基于ZigBee和GPRS的水環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉步中

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基于ZigBee和GPRS的水環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉步中

【摘要】針對(duì)水環(huán)境污染問(wèn)題，采用ZigBee和GPRS技術(shù)研發(fā)了水環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的硬件無(wú)線傳感網(wǎng)，負(fù)責(zé)水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集與傳輸；采用WebGIS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并模擬水環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，精確定位污染源并預(yù)警污染事故的發(fā)生。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)采集及實(shí)時(shí)、可靠地高效傳輸，為水質(zhì)的監(jiān)控與治理提供良好的技術(shù)支撐與可靠的數(shù)據(jù)支持。

【關(guān)鍵詞】水環(huán)境監(jiān)測(cè)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)管理軟件；Zigbee協(xié)議

1　引言

良好的環(huán)境對(duì)人類和動(dòng)植物的生存以及健康成長(zhǎng)至關(guān)重要，而高速的發(fā)展卻帶來(lái)了水環(huán)境嚴(yán)重污染問(wèn)題。我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致水環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，人類飲用水及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)均遭到不同程度的影響。水環(huán)境中的溶解氧、水溫、PH值及濁度等參數(shù)能較直觀地反映該水域水質(zhì)水平，因此對(duì)這些參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有助于及時(shí)察覺水質(zhì)變化，對(duì)水質(zhì)的保護(hù)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2　水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)中心和傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。根據(jù)被監(jiān)測(cè)水域面積大小，傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)CC2420模塊組建若干個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器采集獲取水域的溶解氧、水溫、PH值及濁度等參數(shù)，并通過(guò)CC2420模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)基站。數(shù)據(jù)基站收到數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議封裝成幀，由GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心接收到數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)曲線并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)能夠顯示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)基站的運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示：

圖1　水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)架

3　水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)基站兩部分組成。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由電源管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、通信模塊以及其他一些外圍電路組成。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)總體框架如圖2所示。通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集對(duì)應(yīng)水域水質(zhì)的水溫、PH值、溶解氧濃度、濁度四個(gè)參數(shù)，數(shù)據(jù)通過(guò)控制器進(jìn)行相關(guān)的處理后由CC2420將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)基站，并存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)模塊中。

圖2　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)

3.2數(shù)據(jù)基站

數(shù)據(jù)基站是向監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令和接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議封裝成幀后發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心，數(shù)據(jù)基站與監(jiān)測(cè)中心之間通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行通信，每一個(gè)數(shù)據(jù)基站主要負(fù)責(zé)對(duì)分布在其所在水域的傳感器子網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)基站增加了GPRS模塊，用于與監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器通信。數(shù)據(jù)基站整體架構(gòu)如圖3所示：

圖3　數(shù)據(jù)基站整體架構(gòu)

圖4　協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)流程

圖5　路由器節(jié)點(diǎn)功能流程圖

4　水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建ZigBee子網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS傳送數(shù)據(jù)到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)軟件流程圖如圖4所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，再對(duì)信道進(jìn)行能量監(jiān)測(cè)，選擇合適的信道為網(wǎng)絡(luò)分配唯一的PAN標(biāo)識(shí)符，成功建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立后協(xié)調(diào)器等待路由器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到路由器的入網(wǎng)請(qǐng)求后，會(huì)根據(jù)路由器節(jié)點(diǎn)容量和地址匹配等判斷是否允許路由器入網(wǎng)。路由器入網(wǎng)成功，協(xié)調(diào)器給新入網(wǎng)的路由器創(chuàng)建一個(gè)入口，并自動(dòng)分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。

4.2路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)是通過(guò)傳感器采集大量水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由器父節(jié)點(diǎn)路由器，并逐級(jí)向上傳遞至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。其軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。

路由器節(jié)點(diǎn)上電首先進(jìn)行硬件初始化，向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求。路由器節(jié)點(diǎn)得到協(xié)調(diào)器的允許入網(wǎng)響應(yīng)后會(huì)成為此網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)。

5　結(jié)論

針對(duì)水環(huán)境污染問(wèn)題，提出了一種水環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)方案，采用Zigbee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)研發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集與傳輸，實(shí)現(xiàn)了低成本運(yùn)行。通過(guò)GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集并傳輸水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研發(fā)的B/S模式下基于WEBGIS的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析，能更直觀的展示水環(huán)境質(zhì)量狀況、污染程度、發(fā)展趨勢(shì)。該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、易布設(shè)，為水環(huán)境監(jiān)視與控制提供了良好的技術(shù)支撐和可靠的數(shù)據(jù)支持，具有良好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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劉步中（1982－），男，江蘇鹽城人，講師，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

Dynamic Monitoring System of Water Environment Based on ZigBee and GPRS Technology

Liu Bu-zhong
(Huaian college of Information Technology)

Abstract:A real-time dynamic monitoring system of water environment is developed based on the technologies of ZigBee and GPRS . The system is hardware wireless sensor net , which collects and transmits real-time monitoring data of water environment , which within the net; WebGIS-based real-time monitoring software system for water environment , which monitors and simulates the real-time change of water environment , positions accurately pollution source locations and warns pollution accidents happening . In the operation , the system realizes adaptive data collection and effective transmission , and provides a technological support and basic data for monitoring and governance of water environment.

Key words:Water environment monitoring; sensor networks ; data management software; Zigbee protocol

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：2015年淮安市科技計(jì)劃社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目（總編號(hào)：HAS2015016，子項(xiàng)目編號(hào)：HAS2015016-2）。