射频收发器、128KB内置闪存和8KB的静态随机存取存储器等高性能模块，并且芯片内部有协议栈和低功耗等功能，这些特点使得该芯片在组建节点上有一定的优。在此基础上CC2430还具备高灵敏度及抗扰性、内置电池监视器、支持多种通信协议、硬件调试等功能。基于以上特点该芯片满足系统设计的要求，节省资源，简化设计了方案。二是最小系统设计。在最小系统设计中，本文主要对关键部分设计进行简单介绍。（1）天线。系统设计了2种天线方案，由跳线决定选择哪种天线。一种是外接SMA接口单极天线，该接口性能优良，但占较大体积，适用于远距离通信；另一种是倒“F”形的PCB天线。天线的设计决定了传输的精确性，因此，天线设计中要注意微波传送带线，这部分主要是完成阻抗匹配，它是两段1/4波长的走线，2.4GHz条件下微波传送带线总长不超过5.8cm。天线与处理器间通过电感、电容与天线构成负载匹配，同时起到隔直流的作用。在实际应用中根据不同情况选择天线方案。（2）电源设计。虽然节点功耗较低，但在收发数据的过程中仍然消耗近30mA的电流，系统设计了2种电源输入接口，5V便携式电源接口，用于在调试过程中供电；在进行节点低功耗自我供电过程中采用接口用于外接锂电池或干电池盒，但要保证供电电流大于30mA，供电电压小于10V。同时设计中要注意输入输出端与地之间接入去耦电容提高电源的稳定性。（3）复位。系统具有3个复位源：按键强制复位，上电复位和看门狗复位，复位后内存和程序还原到初始值。

三是传感器模块设计。PT100温度传感器模块是铂热电阻。当温度发生变化时，PT100的阻值会与温度成比例变化，阻值会随着温度的上升而均匀增加，即可以通过测量阻值而得到所需的稳定值。且它是一种防水的温度传感器，测温范围在–200°C~850°C之间。它的精度高，稳定性也较好，成本较低。

3.水质监测系统软件设计。系统的软件设计是在硬件平台的基础上实现的，在考虑到系统的实用性及可扩展的条件下，本文的软件设计选用基于协议栈移植。

一是网络协调器节点程序。网络协调器是网络中的第1个设备，负责整个网络的启动，一个网络中只允许有一个网络协调器，但是可以有多个路由器和终端设备。网络协调器先选择一个信道和一个域网ID（或称为PANID），然后启动整个网络。网络协调器的软件设计主要包括协调器新建网络、接收传感器节点发送的数据以及向上位机传输数据。二是路由器节点程序。路由器要具备允许终端设备加入或离开网络，为终端设备分配网络内部的逻辑地址、建立并维护邻居表等功能。它在功能上与网络协调器不同的是，路由器节点不能建立网络。路由器节点程序主要包括几个部分：在路由器节点初始化后，首先通过网络扫描发现一个新的网络，并向协调器发出请求申请加入该网络，确认加入网络成功；然后通过网络监听判断是否有节点申请加入本网络或者是否有数据信息传输给本路由节点，并对不同情况的节点请求作出相应的回应。

二、系统测试结果及分析

传感器经由调节电路将数据传输给传感器节点，通过温度传感器实现对温度的采集，同时验证所测量的温度值的准确性。测量的PH值基本能反映相应溶液的酸碱度，但是存在误差，可能有以下3个方面原因：（1）在进行PH电极校准时可能存在误差以及电极校正与测量时周围温度可能发生变化；（2）运放电压的失调；（3）调节电路设计中数据干扰考虑不全面。在后续研究中将根据上述原因进行修正改进，以提高PH值的测量精度。分别将发送程序（TX）和接收程序（RX）程序编译下载到2个模块中。烧写2个模块的网络地址。在第1个模块的发送区发送写数据，在第2个模块即可接收到；同样在第2个模块的发送的数据，可以在第1个模块的接收区被接收到，实现两模块之间的点对点通信。经过实验测试，使用本文设计的模块，对其中2个模块实现点对点的直接通信，通信的可视距离在100m以内可以实现数据的可靠传输，能够满足水质监测系统的组网要求。

本文设计一种基于无线传感器网络的水质监测系统。对传感器节点的硬件设计中重要部分进行详细阐述，描述软件设计中的主要流程，随着物联网的发展，基于无线传感网络的水质监测系统将更为广泛地应用，并通过互联网平台，使更多关心水质状况的人们能随时关注水质状况。

参考文献：

［1］赵敏华，呼娜．基于无线传感器网络的水质监测系统设计［Ｊ］．计算机工程，２０１8，４０（２）：９２－９６．

［2］黄建清，王卫星，姜晟，等．基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验［Ｊ］．农业工程学报，２０１8，２９（４）：１８３－１９０．

［3］王剑．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的远程水质监测系统关键技术的研究与实现［Ｊ］．节水灌溉，２０１8，６：６５－６７．