基于WSNs的城市污水監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳強 盧啟福 李亭，2 毛亮 劉國瑛

（1.廣州市強鋒信息科技有限公司，廣東廣州，511400；2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學院，廣東中山，528436）

基于WSNs的城市污水監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳強1盧啟福1李亭1，2毛亮1劉國瑛1

（1.廣州市強鋒信息科技有限公司，廣東廣州，511400；2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學院，廣東中山，528436）

為了實現(xiàn)城市污水水質(zhì)的大范圍、精確、自動化的監(jiān)測，本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)和GPRS技術(shù)，在城市排水管道和污水匯流處布設(shè)無線傳感器節(jié)點采集城市污水水質(zhì)的多種參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過GPRS無線網(wǎng)關(guān)對匯集數(shù)據(jù)進行遠程發(fā)送，最后主機通過WSNs 數(shù)據(jù)管理軟件接收遠程發(fā)送而來的數(shù)據(jù)，提取有效數(shù)據(jù)數(shù)字化和圖形化實時顯示，以達到對城市污水水質(zhì)的實時監(jiān)測的目的。實驗結(jié)果表明，本文研究開發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市污水遠程檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，達到研究開發(fā)目的。

農(nóng)業(yè)信息化；污水監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)采集與處理

目前國內(nèi)污水檢測的主要方法是檢測人員到檢測河流或者湖泊等地方采集樣品，然后帶回檢測中心進行檢測，這種檢測方式人工成本高，效率低，并且污水檢驗缺乏時效性，污染源往往由于缺乏時效的檢測難以進行確定，對污水治理、污染控制等工作造成極大的困擾。研究開發(fā)能夠進行大范圍遠程自動化的城市污水檢測系統(tǒng)顯得非常必要和迫切。目前國內(nèi)已有借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行污水檢測的研究和應(yīng)用[1-6]，主要論及無線傳感器系統(tǒng)搭建[1], 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與部署[2]和中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計[3]，對傳感器接口電路和傳感器節(jié)能供電系統(tǒng)沒有進行深入的研究。

本文為了實現(xiàn)污水的大范圍精確自動化監(jiān)測，針對目前國內(nèi)已有借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行污水檢測的研究存在的不足，提出了采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)，對城市排水管道和污水匯流處布設(shè)無線傳感器節(jié)點進行城市污水的多參數(shù)成分含量監(jiān)測，并通過GPRS網(wǎng)關(guān)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行遠程發(fā)送，通過WSNs 數(shù)據(jù)管理軟件將遠程發(fā)送而來的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)實時的數(shù)字化、圖形化顯示，以達到城市污水的實時監(jiān)測的作用，并且傳感器接口電路和傳感器節(jié)能供電系統(tǒng)進行了深入的研究。

1 水質(zhì)檢測系統(tǒng)框架與硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由傳感器節(jié)點，帶 GPRS功能的無線網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)接收與管理上位機軟件組成，以下圖1和表1分別是傳感器節(jié)點的系統(tǒng)硬件組成圖和傳感器節(jié)點主要器件的選型。

帶GPRS功能的無線網(wǎng)關(guān)的硬件組成圖如圖2所示，其中無線收發(fā)模塊由射頻芯片CC1000及其外圍電路組成，微處理器采用 ATMEGA128L，而 GSM 模塊主要有 TC35i，SIM卡及其外圍電路組成。

數(shù)據(jù)接收與管理上位機軟件利用管理信息系統(tǒng)技術(shù)和Web數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用JAVA語言進行開發(fā)。改軟件具備數(shù)據(jù)接收與處理，實時顯示節(jié)點采集參數(shù)、健康指數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，并且實時將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，通過 INTERNET可實時訪問服務(wù)器查看數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，必要時能將存儲數(shù)據(jù)以多種格式導出以供分析研究。水質(zhì)檢測系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點軟件開發(fā)，是基于tinyOS系統(tǒng)，利用NesC語言進行編程實現(xiàn)的。TinyOS采用基于組件式的架構(gòu)形式[7]，其通信組件如圖4 所示。

圖1 傳感器節(jié)點的系統(tǒng)硬件組成

圖2 帶GPRS功能的無線網(wǎng)關(guān)硬件組成圖

表1 傳感器節(jié)點主要器件的類型或選型

2.2 GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點上電后進行協(xié)議棧的初始化和硬件設(shè)備的初始化,包括GPRS模塊的、CC1000的初始化和ATMEGA128L的初始化，然后構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點首先進行能量掃描,能量掃描由 MAC完成,依據(jù)信道的繁忙程度選擇能量損耗低的一些信道作為建立網(wǎng)絡(luò)的備用信道[3]。由網(wǎng)絡(luò)層在合適的信道中選定信道。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功后,進入監(jiān)控狀態(tài)包括監(jiān)控中心的計算的控制信號、傳感器節(jié)點的無線信號和子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)信號,分別按照指令來執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架圖

圖4 多跳無線通信應(yīng)用程序組件圖

其中MyappM.cn為用戶自定義，MyappM.cn接口文件結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 MyappM.cn接口文件結(jié)構(gòu)

3 傳感器接口與供電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 傳感器接口設(shè)計

本系統(tǒng)對水質(zhì)進行了多參數(shù)監(jiān)測，包括水質(zhì)溫度，氯含量，PH值，電導率和溶解氧含量等參數(shù)的監(jiān)測，因此傳感器的選定和接口電路的設(shè)計對于水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集顯得非常重要。本節(jié)主要介紹了PH傳感器、溶解氧傳感器和電導率傳感器信號放送電路與溫度補償電路。

溫度傳感器接口采用兩個熱敏電阻并聯(lián)的形式，信號輸出端與主控芯片ATMEGA128L的ADC1端口連接，實現(xiàn)模擬輸出信號進入ATMEGA128L的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

如圖5所示，PH傳感器接口電路采用了兩種運算放大器CA3140和LM324。該接口電路采用了一個CA3140作為初始信號的放大器，CA3140的INPUT和INOUT_N接收輸入數(shù)據(jù)，OUTPUT的輸出信號一方面作為自身的反饋，另一方面作為由兩個LM324組成的兩級運算放大器的第一級IN_輸入信號。第一級的輸出作為第二級的IN_輸入信號,兩級的輸出信號均作為反饋信號返回到IN_。信號經(jīng)放大后，輸入AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。

圖5 PH傳感器接口電路

如圖6所示，溶解氧傳感器接口電路采用OP07作為運算放大器。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)，高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號。本設(shè)計中，傳感器采集的信號輸入到OP07的-IN和+IN，經(jīng)過放大后輸出到AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。

如圖7所示，電導率傳感器接口電路采用兩級MCP6001作為傳感器信號的放大電路，傳感器采集的數(shù)據(jù)輸入到第一級MCP6001的VinA-和VinA+,經(jīng)第一級放大后輸出到第二級的輸入端VinA+,再經(jīng)第二級放大后輸出到AD轉(zhuǎn)換器，兩級的輸出信號均作為反饋信號輸入各自的VinA-引腳。

圖7 電導率傳感器接口電路

3.2 GPRS無線網(wǎng)關(guān)太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

太陽能供電系統(tǒng)為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)能量供給問題而設(shè)計的，本文提出了一種利用太陽能進行 GPRS無線網(wǎng)關(guān)供電的系統(tǒng)裝置，目的在于給予GPRS無線網(wǎng)關(guān)長時間持續(xù)的供電，解決了干電池供電對GPRS無線網(wǎng)關(guān)長時間穩(wěn)定監(jiān)測限制的瓶頸問題。太陽能升壓與充電控制模塊電路圖如圖8所示。

如圖8所示，太陽能升壓與充電控制模塊采用了采用了DC-DC轉(zhuǎn)換集成IC并利用一定參數(shù)的電容、電阻和電感搭建外圍電路來實現(xiàn)升壓功能，并且采用穩(wěn)壓管、開關(guān)管和電阻元器件搭建電路實現(xiàn)太陽能充電功能，通過該電路，太陽能電池板產(chǎn)生的 0---3.5V的輸入電壓通過升壓電路和充電電路給充電電池充電，當充電電池電壓超過3.5V時，通過開關(guān)管迫使升壓電路停止工作，從而使停止對蓄電池進行充電。

4 系統(tǒng)運行結(jié)果

4.1 實驗條件

于華南農(nóng)業(yè)大學校內(nèi)地下管道井蓋口布設(shè)污水監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并在節(jié)點分布區(qū)域中心位置布置GPRS無線網(wǎng)關(guān)，由GPRS網(wǎng)關(guān)匯集數(shù)據(jù)發(fā)送至實驗室主機。傳感器節(jié)點數(shù)為 7個，網(wǎng)關(guān)數(shù)為 1個，利用GPRS無線網(wǎng)關(guān)廣播功能實現(xiàn)7個節(jié)點同步休眠與同步喚醒功能，節(jié)點進行包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鲿r間為 1分鐘，之后進入29分鐘的同步休眠期，即以30分鐘為一個周期，同時工作1分鐘，同時休眠29分鐘，7個節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由方式，對于傳感器接口電路的供電亦實現(xiàn)與節(jié)點工作方式同步，即在節(jié)點被喚醒之前5s實現(xiàn)電源對傳感器供電，節(jié)點休眠時停止對傳感器接口電路工作，在節(jié)點被喚醒之前提前5s實現(xiàn)對傳感器供電，保證了節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集時傳感器信號的穩(wěn)定性。CC1000 射頻功率設(shè)置為1dBm（8dBm最大，-20dBm最?。Ｏ到y(tǒng)硬件分布如圖 9所示。在本文中，太陽能充電電池采用 2節(jié) 1.5V，2300mAh非充電干電池給傳感器節(jié)點供電，采用4節(jié)1.2V，2300mAh品勝充電電池作為充電電池并且給傳感器接口電路供電，而太陽能板則采用5V，330mA單晶硅太陽能，GPRS無線網(wǎng)關(guān)則采用3V直流電供電。

圖8 太陽能升壓與充電控制模塊電路

圖9 系統(tǒng)硬件分布圖

4.2 系統(tǒng)運行結(jié)果與討論

根據(jù)以上實驗條件于2010年1月15日至2010年7月3日對該系統(tǒng)從以下方面進行了系統(tǒng)運行實驗：1）

1）節(jié)點數(shù)據(jù)包傳輸率試驗

試驗節(jié)點Node 1至Node 7以30分鐘為一個周期，同時工作1分鐘，同時休眠29分鐘，在工作1分鐘時間里，每4s節(jié)點發(fā)送1個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送至實驗室主機，利用主機的數(shù)據(jù)接收與管理軟件對數(shù)據(jù)包進行記錄和存儲，在節(jié)點能量供給正常情況下進行連續(xù)5天的實驗，得到如下表3所示7個節(jié)點的平均數(shù)據(jù)包傳輸率。數(shù)據(jù)包傳輸率，如式（1），

式中：NR,pdr——試運行期內(nèi)各節(jié)點數(shù)據(jù)包傳輸率，%，Nt ——試運行期內(nèi)各節(jié)點應(yīng)收數(shù)據(jù)包總數(shù)；Nr ——試運行期內(nèi)各節(jié)點實收正確數(shù)據(jù)包總數(shù)。

表3 各節(jié)點平均數(shù)據(jù)包正確傳輸率

Node 4 83.6%Node 5 96.9%Node 6 97.9%Node 7 96.5%

Node 2由于道路樹木的遮擋，試驗開始兩天傳輸正確率非常低，只能達到2%左右，經(jīng)過第三天調(diào)整Node 2與旁邊樹木的相對位置之后，Node 2后三天的平均傳輸正確率達到91%，在各個節(jié)點MAC層協(xié)議、路由協(xié)議、采集與發(fā)送時間模式、工作周期相同的情況下，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)包傳輸正確率的差別，除了受到放置位置影響，還受到各個節(jié)點電池差異性、物理硬件差異性等的影響。總體來說，系統(tǒng)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸率較高，達到設(shè)計要求。

2）節(jié)點壽命測試試驗

以與以上實驗條件相同、節(jié)點工作模式和工作周期相同的條件進行節(jié)點壽命測試試驗，實驗時間從2010年1月26日至2010年6月3日，各節(jié)點的節(jié)點電壓變化情況如下表4所示：

表4 各節(jié)點的節(jié)點電壓變化情況

Node 3節(jié)點在7個節(jié)點中的電壓下降幅度最大，經(jīng)過分析，這是由于節(jié)點 3電池本身質(zhì)量問題造成的，從表 1中可看出在以上實驗條件、節(jié)點工作模式和工作周期相同的情況下，節(jié)點能夠正常工作至少 4個月（節(jié)點電壓下降至2.5V以下，工作采集和發(fā)送數(shù)據(jù)無效），可預想當適當調(diào)整MAC層協(xié)議、路由協(xié)議、采集與發(fā)送時間模式和工作周期時，可進一步延長節(jié)點正常工作時間。

3）GPRS網(wǎng)關(guān)工作穩(wěn)定性和太陽能供電裝置性能測試

直流電持續(xù)供電情況下：在以上試驗中，通過直流穩(wěn)壓電源給GPRS無線網(wǎng)關(guān)持續(xù)供電，工作穩(wěn)定。

利用本文所設(shè)計太陽能供電模塊進行供電時，在與以上所述實驗條件相同、節(jié)點工作模式和工作周期相同的條件下，GPRS無線網(wǎng)關(guān)持續(xù)進行利用主控芯片時鐘計時進行90s的以30min為一個周期網(wǎng)絡(luò)喚醒廣播、監(jiān)聽、數(shù)據(jù)收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)休眠廣播的工作，在沒有直流穩(wěn)壓電源持續(xù)供電同時利用5V，330mA單晶硅太陽能板通過充電電路給3節(jié)串聯(lián)的1.2V，2300mAh品勝充電電池充電的情況下，GPRS無線網(wǎng)關(guān)能夠進行持續(xù)有效工作166.5 hours，在測試的30多天時間里，出現(xiàn)5天陰雨天，其他時間陽光明媚；而在沒有直流穩(wěn)壓電源持續(xù)供電和太陽能供電裝置供電的情況下，GPRS無線網(wǎng)關(guān)利用 3節(jié)充滿電的串聯(lián)的 1.2V，2300mAh品勝充電電池供電下只能進行持續(xù)有效工作46個小時，可見太陽能供電裝置在不能用直流穩(wěn)壓電源持續(xù)供電情況下，能起到延長網(wǎng)關(guān)工作時間的目的。

5 結(jié)論與討論

本文在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市污水監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成方案，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)平臺上進行了平臺運行實驗。實驗驗證了通過該系統(tǒng)進行無線水質(zhì)監(jiān)測的可行性。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測中將會給環(huán)境監(jiān)測事業(yè)帶來極大的方便.由于它可以在惡劣的環(huán)境下實現(xiàn)低功耗的長時間監(jiān)測,其應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景.傳感器采集節(jié)點放置位置靈活,此項技術(shù)還可以方便地擴展應(yīng)用于智能家居、水文檢測以及環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域.。

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TP393.18

A

1673-2219（2011）04-0083-04

2010－11－12

2011－02－10

廣東省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項資金項目(2009CD0078, 2009CD0079, 2009CD0080)。

陳強（1979－），碩士，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究。

盧啟福（1984－），碩士，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究。fu2004358319@126.com

(責任編校:劉志壯)