基于WSNs的城市污水監測系統研究

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.中山火炬職業技術學院，廣東中山，528436）

基于WSNs的城市污水監測系統研究

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.中山火炬職業技術學院，廣東中山，528436）

為了實現城市污水水質的大范圍、精確、自動化的監測，本文采用無線傳感器網絡(WSNs)技術和GPRS技術，在城市排水管道和污水匯流處布設無線傳感器節點采集城市污水水質的多種參數數據，并通過GPRS無線網關對匯集數據進行遠程發送，最后主機通過WSNs 數據管理軟件接收遠程發送而來的數據，提取有效數據數字化和圖形化實時顯示，以達到對城市污水水質的實時監測的目的。實驗結果表明，本文研究開發的基于無線傳感器網絡的城市污水遠程檢測系統數據傳輸率高，系統穩定性高，達到研究開發目的。

農業信息化；污水監測；無線傳感器網絡；網關；數據采集與處理

目前國內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。研究開發能夠進行大范圍遠程自動化的城市污水檢測系統顯得非常必要和迫切。目前國內已有借助無線傳感器網絡進行污水檢測的研究和應用[1-6]，主要論及無線傳感器系統搭建[1], 網絡設計與部署[2]和中繼網關設計[3]，對傳感器接口電路和傳感器節能供電系統沒有進行深入的研究。

本文為了實現污水的大范圍精確自動化監測，針對目前國內已有借助無線傳感器網絡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絡(WSNs)技術，對城市排水管道和污水匯流處布設無線傳感器節點進行城市污水的多參數成分含量監測，并通過GPRS網關對監測數據進行遠程發送，通過WSNs 數據管理軟件將遠程發送而來的數據進行處理，實現實時的數字化、圖形化顯示，以達到城市污水的實時監測的作用，并且傳感器接口電路和傳感器節能供電系統進行了深入的研究。

1 水質檢測系統框架與硬件設計

本系統由傳感器節點，帶 GPRS功能的無線網關和數據接收與管理上位機軟件組成，以下圖1和表1分別是傳感器節點的系統硬件組成圖和傳感器節點主要器件的選型。

帶GPRS功能的無線網關的硬件組成圖如圖2所示，其中無線收發模塊由射頻芯片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。

數據接收與管理上位機軟件利用管理信息系統技術和Web數據庫技術，采用JAVA語言進行開發。改軟件具備數據接收與處理，實時顯示節點采集參數、健康指數和網絡拓撲圖，并且實時將數據存儲至數據庫，通過 INTERNET可實時訪問服務器查看數據庫數據，必要時能將存儲數據以多種格式導出以供分析研究。水質檢測系統總體框架如圖3所示。

2 系統軟件設計

2.1 傳感器節點軟件設計

本系統的傳感器節點軟件開發，是基于tinyOS系統，利用NesC語言進行編程實現的。TinyOS采用基于組件式的架構形式[7]，其通信組件如圖4 所示。

圖1 傳感器節點的系統硬件組成

圖2 帶GPRS功能的無線網關硬件組成圖

表1 傳感器節點主要器件的類型或選型

2.2 GPRS網關節點軟件設計

網關節點上電后進行協議棧的初始化和硬件設備的初始化,包括GPRS模塊的、CC1000的初始化和ATMEGA128L的初始化，然后構建網絡。網關節點首先進行能量掃描,能量掃描由 MAC完成,依據信道的繁忙程度選擇能量損耗低的一些信道作為建立網絡的備用信道[3]。由網絡層在合適的信道中選定信道。網絡構建成功后,進入監控狀態包括監控中心的計算的控制信號、傳感器節點的無線信號和子節點加入網絡信號,分別按照指令來執行相應操作。

圖3 水質監測系統總體框架圖

圖4 多跳無線通信應用程序組件圖

其中MyappM.cn為用戶自定義，MyappM.cn接口文件結構如表2所示。

表2 MyappM.cn接口文件結構

3 傳感器接口與供電系統設計

3.1 傳感器接口設計

本系統對水質進行了多參數監測，包括水質溫度，氯含量，PH值，電導率和溶解氧含量等參數的監測，因此傳感器的選定和接口電路的設計對于水質參數數據的采集顯得非常重要。本節主要介紹了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的形式，信號輸出端與主控芯片ATMEGA128L的ADC1端口連接，實現模擬輸出信號進入ATMEGA128L的10位模數轉換接口，將模擬信號轉換成數字信號。

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接收輸入數據，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_。信號經放大后，輸入AD轉換器轉換。

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，非斬波穩零的雙極性運算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓，所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，這種低失調，高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號。本設計中，傳感器采集的信號輸入到OP07的-IN和+IN，經過放大后輸出到AD轉換器進行轉換。

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，傳感器采集的數據輸入到第一級MCP6001的VinA-和VinA+,經第一級放大后輸出到第二級的輸入端VinA+,再經第二級放大后輸出到AD轉換器，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無線網關太陽能供電系統設計

太陽能供電系統為了解決無線傳感器網絡網關能量供給問題而設計的，本文提出了一種利用太陽能進行 GPRS無線網關供電的系統裝置，目的在于給予GPRS無線網關長時間持續的供電，解決了干電池供電對GPRS無線網關長時間穩定監測限制的瓶頸問題。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轉換集成IC并利用一定參數的電容、電阻和電感搭建外圍電路來實現升壓功能，并且采用穩壓管、開關管和電阻元器件搭建電路實現太陽能充電功能，通過該電路，太陽能電池板產生的 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 系統運行結果

4.1 實驗條件

于華南農業大學校內地下管道井蓋口布設污水監測的無線傳感器網絡節點，并在節點分布區域中心位置布置GPRS無線網關，由GPRS網關匯集數據發送至實驗室主機。傳感器節點數為 7個，網關數為 1個，利用GPRS無線網關廣播功能實現7個節點同步休眠與同步喚醒功能，節點進行包括數據采集和數據傳輸的工作時間為 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個節點數據傳輸網絡采用多跳路由方式，對于傳感器接口電路的供電亦實現與節點工作方式同步，即在節點被喚醒之前5s實現電源對傳感器供電，節點休眠時停止對傳感器接口電路工作，在節點被喚醒之前提前5s實現對傳感器供電，保證了節點進行數據采集時傳感器信號的穩定性。CC1000 射頻功率設置為1dBm（8dBm最大，-20dBm最小）。系統硬件分布如圖 9所示。在本文中，太陽能充電電池采用 2節 1.5V，2300mAh非充電干電池給傳感器節點供電，采用4節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無線網關則采用3V直流電供電。

圖8 太陽能升壓與充電控制模塊電路

圖9 系統硬件分布圖

4.2 系統運行結果與討論

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

1）節點數據包傳輸率試驗

試驗節點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節點發送1個數據包，數據通過無線網關發送至實驗室主機，利用主機的數據接收與管理軟件對數據包進行記錄和存儲，在節點能量供給正常情況下進行連續5天的實驗，得到如下表3所示7個節點的平均數據包傳輸率。數據包傳輸率，如式（1），

式中：NR,pdr——試運行期內各節點數據包傳輸率，%，Nt ——試運行期內各節點應收數據包總數；Nr ——試運行期內各節點實收正確數據包總數。

表3 各節點平均數據包正確傳輸率

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，經過第三天調整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%，在各個節點MAC層協議、路由協議、采集與發送時間模式、工作周期相同的情況下，出現了數據包傳輸正確率的差別，除了受到放置位置影響，還受到各個節點電池差異性、物理硬件差異性等的影響。總體來說，系統各個節點的數據傳輸率較高，達到設計要求。

2）節點壽命測試試驗

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

表4 各節點的節點電壓變化情況

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

3）GPRS網關工作穩定性和太陽能供電裝置性能測試

直流電持續供電情況下：在以上試驗中，通過直流穩壓電源給GPRS無線網關持續供電，工作穩定。

利用本文所設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、節點工作模式和工作周期相同的條件下，GPRS無線網關持續進行利用主控芯片時鐘計時進行90s的以30min為一個周期網絡喚醒廣播、監聽、數據收發和網絡休眠廣播的工作，在沒有直流穩壓電源持續供電同時利用5V，330mA單晶硅太陽能板通過充電電路給3節串聯的1.2V，2300mAh品勝充電電池充電的情況下，GPRS無線網關能夠進行持續有效工作166.5 hours，在測試的30多天時間里，出現5天陰雨天，其他時間陽光明媚；而在沒有直流穩壓電源持續供電和太陽能供電裝置供電的情況下，GPRS無線網關利用 3節充滿電的串聯的 1.2V，2300mAh品勝充電電池供電下只能進行持續有效工作46個小時，可見太陽能供電裝置在不能用直流穩壓電源持續供電情況下，能起到延長網關工作時間的目的。

5 結論與討論

本文在研究無線傳感器網絡的基礎上，提出了基于無線傳感器網絡的城市污水監測系統的構成方案，并在此基礎上構建的無線網絡平臺上進行了平臺運行實驗。實驗驗證了通過該系統進行無線水質監測的可行性。把無線傳感器網絡應用于水質監測中將會給環境監測事業帶來極大的方便.由于它可以在惡劣的環境下實現低功耗的長時間監測,其應用具有廣闊的應用前景.傳感器采集節點放置位置靈活,此項技術還可以方便地擴展應用于智能家居、水文檢測以及環境衛生等領域.。

[1]柴淑娟，趙建平.基于無線傳感器網絡的水質檢測系統的研究[J].曲阜師范大學學報,2010,1(36):75-77.

[2]杜治國，肖德琴，周運華等.基于無線傳感器網絡的水質監測系統設計[J].計算機工程與設計,2008,9(29):4568-4592.

[3]王翥，郝曉強，魏德寶.基于 WSN和 GPRS網絡的遠程水質監測系統[J].儀表技術與傳感器，2010，1(1):48-52.

[4]劉麗.基于Zigbee技術的無線傳感器網絡在水質監測系統中的應用[J].安徽職業技術學院學報,2009,8(1):14-17.

[5]段美霞,姚淑霞.基于 WinCE的水質檢測系統設計與實現[J].人民黃河,2010,32(5):60-61.

[6]楊樹興.基于ZigBee技術的水質實時監測系統的設計[J].中國信息科技，2009,12(24):102-104.

[7]李震，Wang Ning，洪添勝等.農田土壤含水率監測的無線傳感器網絡系統設計[J].農業工程學報，2010，26(2):212-217.

[8]張瑞瑞，趙春江.農田信息采集無線傳感器網絡節點設計[J].農業工程學報，2009，25(11)：213-218.

[9]馬婭婕，尹首一，田翔川.基于TinyOS 的多跳式傳感器網絡[J].計算機工程，2009(1):272-276.

[10]王鋒.城市水質安全監測系統的設計與實現[D].大連理工大學,2008,12.

[11]田杰,蒙建波.PH計前置放大器的設計與電磁兼容相關技術問題.自動化與儀器儀表,2007,6(134):59-61.

[12]國家環境保護總局.電導率水質自動分析儀技術要求[S].HJ/T97-2003,2003,3.

[13]雷杰,朱驥,馬學宗.智能溶解氧傳感器的設計與開發[J].儀器儀表與分析監測,2007,2,28-30.

[14]黃譚友,楊啟洪,廖繼海.太陽能升壓與電池充電控制電路的研究[J].實驗技術與管理,2007,24(12),35-36.

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技術創新專項資金項目(2009CD0078, 2009CD0079, 2009CD0080)。

陳強（1979－），碩士，主要研究方向：數據挖掘、無線傳感器網絡應用研究。

盧啟福（1984－），碩士，主要研究方向：無線傳感器網絡應用研究。fu2004358319@126.com

(責任編校:劉志壯)