基于ZigBee技術(shù)的飲用水水源地水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

吳 蔣，任崇勛

（1.瓊州學(xué)院電子信息工程學(xué)院，海南 三亞 572022；2.瓊州學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，海南 五指山 572200）

城市作為經(jīng)濟(jì)和生活中心，污水排放量大，城市水環(huán)境面臨的形勢十分嚴(yán)峻。由于水質(zhì)污染，全國約有50種疾病與飲用水水源污染直接相關(guān)，加上城市水體供水基礎(chǔ)建設(shè)陳舊和管理不善，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，構(gòu)建針對水源地水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，將對國家的發(fā)展和社會的穩(wěn)定意義深遠(yuǎn)[1-2]。

針對目前實(shí)際使用的各類水源地水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在網(wǎng)絡(luò)布線困難、成本高及實(shí)時(shí)性差等問題，提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水源地水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，通過GPRS和Internet，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[3-4]。該系統(tǒng)主要由低功耗微小無線傳感器通過自組織方式構(gòu)成，可利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低成本無人連續(xù)在線監(jiān)控。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置密集，對每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)都有多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量，可以通過數(shù)據(jù)融合提高數(shù)據(jù)精度，而單節(jié)點(diǎn)失效也不致影響測量效果，這種測量方式使得系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)。

另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以進(jìn)行監(jiān)控，還可對指定區(qū)域進(jìn)行查詢，這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)在線監(jiān)控系統(tǒng)所不具備的，結(jié)合張穎等提出的水質(zhì)變化趨勢評價(jià)體系[5]，對水質(zhì)變化因子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的通信技術(shù)。ZigBee的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，ZigBee技術(shù)就是以此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱，主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、家庭智能控制、醫(yī)療設(shè)備控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、地震災(zāi)區(qū)救援等領(lǐng)域[6]。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建成星狀拓?fù)浜忘c(diǎn)對點(diǎn)對等拓?fù)?，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，需要明確的是，無論是星狀拓?fù)溥€是點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)?，ZigBee網(wǎng)絡(luò)都是無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器（PAN協(xié)調(diào)器）[7]完全不同于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)（AP），它是一個(gè)起網(wǎng)絡(luò)控制中心作用的FFD（全功能設(shè)備），它不單為網(wǎng)絡(luò)控制而存在，還可以有自己的應(yīng)用。就功能而言，ZigBee協(xié)調(diào)器與扮演ZigBee路由器（FFD）和ZigBee終端（RFD）的ZigBee路由器（FFD）沒有區(qū)別，只是根據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的需要，ZigBee協(xié)調(diào)器這個(gè)ZigBee路由器（FFD）承擔(dān)了控制中心的任務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其他ZigBee路由器（FFD）也能承擔(dān)起ZigBee協(xié)調(diào)器的任務(wù)。

1.2 典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件

隨著ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，世界各大無線芯片生產(chǎn)廠商陸續(xù)推出了支持ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊?？偨Y(jié)起來，一個(gè)典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件主要由微處理器、RF收發(fā)器和天線組成，ZigBee單芯片硬件模塊結(jié)構(gòu)見圖2。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)開發(fā)目的

為實(shí)現(xiàn)以水源地水質(zhì)基本信息為主的各項(xiàng)基礎(chǔ)信息的快速查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、評價(jià)，實(shí)現(xiàn)污染遷移規(guī)律、污染狀況評價(jià)結(jié)果的圖形化動(dòng)態(tài)演示、為管理部門即時(shí)提供取水口應(yīng)急預(yù)案等重要管理信息；實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，及時(shí)將源水水質(zhì)惡化等危險(xiǎn)信息通過現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)反饋給相關(guān)制水企業(yè)，最大限度控制水源污染后果。環(huán)境監(jiān)測與管理工作人員能結(jié)合本系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息，從而為制定科學(xué)決策、即時(shí)采取措施控制污染、保障安全爭取時(shí)間，減少損失。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲管理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、分析處理等功能。從邏輯結(jié)構(gòu)上將系統(tǒng)劃分為三大子系統(tǒng)：安裝在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)、服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲子系統(tǒng)、基于WEB的數(shù)據(jù)管理與查詢子系統(tǒng)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)是由從節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和帶有GPRS Modem的采集終端組成。從節(jié)點(diǎn)用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過ZigBee無線通信技術(shù)將其發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸給終端模塊，最終通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和INTERNET對接，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲子系統(tǒng)，由MS SQLServer數(shù)據(jù)庫服務(wù)器平臺和運(yùn)行在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的數(shù)據(jù)接收存儲程序組成。該部分負(fù)責(zé)偵聽指定端口，判斷并識別數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出的TCP Socket連接請求，如屬于合法數(shù)據(jù)則存入數(shù)據(jù)庫。

圖3 基于ZigBee技術(shù)的水源地環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of ZigBee based telemonitoring system

基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢子系統(tǒng)，是運(yùn)行在Web服務(wù)器上的一套網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。該系統(tǒng)采用ASP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)，采用B/S模式設(shè)計(jì)，用戶只要通過客戶端瀏覽器即可訪問此Web應(yīng)用程序。授權(quán)用戶登錄訪問時(shí)自動(dòng)讀取SQL Server數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)分析等綜合功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)的采集終端主要由一部帶有GPRS Modem的筆記本電腦構(gòu)成，電腦中裝有針對采集信息的分析軟件，把匯聚節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工融合，通過GPRS傳輸模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。試驗(yàn)用的硬件平臺我們采用寧波中科公司的GAINS平臺，GAINS是典型工作頻率為433 MHz的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件系列開發(fā)平臺（頻率可調(diào)），其通信速率可達(dá) 76.8 kb·s-1。其中GAINS-3的微控制器選用了ATMEL公司的低功耗控制器ATmega128L，無線收發(fā)器采用了Chipcon公司的低功耗射頻收發(fā)器CC1000，傳感器板被設(shè)計(jì)成可供水質(zhì)質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)（包括溫度、pH值、化學(xué)物質(zhì)濃度、負(fù)離子等）的傳感器，環(huán)境參數(shù)信息通過分節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集，由原語從應(yīng)用層傳遞到物理層，再由終端與協(xié)調(diào)器間的無線物理信道通過ZigBee協(xié)議傳輸?shù)街行膮f(xié)調(diào)器，完成數(shù)據(jù)無線實(shí)時(shí)采集[8]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲子系統(tǒng)

在服務(wù)器端運(yùn)行的數(shù)據(jù)接收程序采用VC++開發(fā)工具設(shè)計(jì)，由于其效率高、功能強(qiáng)大、靈活高效，是目前Windows平臺上的主要開發(fā)工具之一。該程序采用B/S（Brower/Server）體系結(jié)構(gòu)，主要功能是偵聽Socket請求并建立網(wǎng)絡(luò)連接，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲到指定IP地址的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，用戶可以通過客戶端瀏覽器（Brower）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽和下載、提取和更新等操作[9]。

3.3 基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢子系統(tǒng)

通過采集終端處理后傳回的水質(zhì)信息，被服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫接收、存儲，為方便用戶實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)數(shù)據(jù)的瀏覽和下載、提取等操作，設(shè)計(jì)基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢系統(tǒng)，以MS SQL Server作為數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用ASP網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，通過網(wǎng)頁制作工具制作查詢界面，在網(wǎng)頁瀏覽器中實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速查詢。

4 討論與結(jié)論

本文針對湖泊型水源地采用低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對水源地各個(gè)水源流入口進(jìn)行監(jiān)測，簡化了設(shè)備安裝布線，提高系統(tǒng)移動(dòng)性和便捷性等方面效果十分顯著，為水源地水質(zhì)監(jiān)測主管部門人員無論身在何處，只要通過聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)均可隨時(shí)了解水源地水質(zhì)因子的時(shí)間變化與空間分布，從而能夠?qū)λ吹刂苓吀鞣N環(huán)境要素的科學(xué)管理提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，對水源地水質(zhì)和適宜進(jìn)行診斷分析，結(jié)合專家管理經(jīng)驗(yàn)，對現(xiàn)場管理和控制提供遠(yuǎn)程咨詢和信息服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與管理。

通過研究和應(yīng)用也表明，無線通信雖比有線通信優(yōu)勢大，但其在信號抗干擾、抗屏蔽、抗衰減性等方面仍存在先天不足?；赯igBee的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的是一種低功耗近距離的通信技術(shù)，因信號相對較弱，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到在環(huán)境復(fù)雜、障礙物較多時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的有效通信距離等問題，例如增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，改進(jìn)通信算法，避免數(shù)據(jù)丟失率過高等。

飲用水水質(zhì)檢測過程非常嚴(yán)格，檢測的對象因子多，一般情況下都要求在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，還需配備專門的檢測專家，這對于一些經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的水質(zhì)監(jiān)管部門來說很難辦到，再加上落后的水質(zhì)檢測設(shè)備，這很大程度上給人們的健康帶來了威脅，所以這種人工檢測方法無論在空間上、時(shí)間上都有很大的弊端。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要解決了水質(zhì)檢測在時(shí)間上和空間上的不足，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對水源地水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，通過Internet把監(jiān)測結(jié)果傳送到配備先進(jìn)檢測設(shè)備和專家的監(jiān)管部門，有效解決了經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)水質(zhì)檢測難題。

[1]潘紅.城市飲用水水源存在的問題與保護(hù)對策[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2009,115(4):154.

[2]陳煉鋼,陳敏建,豐華麗.基于健康風(fēng)險(xiǎn)的水源地水質(zhì)安全評價(jià)[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(2):235-236.

[3]孫忠富,曹洪太,李洪亮,等.基于GPRS和WEB的溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(6):131-134.

[4]段治超,杜克明,孫忠富,等.基于ARM-Linux和GPRS的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2008(6):12-15.

[5]張穎,楊偉光,吳昊,等.二龍山水庫水質(zhì)變化趨勢評價(jià)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,35(6):708-710.

[6]吳蔣,李壯,張運(yùn)波.基于Zigee技術(shù)的地震災(zāi)區(qū)人員搜救系統(tǒng)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,23(4):1336-1339.

[7]瞿雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:9.

[8]彭燕,何東健.基于Zigbee技術(shù)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,4(4):166-167.

[9]段治超,杜克明,孫忠富,等.基于ARM-Linux和GPRS的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)息,2008(6):12-15.