基于无线传感网络的远程水环境中参数实时监测

李金胜+周圆+程杰

摘 要：针对目前水环境污染状况的日益恶化的问题，采用无线传感器网络，通过节点传感器采集水环境中离子浓度、盐度、电导率、温度等参数来实现实时监测。传感器网络节点一跳或多跳方式自组织网络，汇聚节点将传感器网络节点采集的数据通过GSM/GPRS发送至上位机。上位机对数据进行分析处理，实现对水环境中各项参数的实时监测。实验表明该系统具有成本低廉、移植性好、实时性强的效果。

关键词：无线传感器网络;汇聚节点;水环境;实时监测

中图分类号：TP393      文献标志：A        文章编号：2095-1302（2014）12-00-03

0  引  言

随着工业化的发展，水环境的状况越来越恶劣。实时监测水环境中的各项参数对水环境本身有着重要的意义。

目前针对水环境的数据采集有两种主要方式：一是建立观测站，其破坏性大、监测实时性不强、成本高、移植性差。二是人工取水样，采集至实验室分析，其劳动强度大、采集时间长、数据不准确且受天气、地域、时间等限制。本文提出采用无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN）实现实时监测水环境中各项参数。WSN具有成本低廉、移植性好、实时性强的特点。系统包括节点、汇聚节点、上位机三部分的设计。它采用ZigBee协议自动组网和将CC2530作为主控芯片对水环境参数监测的节点及汇聚节点的软硬件进行了设计，汇聚节点收集各个节点的采集数据，然后通过GSM/GPRS传送至上位机平台。上位机平台的软件对传感器节点采集的参数信息和节点本身信息作相应的数据分析与处理，实现实时监测水环境中的参数、污染物排放情况、水质情况以及水环境中突发状况。整个系统实现了无线传感器网络的远程水环境参数实时监测。

1  水环境中参数实时监测系统概述

本文提出的水环境中参数实时监测节点主要应用于建立河流水库等大范围、具有自组网络、动态拓扑、多跳传输和自修复功能的基于无线传感网络的ZigBee自动组网和GSM/GPRS实时传输的系统，如图1所示。

WSN系统包括了节点、汇聚节点、网关及处理平台。其中节点采用人工的方式均匀部署，WSN通过ZigBee协议自组织网络，节点采集数据传送给汇聚节点，汇聚节点再通过GSM/GPRS传输到远端的水质监控中心，之后将由监测管理计算机负责对数据进行数据整理、数据分析比较与数据存储工作。一旦数据出现异常，则提示操作人员注意对应区域的环境状况，从而实现远程实时监测[1]。

图1  WSN系统示意图

无线传感网络节点可根据水环境中参数实时监测要求，安装在河流、水库、工业废水排污口等地点并以野外无人值守方式工作，通过传感器采集监测水环境区域中的离子浓度、盐度、电导率、浓度等的参数。为了建成一个针对不同测试环境可任意组合的多功能实时监测无线传感网络节点平台，设计需求如下：

（1）多种指标监测：依据各行业废水参数主要在线监测指标可知，对于不同区域的水质，所需要测量的指标也不同。要求同时监测多种水质指标，并根据不同区域选择不同的传感器组合。

（2）节点电源模式：由于监测网络节点安装在户外，分布较散，只能采用电池电源供电。为延长网络的生命周期，在软件上优化或采用太阳能供电。

（3）多拓扑多节点无线通信：为实施对某片水域的水环境参数进行实时监测，需要在目标流域内部署无线传感网络节点，各节点将采集到的参数传送到中央控制系统，从而完成目标流域的数据采集。因处于不同的监测环境，节点的空间分布差异较大，例如对水库湖泊环境的监测，需要将大量监测节点在水域内均匀分布;对江河流域水质的监测，则需要将他沿着河岸分布，形成链状结构;若是监测排污口，则节点主要分布于排污口附近区域。因此要求监测网络节点可实现多种拓扑结构连接，并实现多节点接力通信的功能。

（4）设备成本：传感器无线网络需要大量节点，因此应考虑成本问题，尽可能精简设计，降低节点的总成本。

2  无线传感网络节点设计

2.1  系统结构

汇聚节点核心模块由主控MCU STC89C52和ZigBee通信模块CC2530组成，普通节点由CC2530外围连接若干种针对不同监测项目的传感器，通过这些传感器实现对不同测试环境可任意组合的无线传感网络监测系统，不同水环境可选择不同的传感器组; ZigBee网络管理和数据收发主要由CC2530模块负责，利用Z-Stack协议栈的API接口，模块实现了ZigBee无线网络的动态组网、网络自恢复、数据发送和数据接收等任务[2];传感器模块的接口按照标准的工业通信接口设计，保证了设计的标准化和平台化，具有良好的可扩展性和可移植性。系统流程图如图2所示。参数检测传感器所采集的数据通过信号调理电路，若为数字信号则直接送至CC2530单片机;若为模拟信号则需先经信号调理电路放大、滤波，再发送给CC2530的内置AD转换器。CC2530节点自动组网络通过RS 232接口与汇聚节点中的主接芯片STC89C52连接。汇聚节点接GSM模块，该模块通过GPRS将数据以无线方式发送至上位机，上位机再将数据存储并分析。

图2  数据流向图

2.2  传感器节点硬件设计

2.2.1  节点设计

ZigBee无线通信模块选用德州仪器（TI）ZigBee处理芯片CC2530，该芯片是专为ZigBee及IEEE 802.15.4应用设计的SoC芯片。CC2530适用于有低功耗工作需求的设备，具有多种低功耗操作模式，通过设置芯片内部的电源管理控制器可关闭芯片部分内部时钟和射频模块的电源，使芯片进入不同程度的低功耗模式，并且可以在各种低功耗模式间进行快速切换，进一步降低电流损耗。CC2530的8051内核通过芯片中设置的RF指令集处理数据收发、中断、DMA和FIFO等硬件抽象层的工作。CC2530在应用层到硬件抽象层之间加入了Basic RF层，对CC2530进行ZigBee数据传输的编程时，利用Basic RF层提供的通信API函数，可以极为便捷地实现用户的程序工作量，无需进行硬件抽象层的各种繁杂设置和状态处理[3]。

汇聚节点中主控MCU选择的是STC89C52和CC2530。STC89C52与CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其适用于使用电池供电，要求长时间工作的场合。汇聚节点负责各个节点的数据接收、发送以及收发命令。

本设计方案将STC89C52与CC2530结合，通过UART接口与ZigBee模块通信把得到的数据通过GSM/GPRS传输到上位机，监测数据的无线发送与命令接收。

2.2.2  传感器模块

传感器模块是监测水环境参数的关键。用户可根据不同的水环境选择监测不同的参数。主要监测数据有离子浓度、盐度、电导率和温度。其中，离子浓度、盐度和温度传感器为购置传感器，电导率传感器为自制传感器，下文将详细介绍该传感器，其他传感器忽略。

电导率传感器是由一根铁棒和一根黄铜棒组成，根据相关化学知识可知，两个金属棒在水体中会发生阳离子和阴离子的移动，产生电流形成恒流源。若在两个金属棒上串联一个阻值合适的精密电阻，则可监测污染物排放后水体的导电性能。金属物含量多的废液的排放将会改变水的导电性能，该排放物浓度越高，水的导电性能越好。具体过程为，排放污染物越多，排放位置的一些酸碱性的离子就越多，产生的电流越大，导电性能就越好。再通过污染物扩散，传感器节点测得各点位置的导电率后可实时预估污染源的位置及污染程度。自制电导率传感器如图3所示。

图3  电导率传感器模块

2.2.3  电源模块

结合无线传感网络节点对电源系统要求的低功耗、长时间工作、低成本的特点，节点电源选择了锂亚硫酰氯电池ER34615（铅酸蓄电池能量小、重量大、对环境腐蚀性强、电解液需要定期维护，同时太阳能电池成本高、体积大，因此具有高性能、高可靠性、工作温度范围广等特点的锂亚硫酰氯电池是更好的选择）在本设计中，汇聚节点由STC89C52和CC2530组成。普通节点仅用CC2530。采用ZigBee低功耗设计，在节点采集、传输数据时进入工作模式，传输完成后进入节能模式，可大幅度降低系统的能量损耗，并且配合高能量密度的锂电池使用，可以满足长时间工作的要求，且有效降低节点的体积和重量[4]。

2.3  节点软件设计

基于无线传感网络的监测节点主要利用单片机STC89C52和ZigBee通信模块CC2530负责信息的采集控制与无线网络传输。CC2530负责采集节点上各个水环境中参数实时监测传感器的数据并对每个数据进行测量值到理化值的数据转换[5]，然后再按一定格式打包，通过UART接口发送到STC89C52单片机，最后经过GSM/GPRS模块向远程上位机进行传输;ZigBee模块由主控单片机发送初始化自组网命令和自恢复命令，实现初始组网与自动检测恢复，负责网络组网与连接[6]。软件工作流程见图4。每个传感器节点具有简单的分布式处理数据的能力。如对监测数据的比较，可知是否有参数超标，若有则预警，若无则连接网络发送数据。同时也有优化软件，使其功耗最小化。

3  结  语

本文将无线传感网络与水环境参数监测相结合，利用ZigBee无线传感网络实现自组网与通信，而使得无线传感器节点可以大范围铺设，不受区域限制，可实现其对水环境中各类参数的实时采集。同时也可以作为工业农业生产中参数的实时监测。

图4   节点软件流程图

参考文献

[1]史兵， 赵德安， 刘星桥，等. 基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J].农业工程学报， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吴键， 袁慎芳. 无线传感器网络节点的设计和实现[J]. 仪器仪表学报， 2006，27（9）：1120-1124.

[3]韩蓓， 盛戈皞， 江秀臣，等.基于ZigBee无线传感网络的导线接头在线测温系统[J]. 电力系统自动化， 2008， 32（16）：72-77.

[4]赵刚， 侯立刚， 罗仁贵，等. 无线传感网络中低功耗处理器的设计和优化[J].半导体学报， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡爱娜. 基于能耗均衡的无线传感网络自适应数据存取算法[J]. 电子科技大学学报， 2014 （2）： 235-240.

[6]张荣标，冯友兵. 基于IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring

汇聚节点中主控MCU选择的是STC89C52和CC2530。STC89C52与CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其适用于使用电池供电，要求长时间工作的场合。汇聚节点负责各个节点的数据接收、发送以及收发命令。

本设计方案将STC89C52与CC2530结合，通过UART接口与ZigBee模块通信把得到的数据通过GSM/GPRS传输到上位机，监测数据的无线发送与命令接收。

2.2.2  传感器模块

传感器模块是监测水环境参数的关键。用户可根据不同的水环境选择监测不同的参数。主要监测数据有离子浓度、盐度、电导率和温度。其中，离子浓度、盐度和温度传感器为购置传感器，电导率传感器为自制传感器，下文将详细介绍该传感器，其他传感器忽略。

电导率传感器是由一根铁棒和一根黄铜棒组成，根据相关化学知识可知，两个金属棒在水体中会发生阳离子和阴离子的移动，产生电流形成恒流源。若在两个金属棒上串联一个阻值合适的精密电阻，则可监测污染物排放后水体的导电性能。金属物含量多的废液的排放将会改变水的导电性能，该排放物浓度越高，水的导电性能越好。具体过程为，排放污染物越多，排放位置的一些酸碱性的离子就越多，产生的电流越大，导电性能就越好。再通过污染物扩散，传感器节点测得各点位置的导电率后可实时预估污染源的位置及污染程度。自制电导率传感器如图3所示。

图3  电导率传感器模块

2.2.3  电源模块

结合无线传感网络节点对电源系统要求的低功耗、长时间工作、低成本的特点，节点电源选择了锂亚硫酰氯电池ER34615（铅酸蓄电池能量小、重量大、对环境腐蚀性强、电解液需要定期维护，同时太阳能电池成本高、体积大，因此具有高性能、高可靠性、工作温度范围广等特点的锂亚硫酰氯电池是更好的选择）在本设计中，汇聚节点由STC89C52和CC2530组成。普通节点仅用CC2530。采用ZigBee低功耗设计，在节点采集、传输数据时进入工作模式，传输完成后进入节能模式，可大幅度降低系统的能量损耗，并且配合高能量密度的锂电池使用，可以满足长时间工作的要求，且有效降低节点的体积和重量[4]。

2.3  节点软件设计

基于无线传感网络的监测节点主要利用单片机STC89C52和ZigBee通信模块CC2530负责信息的采集控制与无线网络传输。CC2530负责采集节点上各个水环境中参数实时监测传感器的数据并对每个数据进行测量值到理化值的数据转换[5]，然后再按一定格式打包，通过UART接口发送到STC89C52单片机，最后经过GSM/GPRS模块向远程上位机进行传输;ZigBee模块由主控单片机发送初始化自组网命令和自恢复命令，实现初始组网与自动检测恢复，负责网络组网与连接[6]。软件工作流程见图4。每个传感器节点具有简单的分布式处理数据的能力。如对监测数据的比较，可知是否有参数超标，若有则预警，若无则连接网络发送数据。同时也有优化软件，使其功耗最小化。

3  结  语

本文将无线传感网络与水环境参数监测相结合，利用ZigBee无线传感网络实现自组网与通信，而使得无线传感器节点可以大范围铺设，不受区域限制，可实现其对水环境中各类参数的实时采集。同时也可以作为工业农业生产中参数的实时监测。

图4   节点软件流程图

参考文献

[1]史兵， 赵德安， 刘星桥，等. 基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J].农业工程学报， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吴键， 袁慎芳. 无线传感器网络节点的设计和实现[J]. 仪器仪表学报， 2006，27（9）：1120-1124.

[3]韩蓓， 盛戈皞， 江秀臣，等.基于ZigBee无线传感网络的导线接头在线测温系统[J]. 电力系统自动化， 2008， 32（16）：72-77.

[4]赵刚， 侯立刚， 罗仁贵，等. 无线传感网络中低功耗处理器的设计和优化[J].半导体学报， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡爱娜. 基于能耗均衡的无线传感网络自适应数据存取算法[J]. 电子科技大学学报， 2014 （2）： 235-240.

[6]张荣标，冯友兵. 基于IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring

汇聚节点中主控MCU选择的是STC89C52和CC2530。STC89C52与CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其适用于使用电池供电，要求长时间工作的场合。汇聚节点负责各个节点的数据接收、发送以及收发命令。

本设计方案将STC89C52与CC2530结合，通过UART接口与ZigBee模块通信把得到的数据通过GSM/GPRS传输到上位机，监测数据的无线发送与命令接收。

2.2.2  传感器模块

传感器模块是监测水环境参数的关键。用户可根据不同的水环境选择监测不同的参数。主要监测数据有离子浓度、盐度、电导率和温度。其中，离子浓度、盐度和温度传感器为购置传感器，电导率传感器为自制传感器，下文将详细介绍该传感器，其他传感器忽略。

电导率传感器是由一根铁棒和一根黄铜棒组成，根据相关化学知识可知，两个金属棒在水体中会发生阳离子和阴离子的移动，产生电流形成恒流源。若在两个金属棒上串联一个阻值合适的精密电阻，则可监测污染物排放后水体的导电性能。金属物含量多的废液的排放将会改变水的导电性能，该排放物浓度越高，水的导电性能越好。具体过程为，排放污染物越多，排放位置的一些酸碱性的离子就越多，产生的电流越大，导电性能就越好。再通过污染物扩散，传感器节点测得各点位置的导电率后可实时预估污染源的位置及污染程度。自制电导率传感器如图3所示。

图3  电导率传感器模块

2.2.3  电源模块

结合无线传感网络节点对电源系统要求的低功耗、长时间工作、低成本的特点，节点电源选择了锂亚硫酰氯电池ER34615（铅酸蓄电池能量小、重量大、对环境腐蚀性强、电解液需要定期维护，同时太阳能电池成本高、体积大，因此具有高性能、高可靠性、工作温度范围广等特点的锂亚硫酰氯电池是更好的选择）在本设计中，汇聚节点由STC89C52和CC2530组成。普通节点仅用CC2530。采用ZigBee低功耗设计，在节点采集、传输数据时进入工作模式，传输完成后进入节能模式，可大幅度降低系统的能量损耗，并且配合高能量密度的锂电池使用，可以满足长时间工作的要求，且有效降低节点的体积和重量[4]。

2.3  节点软件设计

基于无线传感网络的监测节点主要利用单片机STC89C52和ZigBee通信模块CC2530负责信息的采集控制与无线网络传输。CC2530负责采集节点上各个水环境中参数实时监测传感器的数据并对每个数据进行测量值到理化值的数据转换[5]，然后再按一定格式打包，通过UART接口发送到STC89C52单片机，最后经过GSM/GPRS模块向远程上位机进行传输;ZigBee模块由主控单片机发送初始化自组网命令和自恢复命令，实现初始组网与自动检测恢复，负责网络组网与连接[6]。软件工作流程见图4。每个传感器节点具有简单的分布式处理数据的能力。如对监测数据的比较，可知是否有参数超标，若有则预警，若无则连接网络发送数据。同时也有优化软件，使其功耗最小化。

3  结  语

本文将无线传感网络与水环境参数监测相结合，利用ZigBee无线传感网络实现自组网与通信，而使得无线传感器节点可以大范围铺设，不受区域限制，可实现其对水环境中各类参数的实时采集。同时也可以作为工业农业生产中参数的实时监测。

图4   节点软件流程图

参考文献

[1]史兵， 赵德安， 刘星桥，等. 基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J].农业工程学报， 2011， 27（9） ： 136-140.

[2]吴键， 袁慎芳. 无线传感器网络节点的设计和实现[J]. 仪器仪表学报， 2006，27（9）：1120-1124.

[3]韩蓓， 盛戈皞， 江秀臣，等.基于ZigBee无线传感网络的导线接头在线测温系统[J]. 电力系统自动化， 2008， 32（16）：72-77.

[4]赵刚， 侯立刚， 罗仁贵，等. 无线传感网络中低功耗处理器的设计和优化[J].半导体学报， 2006， 27（z1）：370-373.

[5]胡爱娜. 基于能耗均衡的无线传感网络自适应数据存取算法[J]. 电子科技大学学报， 2014 （2）： 235-240.

[6]张荣标，冯友兵. 基于IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2008，39（8）：119-122，127.

Wireless sensor network based remote real-time monitoring of parameters in water environment

LI Jin-sheng， ZHOU Yuan， CHENG Jie

（Information Science and Engineering College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： With the present status of water environment deterioration， the wireless sensor network is used to realize real-time monitoring by collecting the parameters such as ionic concentration， salinity， conductivity and temperature through node sensors. The sensor network node is single-hop or multi-hop Ad-hoc network. The collected data are sent to the upper computer by sink-node via GSM/GPRS. Then the data are analyzed and processed by the upper computer， so as to realize the real-time monitoring of various parameters in water environment. The experimental results show that the system is of the characteristics of low cost， good portability and strong real-time.

Keywords： wireless sensor network; sink-node; water environment; remote monitoring