基于ZigBee技术的饮用水水源地水质远程监控系统

吴 蒋，任崇勋

（1.琼州学院电子信息工程学院，海南 三亚 572022；2.琼州学院学报编辑部，海南 五指山 572200）

城市作为经济和生活中心，污水排放量大，城市水环境面临的形势十分严峻。由于水质污染，全国约有50种疾病与饮用水水源污染直接相关，加上城市水体供水基础建设陈旧和管理不善，造成水资源的严重浪费。因此，构建针对水源地水质监控系统，将对国家的发展和社会的稳定意义深远[1-2]。

针对目前实际使用的各类水源地水质监控系统普遍存在网络布线困难、成本高及实时性差等问题，提出了基于ZigBee无线传感器网络的水源地水质监控系统，现场数据采集，通过GPRS和Internet，传输到远程数据监控中心[3-4]。该系统主要由低功耗微小无线传感器通过自组织方式构成，可利用网络节点功耗低、工作时间长、成本低等特点，实现低成本无人连续在线监控。同时，无线传感器网络节点布置密集，对每个监控点都有多个节点进行测量，可以通过数据融合提高数据精度，而单节点失效也不致影响测量效果，这种测量方式使得系统容错性强。

另外，无线传感器网络不仅可以进行监控，还可对指定区域进行查询，这些特点是传统在线监控系统所不具备的，结合张颖等提出的水质变化趋势评价体系[5]，对水质变化因子进行数据采集。

1 ZigBee技术介绍

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的通信技术。ZigBee的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，ZigBee技术就是以此作为新一代无线通讯技术的名称，主要应用于工业自动化、农业自动化、家庭智能控制、医疗设备控制、消费类电子产品、地震灾区救援等领域[6]。

1.1 ZigBee网络拓扑结构

根据不同的应用需求，ZigBee网络可以构建成星状拓扑和点对点对等拓扑，两种拓扑结构如图1所示，需要明确的是，无论是星状拓扑还是点对点拓扑，ZigBee网络都是无基础设施的网络，ZigBee网络中的协调器（PAN协调器）[7]完全不同于Wi-Fi网络中的接入点（AP），它是一个起网络控制中心作用的FFD（全功能设备），它不单为网络控制而存在，还可以有自己的应用。就功能而言，ZigBee协调器与扮演ZigBee路由器（FFD）和ZigBee终端（RFD）的ZigBee路由器（FFD）没有区别，只是根据构建网络的需要，ZigBee协调器这个ZigBee路由器（FFD）承担了控制中心的任务。当网络状态发生变化时，其他ZigBee路由器（FFD）也能承担起ZigBee协调器的任务。

1.2 典型的ZigBee节点硬件

随着ZigBee标准的发布，世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持ZigBee的节点模块。总结起来，一个典型的ZigBee节点硬件主要由微处理器、RF收发器和天线组成，ZigBee单芯片硬件模块结构见图2。

2 系统总体方案

2.1 系统开发目的

为实现以水源地水质基本信息为主的各项基础信息的快速查询、统计、分析、评价，实现污染迁移规律、污染状况评价结果的图形化动态演示、为管理部门即时提供取水口应急预案等重要管理信息；实时监测数据分析，及时将源水水质恶化等危险信息通过现代化网络通讯技术反馈给相关制水企业，最大限度控制水源污染后果。环境监测与管理工作人员能结合本系统提供的数据信息，从而为制定科学决策、即时采取措施控制污染、保障安全争取时间，减少损失。

2.2 系统设计思路

系统必须具备数据自动采集、远程传输、存储管理、网络发布、分析处理等功能。从逻辑结构上将系统划分为三大子系统：安装在现场的数据采集与远程传输子系统、服务器端数据接收与存储子系统、基于WEB的数据管理与查询子系统。总体结构如图3所示。

数据采集与远程传输子系统是由从节点、汇聚节点和带有GPRS Modem的采集终端组成。从节点用于采集现场数据，并通过ZigBee无线通信技术将其发送到汇聚节点，再由汇聚节点传输给终端模块，最终通过GPRS网络和INTERNET对接，将数据发送至远程数据监控中心。

服务器端数据接收与存储子系统，由MS SQLServer数据库服务器平台和运行在数据库服务器上的数据接收存储程序组成。该部分负责侦听指定端口，判断并识别数据采集终端发出的TCP Socket连接请求，如属于合法数据则存入数据库。

图3 基于ZigBee技术的水源地环境远程监控系统结构Fig.3 Structural diagram of ZigBee based telemonitoring system

基于Web的数据管理与查询子系统，是运行在Web服务器上的一套网络应用程序。该系统采用ASP动态网页技术，采用B/S模式设计，用户只要通过客户端浏览器即可访问此Web应用程序。授权用户登录访问时自动读取SQL Server数据库的相关数据，实现数据的实时显示、历史查询、数据下载和数据分析等综合功能。

3 系统设计与实现

3.1 数据采集与远程传输子系统

数据采集与远程传输子系统的采集终端主要由一部带有GPRS Modem的笔记本电脑构成，电脑中装有针对采集信息的分析软件，把汇聚节点传过来的数据进行加工融合，通过GPRS传输模块发送到监控中心。试验用的硬件平台我们采用宁波中科公司的GAINS平台，GAINS是典型工作频率为433 MHz的无线传感器网络硬件系列开发平台（频率可调），其通信速率可达 76.8 kb·s-1。其中GAINS-3的微控制器选用了ATMEL公司的低功耗控制器ATmega128L，无线收发器采用了Chipcon公司的低功耗射频收发器CC1000，传感器板被设计成可供水质质量检测数据（包括温度、pH值、化学物质浓度、负离子等）的传感器，环境参数信息通过分节点上的传感器采集，由原语从应用层传递到物理层，再由终端与协调器间的无线物理信道通过ZigBee协议传输到中心协调器，完成数据无线实时采集[8]，系统结构图如图4所示。

3.2 服务器端数据接收与存储子系统

在服务器端运行的数据接收程序采用VC++开发工具设计，由于其效率高、功能强大、灵活高效，是目前Windows平台上的主要开发工具之一。该程序采用B/S（Brower/Server）体系结构，主要功能是侦听Socket请求并建立网络连接，并将接收到的数据存储到指定IP地址的服务器数据库中，用户可以通过客户端浏览器（Brower）实现数据的浏览和下载、提取和更新等操作[9]。

3.3 基于Web的数据管理与查询子系统

通过采集终端处理后传回的水质信息，被服务器端数据库接收、存储，为方便用户实现对水质数据的浏览和下载、提取等操作，设计基于Web的数据管理与查询系统，以MS SQL Server作为数据库，应用ASP网络编程技术，通过网页制作工具制作查询界面，在网页浏览器中实现监测数据的快速查询。

4 讨论与结论

本文针对湖泊型水源地采用低成本无线传感器网络对水源地各个水源流入口进行监测，简化了设备安装布线，提高系统移动性和便捷性等方面效果十分显著，为水源地水质监测主管部门人员无论身在何处，只要通过联网计算机均可随时了解水源地水质因子的时间变化与空间分布，从而能够对水源地周边各种环境要素的科学管理提供第一手数据资料，对水源地水质和适宜进行诊断分析，结合专家管理经验，对现场管理和控制提供远程咨询和信息服务，真正实现远程诊断与管理。

通过研究和应用也表明，无线通信虽比有线通信优势大，但其在信号抗干扰、抗屏蔽、抗衰减性等方面仍存在先天不足。基于ZigBee的网络系统使用的是一种低功耗近距离的通信技术，因信号相对较弱，因此在系统设计时，要充分考虑到在环境复杂、障碍物较多时网络节点之间的有效通信距离等问题，例如增加网络节点数，改进通信算法，避免数据丢失率过高等。

饮用水水质检测过程非常严格，检测的对象因子多，一般情况下都要求在实验室中进行，还需配备专门的检测专家，这对于一些经济落后地区的水质监管部门来说很难办到，再加上落后的水质检测设备，这很大程度上给人们的健康带来了威胁，所以这种人工检测方法无论在空间上、时间上都有很大的弊端。本系统设计方案主要解决了水质检测在时间上和空间上的不足，系统可以实时对水源地水质进行监测，通过Internet把监测结果传送到配备先进检测设备和专家的监管部门，有效解决了经济落后地区水质检测难题。

[1]潘红.城市饮用水水源存在的问题与保护对策[J].中国高新技术企业,2009,115(4):154.

[2]陈炼钢,陈敏建,丰华丽.基于健康风险的水源地水质安全评价[J].水利学报,2008,39(2):235-236.

[3]孙忠富,曹洪太,李洪亮,等.基于GPRS和WEB的温室环境信息采集系统的实现[J].农业工程学报,2006,22(6):131-134.

[4]段治超,杜克明,孙忠富,等.基于ARM-Linux和GPRS的农业环境无线远程监控系统[J].农业网络信息,2008(6):12-15.

[5]张颖,杨伟光,吴昊,等.二龙山水库水质变化趋势评价研究[J].东北农业大学学报,2004,35(6):708-710.

[6]吴蒋,李壮,张运波.基于Zigee技术的地震灾区人员搜救系统[J].地球物理学进展,2008,23(4):1336-1339.

[7]瞿雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:9.

[8]彭燕,何东健.基于Zigbee技术的果园生态环境监测系统[J].农机化研究,2009,4(4):166-167.

[9]段治超,杜克明,孙忠富,等.基于ARM-Linux和GPRS的农业环境无线远程监控系统[J].农业网络息,2008(6):12-15.