基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線移動監(jiān)測系統(tǒng)①

劉燕娜,屠德展,潘曉曼,高學(xué)江,王 瑞,洪 榛

1(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院,杭州 310018)

2(加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校 電氣與計算機(jī)工程系,洛杉磯 CA 90095-1594)

3(浙江工業(yè)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全研究院,杭州 310023)

我國水資源總量2.8 萬億立方米,居世界第4 位,但我國人均水資源量只有世界平均水平的1/4,屬于水資源緊缺的國家[1].隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,水污染形勢愈發(fā)嚴(yán)重.水污染已由局部發(fā)展到全流域,由下游蔓延到上游,由城市擴(kuò)散到農(nóng)村,由地表延伸到地下[2].2013年浙江省提出“五水共治”的理念,人們對水質(zhì)健康的關(guān)注日益增加,水質(zhì)安全監(jiān)測研究成為廣受關(guān)注的研究領(lǐng)域.為更好地發(fā)揮科技在“五水共治”中的支撐引領(lǐng)作用,在2015年浙江省科技廳也發(fā)布了《2015年“五水共治”科技專項行動計劃》通知.2015年4月16日,國務(wù)院正式發(fā)布《水污染防治行動計劃》,到2030年消除城市臭水,將拉動萬億投資.早發(fā)現(xiàn),早解決,從源頭解決水質(zhì)污染是一種有效途徑.

國內(nèi)外的眾多研究機(jī)構(gòu)都在積極地對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究.國外高校在這方面已走在了前列,如印度普納大學(xué)開發(fā)了基于水下無線傳感網(wǎng)的太陽能板供電的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)[3];澳大利亞墨爾本大學(xué)設(shè)計了低功耗的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)[4];英國埃塞克斯大學(xué)研究將機(jī)器魚用于泰晤士運(yùn)河的水質(zhì)監(jiān)測[5];波蘭克拉科夫工業(yè)大學(xué)設(shè)計仿生水下機(jī)器人用于執(zhí)行情報、偵察和監(jiān)視(ISR)任務(wù)[6].國內(nèi)高校近年來也加快了對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā),如西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)了低功耗的水下傳感器節(jié)點(diǎn)[7];北京航空航天大學(xué)利用機(jī)器魚對太湖進(jìn)行水質(zhì)檢測[8].基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,存在采樣誤差大、監(jiān)測頻次低、監(jiān)測數(shù)據(jù)分散以及無法實時反饋水質(zhì)狀況的連續(xù)動態(tài)變化等問題.綜合實際情況,針對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),研發(fā)設(shè)計了可移動的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng),提出了多個水下監(jiān)測器編隊檢測的方法,采用GPS 與慣性導(dǎo)航組合定位方式進(jìn)行協(xié)同驅(qū)動控制,實現(xiàn)了多個水下監(jiān)測器編隊檢測,監(jiān)測范圍大、效率高.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用可移動的水下監(jiān)測器在線監(jiān)測水質(zhì)狀況及采集水體樣本.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,水下監(jiān)測器裝配有動力模塊,能在淺水域以一定的速度移動,采集水環(huán)境數(shù)據(jù),并利用頻率170 MHz的無線射頻模塊或水聲通信模塊將水環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至浮標(biāo)節(jié)點(diǎn);浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)安放在水面浮標(biāo)上,接收、處理及融合附近多個水下監(jiān)測器上傳的水環(huán)境數(shù)據(jù),并通過ZigBee 將處理后的數(shù)據(jù)包以多跳的方式傳輸至陸地基站;基站布設(shè)在被監(jiān)測水域附近的陸地上,負(fù)責(zé)接收和處理浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù),并通過基站將采集到的信息傳遞到數(shù)據(jù)終端;數(shù)據(jù)終端包含數(shù)據(jù)分析與可視化處理,最終將數(shù)據(jù)以圖表的形式反饋被監(jiān)測水域的水環(huán)境參數(shù).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

水下監(jiān)測器主要負(fù)責(zé)水環(huán)境在線移動監(jiān)測,浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收、處理、中繼及轉(zhuǎn)發(fā)來自多個水下監(jiān)測器的數(shù)據(jù);基站負(fù)責(zé)整個被監(jiān)測水域的水環(huán)境參數(shù)匯聚及上傳至數(shù)據(jù)終端,多個水下監(jiān)測器與附近的浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)形成點(diǎn)對點(diǎn)單跳星型網(wǎng)絡(luò),多個浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)與基站形成多跳自組織網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)終端將得到的數(shù)據(jù)通過分析進(jìn)行可視化處理,其可視化終端主要包含計算機(jī)和手機(jī).計算機(jī)通過與基站的有線連接獲取水環(huán)境參數(shù),將數(shù)據(jù)做整理分析,最后將整理后的數(shù)據(jù)做可視化處理;另外,整理后的數(shù)據(jù)也將被發(fā)送至云端服務(wù)器,手機(jī)可以通過應(yīng)用程序軟件訪問云端服務(wù)器獲取水環(huán)境信息,并做可視化處理.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 水下檢測器硬件設(shè)計

水下監(jiān)測器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 水下監(jiān)測器硬件結(jié)構(gòu)圖

水下監(jiān)測器作為一個水下可移動節(jié)點(diǎn),其外殼是防水防腐的密封艙.開啟電源后,浸于水中的傳感器探頭采集水環(huán)境參數(shù),其模擬信號經(jīng)過控制處理單元中的微弱信號調(diào)理模塊放大后,再經(jīng)自帶數(shù)模轉(zhuǎn)換的微控制器單元進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換.最終,得到的水環(huán)境數(shù)據(jù)通過170 MHz 無線射頻模塊或水聲通信模塊發(fā)送至浮標(biāo)節(jié)點(diǎn).其中,水下監(jiān)測器裝配有溫度、濁度、pH 值和電導(dǎo)率等傳感器,用于監(jiān)測水的溫度、濁度、pH 值與電導(dǎo)率等多種參數(shù)值;采用陀螺儀與加速度計獲取水下監(jiān)測器的游動姿態(tài),依靠尾部的無刷電機(jī)發(fā)動螺旋槳,利用方向舵與升降舵配合控制改變方向;另外,控制處理單元是整個水下監(jiān)測器執(zhí)行操作的處理中心,控制電機(jī)1 驅(qū)動氣泵抽水入水袋或排出水袋內(nèi)的水,實現(xiàn)水下監(jiān)測器的上下沉浮;當(dāng)水下監(jiān)測器位于水下時,采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)導(dǎo)航定位;當(dāng)其浮出水面時,采用GPS 實現(xiàn)導(dǎo)航定位并進(jìn)行位置校正和時間校準(zhǔn).

2.2 浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)(結(jié)構(gòu)如圖3所示)固定在水面,采用太陽能供電方式,可以長時間工作,通過170 MHz 無線射頻模塊接收水下監(jiān)測器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),采用GPS 模塊獲得被監(jiān)測水域的地理位置信息,不同于水下監(jiān)測器的GPS 模塊,其主要用于基于地理位置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及基于可視化界面的水域地理信息顯示.

圖3 浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)終端采用PC和移動終端實現(xiàn).PC 通過無線串口模塊實現(xiàn)與浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信,按照自定義的通信協(xié)議接收并解析數(shù)據(jù),利用Matlab 軟件建立時間-水質(zhì)和位置-水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型,最終實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實時反饋與可視化反饋;另外,將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫與云端服務(wù)器.Android 手機(jī)的APP 通過訪問云端服務(wù)器實時查看水質(zhì)信息.數(shù)據(jù)流圖如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)流圖

3.1 通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議設(shè)計實際上在任何系統(tǒng)中都發(fā)揮了不可替代的作用,因為只有合適的通信協(xié)議才能交互數(shù)據(jù).根據(jù)相關(guān)的約定,綜合考慮實驗的實際情況,根據(jù)各類實驗制定了總體格式類似、局部卻有所不同的通信協(xié)議格式.如針對水質(zhì)參數(shù)傳遞,定制的協(xié)議格式如圖5所示.

圖5 通信協(xié)議描述

該命令以“#”作為開始,后面接著地址、坐標(biāo)、各類水質(zhì)參數(shù),“…”代表可擴(kuò)展的水質(zhì)參數(shù),不同的參數(shù)用“|”間隔,最后同樣以“#”結(jié)束該條命令.

定制特定的協(xié)議格式,在很大程度上滿足了本系統(tǒng)的需要,具有一定的動態(tài)性、實時性.而且,嚴(yán)格的通信協(xié)議格式也為區(qū)分不同的命令和參數(shù)傳遞提供了保障.

3.2 編隊控制

為了防止多個水下監(jiān)測器的碰撞及脫離浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信范圍等問題,采用多個水下監(jiān)測器編隊控制方式,若干個水下監(jiān)測器與浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)形成一簇,浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)以廣播的方式告知水下監(jiān)測器隊形信息,同時匯聚水下監(jiān)測器采集的水質(zhì)參數(shù)信息,并與其他浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)通信.水下監(jiān)測器接收隊形信息后以一定的幾何構(gòu)型在浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近移動,其編隊控制算法采用分布式模糊編隊控制.

如圖6所示為編隊控制系統(tǒng)的運(yùn)動模型,(Px0,Py0)代表主監(jiān)測器,(Px1,Py1)、(Px2,Py2)代表從監(jiān)測器.通過上述分布式模糊PID 控制算法,從監(jiān)測器可在(Px2,Py2)附近扇形區(qū)域內(nèi)跟隨前行,追蹤主監(jiān)測器運(yùn)行軌跡.

圖6 編隊運(yùn)動模型

程序流程如圖7所示.由圖7(a)可知,主監(jiān)測器點(diǎn)以水聲廣播的方式告知從監(jiān)測器隊形信息,同時收集從監(jiān)測器采集的水質(zhì)參數(shù)信息,并與岸上基站實現(xiàn)通信;由圖7(b)可知,從監(jiān)測器初始化后依次經(jīng)過水質(zhì)參數(shù)采集、自身位置姿態(tài)采集和無線發(fā)送信息,同時接收主監(jiān)測器的位置,經(jīng)過算法設(shè)計,獲取相對位置信息,經(jīng)模糊控制器輸出控制從監(jiān)測器跟隨主監(jiān)測器移動.

圖7 程序流程圖

3.3 PC 端軟件設(shè)計

PC 端上位機(jī)軟件功能如圖8所示,具有數(shù)據(jù)監(jiān)控、水下監(jiān)測器控制、實時消息推送、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及閾值設(shè)置等功能.軟件采用基于Web的JavaScript 開發(fā),JavaScript是一種屬于網(wǎng)絡(luò)的腳本語言,已經(jīng)被廣泛用于Web 應(yīng)用開發(fā),常用來為網(wǎng)頁添加各式各樣的動態(tài)功能,提供更流暢美觀的瀏覽效果.

圖8 PC 端軟件功能圖

3.4 PC 移動端軟件設(shè)計

APP和上位機(jī)間使用Socket 通信機(jī)制進(jìn)行通信,通過Socket 實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,可以同時接收多個浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù).APP為Socket的客戶端,主要用于顯示水域水質(zhì)參數(shù)信息.上位機(jī)端作為Socket的服務(wù)器端,用于處理數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā).移動端功能圖如圖9所示.

圖9 移動端功能圖

系統(tǒng)采用XMPP 協(xié)議,上位機(jī)端可以推送水質(zhì)信息,當(dāng)濁度小于預(yù)先設(shè)定閾值時,上位機(jī)就會向APP推送一條消息,提醒用戶檢測到污染.

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及實驗測試

4.1 實驗平臺

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性,搭建了水質(zhì)在線移動監(jiān)測平臺(圖10).目前,水下監(jiān)測器裝載GPS/INS系統(tǒng),可檢測溫度、濁度、pH 值和電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù),已實現(xiàn)兩個移動節(jié)點(diǎn)編隊檢測,但還未能完全自主航行.

圖10 水下監(jiān)測器編隊監(jiān)測

4.2 實驗內(nèi)容與結(jié)果

實驗對水下監(jiān)測器、浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)和可視化軟件整個平臺監(jiān)測性能進(jìn)行了測試.

4.2.1 水下檢測器性能測試

如圖11(a)所示,水下監(jiān)測器外觀模仿魚的流線型設(shè)計,內(nèi)部電路模塊與外部環(huán)境通過防水接口隔離,達(dá)到防水效果.圖11(b)中為水下監(jiān)測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,各個電路模塊、電源、水質(zhì)傳感器、動力系統(tǒng)均包含在內(nèi),其中水質(zhì)檢測探頭位于水下監(jiān)測器頭部.

圖11 水下監(jiān)測器結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過實驗測試,水下監(jiān)測器的各項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1.

表1 水下監(jiān)測器技術(shù)參數(shù)

4.2.2 軟件系統(tǒng)性能測試

圖12為實驗時上位機(jī)的截圖,A 區(qū)域為功能模塊,包括監(jiān)控、命令、管理、地圖等,B 區(qū)域為可視化界面,不同功能模塊對應(yīng)一個可視化界面,實現(xiàn)友好的人機(jī)交互.

圖12 PC 端上位機(jī)

水下監(jiān)測器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將自身地址、位置、水質(zhì)參數(shù)等信息發(fā)送至上位機(jī)軟件,再導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器.手機(jī)移動端通過訪問數(shù)據(jù)庫獲取相關(guān)信息.圖13為實驗時手機(jī)端APP 顯示界面,圖13(a)為水質(zhì)參數(shù)信息與當(dāng)前監(jiān)測器的位置信息,包括經(jīng)度和緯度;圖13(b)為實際定位地圖,能夠更加直觀地觀測到多個監(jiān)測器所處的位置;圖13(c)為水質(zhì)歷史數(shù)據(jù),供后期查看;圖13(d)為水下監(jiān)測器模擬遙控手柄,當(dāng)需要回收監(jiān)測器可選擇遠(yuǎn)程遙控的方式控制監(jiān)測器返回岸邊.

圖13 手機(jī)APP 界面

上位機(jī)軟件將采集到的數(shù)據(jù),經(jīng)處理后自動生成圖表,以直觀的形式展示不同水域濁度信息.如圖14所示.

圖14 某水域濁度信息

從上述實驗可以看出,基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線移動監(jiān)測系統(tǒng)可檢測某水域任一點(diǎn)的水質(zhì)環(huán)境.

5 結(jié)論

本文提出一種面向大范圍水質(zhì)監(jiān)測的新方法.與傳統(tǒng)方法相比,本方法提高了設(shè)備利用率,實時性更高.適用于池塘、運(yùn)河、湖泊以及近海的水質(zhì)在線監(jiān)測,為日常水質(zhì)管理提供指導(dǎo),對污染水域進(jìn)行報警.下一步的重點(diǎn)是降低系統(tǒng)功耗,提升水下監(jiān)測器的續(xù)航能力,完善被測水域不同時間、不同位置水質(zhì)數(shù)據(jù)地圖測繪工作.