基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廊坊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供水中心 張應(yīng)亮

在全球高速度發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，環(huán)境惡化與污染現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為制約人類社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素，其中水環(huán)境污染是當(dāng)下最亟待解決的問題。現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，許多公共事業(yè)和控制系統(tǒng)的研發(fā)方向，都開始轉(zhuǎn)向以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。就目前研究表明大部分網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的應(yīng)用是在短距離的場(chǎng)景中進(jìn)行設(shè)置，例如辦公樓和住宅區(qū)等，只能產(chǎn)生小范圍的布控和監(jiān)測(cè)[1]。

一、水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)pH調(diào)理電路

本文選用上海雷磁生產(chǎn)的I40-RT復(fù)合型pH傳感器，利用電極之間的微弱電差變化，將玻璃電阻放置在調(diào)理電路中實(shí)現(xiàn)高抗電阻的輸入，得出正確電壓信號(hào)，具體電路如圖1所示。

圖1 PH調(diào)理電路

圖1中所示此次放置的電極內(nèi)阻最高值為107歐，直流電電壓為6V，兩端電極的正負(fù)極分別連接了負(fù)荷放大器的雙路引腳，使信號(hào)在通過FD344放大電路時(shí)獲取該位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)pH值的準(zhǔn)確測(cè)量。

（二）設(shè)計(jì)溶解氧調(diào)理電路

溶解氧的準(zhǔn)確測(cè)量方法和酸堿度測(cè)量類似，均采用電極法將氧分子透過薄膜電極直接接觸，利用擴(kuò)散速度將氧分子分解成正比關(guān)系，使透膜的氧在負(fù)極端產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成電流[2]。此次選取YU780傳感器作為電化學(xué)原電池式，測(cè)量溶氧的輸出電壓控制在6-12mv之內(nèi)，主要調(diào)理電路由低波過濾電路為基礎(chǔ)，加入兩個(gè)GI721芯片提供驅(qū)動(dòng)電壓。

在第一級(jí)濾波經(jīng)過時(shí)設(shè)置YU1、YU2與0I三個(gè)短頻轉(zhuǎn)點(diǎn)裝置，去除雜質(zhì)信號(hào)。在通過調(diào)零設(shè)定將+7V電壓轉(zhuǎn)化成-7V電壓，轉(zhuǎn)化正負(fù)關(guān)系完成輸出信號(hào)的控制。

二、水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）虛擬力算法構(gòu)建測(cè)量模型

為避免測(cè)量模型受電磁影響和噪聲干擾，在建立模型初始階段加入抗干擾效應(yīng)，設(shè)置每個(gè)等待設(shè)定的傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)的半徑及通訊半徑相同，在此基礎(chǔ)上獲取參數(shù)范圍[3]。每個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)范圍會(huì)被劃分為二維網(wǎng)格，這個(gè)網(wǎng)格之間會(huì)形成一段距離，此距離的選取需滿足平衡虛擬力的計(jì)算概率要求。兩個(gè)傳感器之間按照節(jié)點(diǎn)不同所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)不一致，根據(jù)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)h與k之間距離s計(jì)算公式為：

公式中，Q表示衡量外界的環(huán)境干擾參數(shù)；(za,ja)表示節(jié)點(diǎn)h的坐標(biāo)；(z,j)表示節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)k；ua表示傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域。通過傳感器的監(jiān)測(cè)范圍和距離計(jì)算得出最終傳感器網(wǎng)絡(luò)最終布控效果的疏密程度，根據(jù)該測(cè)量模型完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定，進(jìn)而控制采集數(shù)據(jù)流程。

（二）基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)采集流程

將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在無線網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)該節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)采集任務(wù)進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的采集工作。流程分為兩部分。一是信號(hào)的接收程度設(shè)定，在發(fā)送信號(hào)請(qǐng)求加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)能否對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送操控命令，正確接受和識(shí)別數(shù)據(jù)內(nèi)容。二是對(duì)于等待的信息能否通過匯集節(jié)點(diǎn)完成分類，完成終端發(fā)送執(zhí)行指令。具體工作表述為在程序開始前初始化設(shè)備，對(duì)內(nèi)部待測(cè)定的組合14位AC模塊建立多通道監(jiān)測(cè)路徑，在每個(gè)路徑內(nèi)設(shè)置終端ID號(hào)碼查找，等待終端發(fā)現(xiàn)特定的ID碼后才能同意終端加入網(wǎng)絡(luò)。在開啟終端設(shè)備時(shí)在路徑內(nèi)設(shè)定定時(shí)信號(hào)，并加入指示燈閃爍功能，在數(shù)據(jù)任務(wù)進(jìn)入流程循環(huán)中，可以根據(jù)指示燈的閃爍顏色判斷是否存在危險(xiǎn)事件，利用優(yōu)先處理危機(jī)事件原則對(duì)重點(diǎn)數(shù)據(jù)先一步進(jìn)行輸送，完成串口段發(fā)送流程。

（三）處理采集后節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)

此次選擇數(shù)據(jù)的核心處理器TUmaedsa415，并加入CO/SU雙操作系統(tǒng)，能夠保證處理過程中的數(shù)據(jù)共享功能。在不同大小的內(nèi)存任務(wù)分配過程中，要對(duì)已經(jīng)完成的任務(wù)回收儲(chǔ)存，減少未處理數(shù)據(jù)的延緩等待時(shí)間。此過程必須滿足三個(gè)任務(wù)要求，第一是處理器的模塊測(cè)量電流必須在SYR協(xié)議的基礎(chǔ)上讀取由轉(zhuǎn)換器變換后的信號(hào)數(shù)字，控制中心數(shù)據(jù)傳感器。第二是在工作模式中加入看門狗板塊保證處理程序的正確運(yùn)行，當(dāng)該程序無法定時(shí)喂狗時(shí)，所有數(shù)據(jù)將不再進(jìn)行傳輸任務(wù)，直接停留在串口處等待。第三是通信板塊在任務(wù)向該板塊發(fā)送指令時(shí)，需要將接收到的數(shù)據(jù)信息完成處理并轉(zhuǎn)回至無線通信網(wǎng)絡(luò)串口，將各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行交換。

三、實(shí)驗(yàn)論證分析

（一）搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有實(shí)用性，通過試驗(yàn)檢測(cè)的方式檢驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程此次選擇室內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前提如下。采用4個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)點(diǎn)分成兩組，第一組裝置標(biāo)記為T1、T2和T3用來監(jiān)測(cè)污染物，TI連接水體樣本PH值傳感器，T2連接溶解氧傳感器，T3連接渾濁度傳感器。第二組裝置作為傳輸節(jié)點(diǎn)，以串口和計(jì)算機(jī)相連的方式協(xié)調(diào)傳感器所得數(shù)據(jù)的傳輸工作，標(biāo)記為S1。每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為4公里，組成的線性結(jié)構(gòu)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上連接好污染物監(jiān)測(cè)傳感器，其獲取數(shù)據(jù)能夠直接顯示在計(jì)算機(jī)屏幕中，但受實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地限制，此次連接的3個(gè)傳感器在數(shù)據(jù)傳輸中按照排列順序依次進(jìn)行，即從T1至T3節(jié)點(diǎn)。在將數(shù)據(jù)包統(tǒng)一匯集到S1節(jié)點(diǎn)處，與串口相連調(diào)試完成數(shù)據(jù)輸送和顯示，為更加直觀地感受到數(shù)據(jù)，利用Visual-Studio平臺(tái)連接串口獲取數(shù)據(jù)。

（二）污染物監(jiān)測(cè)過程

在完成測(cè)試環(huán)境搭建后，將三個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器放置在測(cè)試樣本中，直接將實(shí)驗(yàn)室自來水作為此次監(jiān)測(cè)的水質(zhì)樣本。為了更好地判斷新系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力，以十分鐘作為時(shí)間間隔，向水質(zhì)樣本中加入等量的石灰溶液與酸性飲料。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間控制在1小時(shí)內(nèi)，通過節(jié)點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)水質(zhì)pH值、溶解氧溶度以及渾濁度數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖中顯示結(jié)果可知，在設(shè)置好的時(shí)間間隔內(nèi)，三個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器均能在第一時(shí)間測(cè)出水中污染物含量，表明該系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用效果。在1小時(shí)測(cè)試時(shí)間結(jié)束后將混合而成的水質(zhì)樣本靜置，不再添加任何液體。

（三）測(cè)試結(jié)果分析

選取標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備對(duì)靜置后的污染物進(jìn)行測(cè)量，具體指標(biāo)結(jié)果如下：pH值6.42、渾濁度130NTU、溶氧量4.24ppm，實(shí)際測(cè)量結(jié)果在±2范圍內(nèi)表示合格。為進(jìn)一步了解此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過程中獲取的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，利用S1號(hào)節(jié)點(diǎn)連接三個(gè)傳感器，通過串口調(diào)試獲取綜合數(shù)據(jù)，進(jìn)行5次時(shí)間間隔為1分鐘的測(cè)量。

根據(jù)圖中所得數(shù)據(jù)值可知，通過本次設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的污染物數(shù)據(jù)值與專業(yè)設(shè)備測(cè)量的結(jié)果無明顯差異，均在測(cè)量合理范圍內(nèi)。綜合兩輪測(cè)試說明該系統(tǒng)具有一定的適用性和可靠性，能夠進(jìn)行水環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

四、結(jié)束語

本次研究立足于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合虛擬力算法的優(yōu)勢(shì)，建立了全新的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效對(duì)水中污染物的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并傳輸至監(jiān)測(cè)站。在研究過程中重新設(shè)計(jì)了測(cè)量污染物傳感器的調(diào)理電路，根據(jù)虛擬力算法的距離差值完成測(cè)量模型的構(gòu)建，解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的布控問題，有效完成對(duì)污染物數(shù)據(jù)的采集和處理工作，綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在4公里的距離下完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但受個(gè)人知識(shí)水平的限制，研究成果仍有不足，在后續(xù)研究中會(huì)對(duì)電能再生和監(jiān)測(cè)維度方面進(jìn)行改進(jìn)，提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)的完整性。

相關(guān)鏈接

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)通過無線通信技術(shù)把數(shù)以萬計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)以自由式進(jìn)行組織與結(jié)合進(jìn)而形成的網(wǎng)絡(luò)形式。構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)的單元分別為：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元以及能量供應(yīng)單元。其中數(shù)據(jù)采集單元通常都是采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息并加以轉(zhuǎn)換，比如光強(qiáng)度跟大氣壓力與濕度等；數(shù)據(jù)傳輸單元?jiǎng)t主要以無線通信和交流信息以及發(fā)送接收那些采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)信息為主；數(shù)據(jù)處理單元通常處理的是全部節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議和管理任務(wù)以及定位裝置等；能量供應(yīng)單元為縮減傳感器節(jié)點(diǎn)占據(jù)的面積，會(huì)選擇微型電池的構(gòu)成形式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)分為兩種，一個(gè)是匯聚節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是傳感器節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)主要指的是網(wǎng)關(guān)能夠在傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)中將錯(cuò)誤的報(bào)告數(shù)據(jù)剔除，并與相關(guān)的報(bào)告相結(jié)合將數(shù)據(jù)加以融合，對(duì)發(fā)生的事件進(jìn)行判斷。匯聚節(jié)點(diǎn)與用戶節(jié)點(diǎn)連接可借助廣域網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星直接通信，并對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。