設計基于WSN的水環(huán)境重金屬監(jiān)測系統(tǒng)

盧艷梅 王 鑫

設計基于WSN的水環(huán)境重金屬監(jiān)測系統(tǒng)

盧艷梅 王 鑫

為了實現(xiàn)水環(huán)境中重金屬的實時監(jiān)測，設計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境重金屬監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)測節(jié)點，網(wǎng)關，GPRS網(wǎng)絡與上位機監(jiān)控中心軟件組成。系統(tǒng)采用離子選擇性電極陣列檢測重金屬離子濃度，監(jiān)測節(jié)點采用休眠管理機制。監(jiān)測中心管理系統(tǒng)基于GIS技術實現(xiàn)對水環(huán)境重金屬數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計分析、超標報警功能。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對水環(huán)境重金屬實時、遠程監(jiān)測，系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定可靠，實時性高，組網(wǎng)靈活。

近年來，隨著生活污水和工業(yè)廢水肆意排放，使我國水資源污染日益加重。2014年，我國七大流域和全國62個重點湖泊有三分之一出現(xiàn)了不同程度的污染。其中，重金屬污染是危害最大的水污染問題之一。

重金屬污染很難在環(huán)境中降解而且會通過食物鏈富集。比如：水體被重金屬污染后，即使?jié)舛群苄?，也會被水稻、魚和貝殼等動植物吸附、聚集，而人在食用這些污染的大米、魚等食物后，重金屬將進入人體并逐步累積，對人體會造成很大的危害?！笆濉逼陂g中央先后投入116億元，地方和企業(yè)投入300多億元支持重金屬污染防治 。實時監(jiān)測系統(tǒng)是有效保護生態(tài)環(huán)境、防治重金屬污染的重要措施。

我國現(xiàn)有的水環(huán)境重金屬一般通過手工取樣或建設監(jiān)測站的環(huán)境監(jiān)測方式。前者費時費力，不能實時、連續(xù)監(jiān)測。后者存在著部署難度大、成本高、監(jiān)測覆蓋面不足等問題，難以實時、全面地反映水環(huán)境重金屬含量的變化，從而錯失了污染防治的最佳時期。無線傳感器網(wǎng)絡作為一種自組織網(wǎng)絡，擺脫了基礎設施的制約，在系統(tǒng)布設、維護和擴展方面非常靈活，因而在環(huán)境監(jiān)測、特發(fā)污染事件相應及災后救援，特別是對人工或傳統(tǒng)技術無法有效覆蓋區(qū)域的監(jiān)測，無線傳感器更有其難以替代的優(yōu)勢。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境重金屬監(jiān)測系統(tǒng)具有非常積極和重要的研究意義與現(xiàn)實價值。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

該系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點、監(jiān)控中心服務器及遠程用戶終端組成。監(jiān)測節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點Zigbee模塊形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡。監(jiān)控節(jié)點采集的重金屬等水環(huán)境信息通過WSN網(wǎng)絡傳給網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點以GPRS無線通信方式傳給監(jiān)測中心服務器。在監(jiān)控中心服務器上利用監(jiān)測管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行存儲、分析、顯示等處理。同時，用戶也可以通過筆記本電腦、智能手機及計算機方便地觀察當前或歷史數(shù)據(jù)。

監(jiān)測節(jié)點設計

無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點是水環(huán)境重金屬監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過布置在監(jiān)測區(qū)域內多個節(jié)點之間相互協(xié)調，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸任務，進行自動化、網(wǎng)絡化和智能化的監(jiān)測。

監(jiān)測節(jié)點硬件設計

監(jiān)測節(jié)點硬件框圖如圖2所示，主要由重金屬傳感器陣列、PH電極、信號調理電路、管路控制模塊、嵌入式處理器、電源管理模塊、時鐘電路、GPS模塊及無線通信模塊組成。重金屬傳感器陣列和PH電極位于測試腔中。管路控制模塊由蠕動泵和電磁閥組成，實現(xiàn)儀器的管路控制。重金屬傳感器陣列由多種離子電極組成，可同時測量水中鉛、鎘、汞、銅等多種重金屬信息，并經(jīng)信號調理電路進行I/V轉換、濾波、放大。嵌入式處理器是節(jié)點的核心部分，控制各個模塊的協(xié)調運行，完成信息的采集、處理和傳輸。為了保證水樣的弱酸性，采用PH 電極檢測水體的PH值，并通過管路控制模塊調整腔體水樣的PH值，從而實現(xiàn)重金屬離子的精確測量。同時，嵌入式處理器通過GPS模塊及時鐘電路獲取監(jiān)測節(jié)點的位置及時間信息，將重金屬濃度、時間及位置信息通過無線通信模塊由無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送到重金屬監(jiān)測管理系統(tǒng)。

圖2 監(jiān)測節(jié)點硬件框圖

監(jiān)測節(jié)點軟件設計

監(jiān)測節(jié)點主要功能是采集、處理及發(fā)送監(jiān)測點的重金屬濃度信息、轉發(fā)其他節(jié)點的監(jiān)測信息、根據(jù)系統(tǒng)指令調整網(wǎng)絡結構及設置。監(jiān)測節(jié)點總體流程圖如圖3所示。

監(jiān)測節(jié)點初始化完成后搜尋臨近的網(wǎng)絡協(xié)調器，申請加入網(wǎng)絡?？紤]到監(jiān)測節(jié)點能量有限的特點，為了優(yōu)化能效，本設計中采用周期性的休眠/活動機制。由于水環(huán)境重金屬污染一般不會發(fā)生突變，因此初始周期設置為30min，一旦發(fā)生突發(fā)性污染事件，可通過系統(tǒng)信息調整節(jié)點的休眠/活動周期。

在活動狀態(tài)，監(jiān)測節(jié)點首先進行偵聽，如果沒有消息，則進行檢測操作；如有信息，則接收并根據(jù)所接收的信息進行網(wǎng)絡結構、休眠/活動周期調整，或直接轉發(fā)，然后再進行檢測操作。檢測結束后，進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

由于重金屬離子工作時需讓監(jiān)測樣本處于弱酸性的環(huán)境，因此，檢測過程中需把樣本調制弱酸性。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當PH值為5的時候，PH對電化學傳感器檢測干擾最小，這里我們把重金屬檢測裝置的PH值設定為5。同時，每次檢測完成后，傳感器與測試腔都需要清洗，去除殘余離子。

監(jiān)測管理系統(tǒng)

監(jiān)測管理系統(tǒng)是基于WSN的水環(huán)境重金屬監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。設計目的就是為了對從監(jiān)測節(jié)點獲取的重金屬濃度數(shù)據(jù)進行存儲、分析、顯示。監(jiān)測管理系統(tǒng)應當給用戶提供一個友好的操作界面，實時監(jiān)測重金屬濃度信息，查詢歷史數(shù)據(jù)并可根據(jù)實際應用的需求發(fā)送控制指令。

監(jiān)測管理系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡獲取監(jiān)測終端發(fā)送的信息，同時也可對監(jiān)測終端的參數(shù)如采樣時間間隔等進行設置，接收到監(jiān)測終端的信息后寫入數(shù)據(jù)庫，同時由顯示模塊結合GIS地形數(shù)據(jù)進行顯示。

圖4 監(jiān)測管理系統(tǒng)主界面

圖5 實時監(jiān)測界面

監(jiān)測管理系統(tǒng)主界面如圖4所示，主要有系統(tǒng)運行狀態(tài)、水質預警信息、水質現(xiàn)狀和聲光報警功能的開啟狀態(tài)5個圖標。

在線監(jiān)測模塊是基于GIS進行設計的。當鼠標移動至某個監(jiān)測點的紅色標記時，該標記變成藍色并彈出這個水環(huán)境地點的重金屬離子濃度的詳細信息。在線監(jiān)測界面如圖5所示。

結束語

本文闡述了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的遠程水環(huán)境重金屬元素監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測終端采用休眠模式有效地延長傳感器網(wǎng)絡的生命周期，采用無線通信方式解決遠距離實時檢測水環(huán)境重金屬元素的問題，將環(huán)境信息和空間地理信息相結合，提升和豐富了環(huán)境管理的手段和方式。試驗證明，設計的系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)對遠程水環(huán)境重金屬濃度的周期、實時地采集。

盧艷梅1，2王 鑫1，3

1.桂林電子科技大學計算機與信息安全學院；2.桂林市桂電中學；3.桂林電子科技大學海洋信息工程學院

盧艷梅，女，（1978－）碩士研究生，桂林電子科技大學計算機與信息安全學院，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡。王鑫，男，（1976－）副教授，碩士生導師．研究方向為網(wǎng)絡與信息安全。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.006