基于WSNs的城市污水监测系统研究

2011-10-27陈强卢启福李亭毛亮刘国瑛

湖南科技学院学报 2011年4期

关键词：网关无线水质

陈强卢启福李亭，2 毛亮刘国瑛

（1.广州市强锋信息科技有限公司，广东广州，511400；2.中山火炬职业技术学院，广东中山，528436）

基于WSNs的城市污水监测系统研究

陈强1卢启福1李亭1，2毛亮1刘国瑛1

（1.广州市强锋信息科技有限公司，广东广州，511400；2.中山火炬职业技术学院，广东中山，528436）

为了实现城市污水水质的大范围、精确、自动化的监测，本文采用无线传感器网络(WSNs)技术和GPRS技术，在城市排水管道和污水汇流处布设无线传感器节点采集城市污水水质的多种参数数据，并通过GPRS无线网关对汇集数据进行远程发送，最后主机通过WSNs 数据管理软件接收远程发送而来的数据，提取有效数据数字化和图形化实时显示，以达到对城市污水水质的实时监测的目的。实验结果表明，本文研究开发的基于无线传感器网络的城市污水远程检测系统数据传输率高，系统稳定性高，达到研究开发目的。

农业信息化；污水监测；无线传感器网络；网关；数据采集与处理

目前国内污水检测的主要方法是检测人员到检测河流或者湖泊等地方采集样品，然后带回检测中心进行检测，这种检测方式人工成本高，效率低，并且污水检验缺乏时效性，污染源往往由于缺乏时效的检测难以进行确定，对污水治理、污染控制等工作造成极大的困扰。研究开发能够进行大范围远程自动化的城市污水检测系统显得非常必要和迫切。目前国内已有借助无线传感器网络进行污水检测的研究和应用[1-6]，主要论及无线传感器系统搭建[1], 网络设计与部署[2]和中继网关设计[3]，对传感器接口电路和传感器节能供电系统没有进行深入的研究。

本文为了实现污水的大范围精确自动化监测，针对目前国内已有借助无线传感器网络进行污水检测的研究存在的不足，提出了采用无线传感器网络(WSNs)技术，对城市排水管道和污水汇流处布设无线传感器节点进行城市污水的多参数成分含量监测，并通过GPRS网关对监测数据进行远程发送，通过WSNs 数据管理软件将远程发送而来的数据进行处理，实现实时的数字化、图形化显示，以达到城市污水的实时监测的作用，并且传感器接口电路和传感器节能供电系统进行了深入的研究。

1 水质检测系统框架与硬件设计

本系统由传感器节点，带 GPRS功能的无线网关和数据接收与管理上位机软件组成，以下图1和表1分别是传感器节点的系统硬件组成图和传感器节点主要器件的选型。

带GPRS功能的无线网关的硬件组成图如图2所示，其中无线收发模块由射频芯片CC1000及其外围电路组成，微处理器采用 ATMEGA128L，而 GSM 模块主要有 TC35i，SIM卡及其外围电路组成。

数据接收与管理上位机软件利用管理信息系统技术和Web数据库技术，采用JAVA语言进行开发。改软件具备数据接收与处理，实时显示节点采集参数、健康指数和网络拓扑图，并且实时将数据存储至数据库，通过 INTERNET可实时访问服务器查看数据库数据，必要时能将存储数据以多种格式导出以供分析研究。水质检测系统总体框架如图3所示。

2 系统软件设计

2.1 传感器节点软件设计

本系统的传感器节点软件开发，是基于tinyOS系统，利用NesC语言进行编程实现的。TinyOS采用基于组件式的架构形式[7]，其通信组件如图4 所示。

图1 传感器节点的系统硬件组成

图2 带GPRS功能的无线网关硬件组成图

表1 传感器节点主要器件的类型或选型

2.2 GPRS网关节点软件设计

网关节点上电后进行协议栈的初始化和硬件设备的初始化,包括GPRS模块的、CC1000的初始化和ATMEGA128L的初始化，然后构建网络。网关节点首先进行能量扫描,能量扫描由 MAC完成,依据信道的繁忙程度选择能量损耗低的一些信道作为建立网络的备用信道[3]。由网络层在合适的信道中选定信道。网络构建成功后,进入监控状态包括监控中心的计算的控制信号、传感器节点的无线信号和子节点加入网络信号,分别按照指令来执行相应操作。

图3 水质监测系统总体框架图

图4 多跳无线通信应用程序组件图

其中MyappM.cn为用户自定义，MyappM.cn接口文件结构如表2所示。

表2 MyappM.cn接口文件结构

3 传感器接口与供电系统设计

3.1 传感器接口设计

本系统对水质进行了多参数监测，包括水质温度，氯含量，PH值，电导率和溶解氧含量等参数的监测，因此传感器的选定和接口电路的设计对于水质参数数据的采集显得非常重要。本节主要介绍了PH传感器、溶解氧传感器和电导率传感器信号放送电路与温度补偿电路。

温度传感器接口采用两个热敏电阻并联的形式，信号输出端与主控芯片ATMEGA128L的ADC1端口连接，实现模拟输出信号进入ATMEGA128L的10位模数转换接口，将模拟信号转换成数字信号。

如图5所示，PH传感器接口电路采用了两种运算放大器CA3140和LM324。该接口电路采用了一个CA3140作为初始信号的放大器，CA3140的INPUT和INOUT_N接收输入数据，OUTPUT的输出信号一方面作为自身的反馈，另一方面作为由两个LM324组成的两级运算放大器的第一级IN_输入信号。第一级的输出作为第二级的IN_输入信号,两级的输出信号均作为反馈信号返回到IN_。信号经放大后，输入AD转换器转换。

图5 PH传感器接口电路

如图6所示，溶解氧传感器接口电路采用OP07作为运算放大器。OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调，高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号。本设计中，传感器采集的信号输入到OP07的-IN和+IN，经过放大后输出到AD转换器进行转换。

如图7所示，电导率传感器接口电路采用两级MCP6001作为传感器信号的放大电路，传感器采集的数据输入到第一级MCP6001的VinA-和VinA+,经第一级放大后输出到第二级的输入端VinA+,再经第二级放大后输出到AD转换器，两级的输出信号均作为反馈信号输入各自的VinA-引脚。

图7 电导率传感器接口电路

3.2 GPRS无线网关太阳能供电系统设计

太阳能供电系统为了解决无线传感器网络网关能量供给问题而设计的，本文提出了一种利用太阳能进行 GPRS无线网关供电的系统装置，目的在于给予GPRS无线网关长时间持续的供电，解决了干电池供电对GPRS无线网关长时间稳定监测限制的瓶颈问题。太阳能升压与充电控制模块电路图如图8所示。

如图8所示，太阳能升压与充电控制模块采用了采用了DC-DC转换集成IC并利用一定参数的电容、电阻和电感搭建外围电路来实现升压功能，并且采用稳压管、开关管和电阻元器件搭建电路实现太阳能充电功能，通过该电路，太阳能电池板产生的 0---3.5V的输入电压通过升压电路和充电电路给充电电池充电，当充电电池电压超过3.5V时，通过开关管迫使升压电路停止工作，从而使停止对蓄电池进行充电。

4 系统运行结果

4.1 实验条件

于华南农业大学校内地下管道井盖口布设污水监测的无线传感器网络节点，并在节点分布区域中心位置布置GPRS无线网关，由GPRS网关汇集数据发送至实验室主机。传感器节点数为 7个，网关数为 1个，利用GPRS无线网关广播功能实现7个节点同步休眠与同步唤醒功能，节点进行包括数据采集和数据传输的工作时间为 1分钟，之后进入29分钟的同步休眠期，即以30分钟为一个周期，同时工作1分钟，同时休眠29分钟，7个节点数据传输网络采用多跳路由方式，对于传感器接口电路的供电亦实现与节点工作方式同步，即在节点被唤醒之前5s实现电源对传感器供电，节点休眠时停止对传感器接口电路工作，在节点被唤醒之前提前5s实现对传感器供电，保证了节点进行数据采集时传感器信号的稳定性。CC1000 射频功率设置为1dBm（8dBm最大，-20dBm最小）。系统硬件分布如图 9所示。在本文中，太阳能充电电池采用 2节 1.5V，2300mAh非充电干电池给传感器节点供电，采用4节1.2V，2300mAh品胜充电电池作为充电电池并且给传感器接口电路供电，而太阳能板则采用5V，330mA单晶硅太阳能，GPRS无线网关则采用3V直流电供电。

图8 太阳能升压与充电控制模块电路

图9 系统硬件分布图

4.2 系统运行结果与讨论

根据以上实验条件于2010年1月15日至2010年7月3日对该系统从以下方面进行了系统运行实验：1）

1）节点数据包传输率试验

试验节点Node 1至Node 7以30分钟为一个周期，同时工作1分钟，同时休眠29分钟，在工作1分钟时间里，每4s节点发送1个数据包，数据通过无线网关发送至实验室主机，利用主机的数据接收与管理软件对数据包进行记录和存储，在节点能量供给正常情况下进行连续5天的实验，得到如下表3所示7个节点的平均数据包传输率。数据包传输率，如式（1），

式中：NR,pdr——试运行期内各节点数据包传输率，%，Nt ——试运行期内各节点应收数据包总数；Nr ——试运行期内各节点实收正确数据包总数。

表3 各节点平均数据包正确传输率

Node 4 83.6%Node 5 96.9%Node 6 97.9%Node 7 96.5%

Node 2由于道路树木的遮挡，试验开始两天传输正确率非常低，只能达到2%左右，经过第三天调整Node 2与旁边树木的相对位置之后，Node 2后三天的平均传输正确率达到91%，在各个节点MAC层协议、路由协议、采集与发送时间模式、工作周期相同的情况下，出现了数据包传输正确率的差别，除了受到放置位置影响，还受到各个节点电池差异性、物理硬件差异性等的影响。总体来说，系统各个节点的数据传输率较高，达到设计要求。

2）节点寿命测试试验

以与以上实验条件相同、节点工作模式和工作周期相同的条件进行节点寿命测试试验，实验时间从2010年1月26日至2010年6月3日，各节点的节点电压变化情况如下表4所示：

表4 各节点的节点电压变化情况

Node 3节点在7个节点中的电压下降幅度最大，经过分析，这是由于节点 3电池本身质量问题造成的，从表 1中可看出在以上实验条件、节点工作模式和工作周期相同的情况下，节点能够正常工作至少 4个月（节点电压下降至2.5V以下，工作采集和发送数据无效），可预想当适当调整MAC层协议、路由协议、采集与发送时间模式和工作周期时，可进一步延长节点正常工作时间。

3）GPRS网关工作稳定性和太阳能供电装置性能测试

直流电持续供电情况下：在以上试验中，通过直流稳压电源给GPRS无线网关持续供电，工作稳定。

利用本文所设计太阳能供电模块进行供电时，在与以上所述实验条件相同、节点工作模式和工作周期相同的条件下，GPRS无线网关持续进行利用主控芯片时钟计时进行90s的以30min为一个周期网络唤醒广播、监听、数据收发和网络休眠广播的工作，在没有直流稳压电源持续供电同时利用5V，330mA单晶硅太阳能板通过充电电路给3节串联的1.2V，2300mAh品胜充电电池充电的情况下，GPRS无线网关能够进行持续有效工作166.5 hours，在测试的30多天时间里，出现5天阴雨天，其他时间阳光明媚；而在没有直流稳压电源持续供电和太阳能供电装置供电的情况下，GPRS无线网关利用 3节充满电的串联的 1.2V，2300mAh品胜充电电池供电下只能进行持续有效工作46个小时，可见太阳能供电装置在不能用直流稳压电源持续供电情况下，能起到延长网关工作时间的目的。

5 结论与讨论

本文在研究无线传感器网络的基础上，提出了基于无线传感器网络的城市污水监测系统的构成方案，并在此基础上构建的无线网络平台上进行了平台运行实验。实验验证了通过该系统进行无线水质监测的可行性。把无线传感器网络应用于水质监测中将会给环境监测事业带来极大的方便.由于它可以在恶劣的环境下实现低功耗的长时间监测,其应用具有广阔的应用前景.传感器采集节点放置位置灵活,此项技术还可以方便地扩展应用于智能家居、水文检测以及环境卫生等领域.。

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