基于WSN協(xié)議的取水環(huán)境急性毒物監(jiān)測(cè)研究

魏勝非，陳彩云，陳菊芳，許德玄

（東北師范大學(xué)a.物理學(xué)院；b.城市與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130024）

1 引 言

近年來(lái)，由于取水環(huán)境污染而使飲用污染水的引發(fā)人們生病甚至死亡的事件時(shí)有發(fā)生.盡管飲用水生產(chǎn)單位都配備相應(yīng)的化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室用以檢測(cè)水的質(zhì)量，但是化學(xué)分析需要時(shí)間較長(zhǎng)，并且不能連續(xù)進(jìn)行.化學(xué)分析需要知道所含毒物的大概范圍，對(duì)一些復(fù)合的化學(xué)毒物，特別是這些化學(xué)成分之間的拮抗作用很難確定.生物傳感器是一種較為理想的飲用水取水環(huán)境監(jiān)測(cè)的方法，目前一些國(guó)家已能生產(chǎn)在線的生物傳感器毒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是性能還不穩(wěn)定，特別是監(jiān)測(cè)范圍小，只能監(jiān)測(cè)生產(chǎn)前水環(huán)境，不能大面積監(jiān)測(cè)取水口環(huán)境［1-2］.為了能夠大面積監(jiān)測(cè)取水環(huán)境，從而發(fā)現(xiàn)水環(huán)境的改變，筆者研發(fā)了基于 WSN協(xié)議的Q67取水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用節(jié)點(diǎn)收集信息，傳輸給匯聚接點(diǎn)的方式，增大了監(jiān)測(cè)面積.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信形成的多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)信息.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、會(huì)聚節(jié)點(diǎn)（sink）和管理節(jié)點(diǎn)［3-4］，如圖1所示.傳感器的節(jié)點(diǎn)的硬件功能模塊主要有傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊和輔助模塊.傳感器模塊包括DS18B20溫度傳感器和光電倍增管.數(shù)據(jù)處理模塊采用單片機(jī)Atmega128，它是高性能、低功耗的AVR 8位微處理器并具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash.射頻芯片采用CC2420，該芯片支持基于IEEE802.15.4的MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖等功能.電源模塊由蓄電池提供能量.輔助模塊包括看門狗電路、電池電量檢測(cè)模塊.傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.傳感器節(jié)點(diǎn)大量分布于所要監(jiān)測(cè)的水廠取水口附近區(qū)域.

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)原理

基于WSN協(xié)議的Q67取水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要原理可以分為通信協(xié)議的選擇和青海弧菌Q67發(fā)光及監(jiān)測(cè)2部分，下面分別加以論述.

1）通信協(xié)議的選擇

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一樣可以分為幾個(gè)層次，不同的是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一般分為7層結(jié)構(gòu)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)一般僅有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層.無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)的劃分不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)的劃分，其層次結(jié)構(gòu)的劃分更為靈活，層次結(jié)構(gòu)的界限也不象計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)那樣清晰，主要以節(jié)省能源為主，這是因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不可能象計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的能源和存儲(chǔ)容量.根據(jù)飲用水取水檢測(cè)時(shí)間間隔一般為15min，以及水檢測(cè)急性毒物的特性，在MAC協(xié)議選擇時(shí)采用DMAC協(xié)議［5］.因?yàn)樵搮f(xié)議能夠很好地解決由于休眠造成的延遲問(wèn)題.DMAC的基本思想是組成樹狀數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，然后各節(jié)點(diǎn)沿這個(gè)樹狀網(wǎng)絡(luò)單向傳輸.網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議選擇LEACH協(xié)議［6］，它是以循環(huán)方式隨機(jī)選擇簇首的低功耗自適應(yīng)分層路由協(xié)議.監(jiān)測(cè)急性毒物的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于水域內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的水域內(nèi)出現(xiàn)急性毒物的機(jī)會(huì)均等.如果選定某一節(jié)點(diǎn)一直擔(dān)任簇首，就可能使該節(jié)點(diǎn)過(guò)勞而死，從而縮短整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期.整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議以Zigbee協(xié)議為基礎(chǔ).Zigbee是一種低功耗、短距離通信標(biāo)準(zhǔn)，支持樹狀、網(wǎng)狀、星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［7-8］.

2）青?；【鶴67發(fā)光及監(jiān)測(cè)的基本原理

發(fā)光細(xì)菌是一類在正常的生理?xiàng)l件下能夠發(fā)射可見(jiàn)熒光的細(xì)菌，這種可見(jiàn)熒光波長(zhǎng)在450～490nm之間，在黑暗處肉眼可見(jiàn).青?；【鷮儆诘l(fā)光菌.發(fā)光機(jī)理的研究表明，不同種類的發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光機(jī)理是相同的，是由特異性的熒光酶（LE）、還原性的黃素（FMNH2）、八碳以上長(zhǎng)鏈脂肪醛（RCHO）、氧分子（O2）所參與的復(fù)雜反應(yīng)，大致歷程如下：

概括地說(shuō)，細(xì)菌生物發(fā)光反應(yīng)是由分子氧作用，胞內(nèi)熒光酶催化，將還原態(tài)的黃素單核苷酸（FMNH2）及長(zhǎng)鏈脂肪醛氧化為FMN及長(zhǎng)鏈脂肪酸，同時(shí)釋放出最大發(fā)光強(qiáng)度在波長(zhǎng)為450～490nm處的藍(lán)綠光［9］.當(dāng)發(fā)光微生物遇急性毒物后，其發(fā)光能力下降.通過(guò)檢測(cè)發(fā)光微生物發(fā)光強(qiáng)度的改變即可表明急性毒物的定性濃度，從而快速判定急性毒物是否超標(biāo).

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際效果，將急性毒物傳感器用于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)際水域急性毒物監(jiān)測(cè).第一片水域選取長(zhǎng)春市伊通河衛(wèi)星大橋段及某排污口附近.為了驗(yàn)證傳感器網(wǎng)絡(luò)的可行性，網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，選擇環(huán)境溫度為22～24℃時(shí)的數(shù)據(jù)如表1所示，其中n為節(jié)點(diǎn)號(hào)，I為相對(duì)發(fā)光度，x為變異系數(shù).

表1 長(zhǎng)春市伊通河衛(wèi)星大橋段水域傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

同時(shí)人工提取節(jié)點(diǎn)水樣（每個(gè)水樣取5試管），低溫箱儲(chǔ)存并迅速送往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表2所示.表1同表2相對(duì)發(fā)光度的相關(guān)系數(shù)R1＝0.98，說(shuō)明二者密切相關(guān).

表2 長(zhǎng)春市伊通河衛(wèi)星大橋段水域?qū)嶒?yàn)室檢測(cè)結(jié)果

第二片水域選取長(zhǎng)春市某工廠排污口附近，網(wǎng)絡(luò)仍由4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，選擇環(huán)境溫度為22～24℃時(shí)的數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 長(zhǎng)春市某工廠排污口水域傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

同時(shí)人工提取節(jié)點(diǎn)水樣（每個(gè)水樣取5試管），低溫箱儲(chǔ)存并迅速送往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè).數(shù)據(jù)如表4所示.表3同表4相對(duì)發(fā)光度的相關(guān)系數(shù)R2＝0.99，說(shuō)明二者密切相關(guān).

表4 長(zhǎng)春市某工廠排污口實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)可見(jiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果高度相關(guān)，表明系統(tǒng)可以用于實(shí)際水環(huán)境急性毒物監(jiān)測(cè).傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室結(jié)果有所差異，其原因分析可能如下：1）實(shí)際環(huán)境的溫度同實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)溫度的差異導(dǎo)致Q67的發(fā)光影響，這需要進(jìn)一步研究相應(yīng)的補(bǔ)償算法，以提高精確度.2）無(wú)線傳輸因素的影響，需要進(jìn)一步對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸條件進(jìn)行研究.

5 結(jié) 論

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的取水環(huán)境急性毒物監(jiān)測(cè)范圍將比固定監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大很多.對(duì)于突發(fā)事件所獲取的預(yù)警提前量將大幅提高，為及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施提供了寶貴時(shí)間.將生物傳感器檢測(cè)技術(shù)同無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合將極大地?cái)U(kuò)充傳感器的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域.通過(guò)選取的2片區(qū)域進(jìn)行的系統(tǒng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境.雖然系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)相比存在一定的差異，但是生物傳感器對(duì)于急性毒物的檢測(cè)速度是其他檢測(cè)方法無(wú)法比擬的，所以用生物傳感器快速檢測(cè)急性毒物依然是今后一段時(shí)間采取的主要手段.鑒于此，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的取水環(huán)境急性毒物監(jiān)測(cè)的研究將變得更加重要，特別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)針對(duì)取水環(huán)境急性毒物監(jiān)測(cè)的跨層通信協(xié)議的研究將為降低傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)量、降低節(jié)點(diǎn)能耗起到重要作用.

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