基于WSNs的巢湖水质监测系统的设计

童晓红陈 玲徐 伟李恒胜杨 磊

(1 合肥职业技术学院计算机应用技术系，安徽 合肥 238000）

(2 安徽斯玛特物联网科技有限公司，安徽 合肥 231000）

基于WSNs的巢湖水质监测系统的设计

童晓红1陈 玲1徐 伟1李恒胜1杨 磊2

(1 合肥职业技术学院计算机应用技术系，安徽 合肥 238000）

(2 安徽斯玛特物联网科技有限公司，安徽 合肥 231000）

介绍了基于无线传感器网络(WSNs)的巢湖水质监测系统。通过ZigBee无线技术与wifi、GPRS等通信技术对数据进行接收与远程通信，实现对水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度等数据的定时采集、处理、远程存储、显示和实时分析并预警。并通过实验测试，取得实质性成果。

无线传感器网络；ZigBee；Wifi；GPRS；水质监测

巢湖位于安徽省皖江城市带承接产业转移示范区重点区域中。近年来经济社会持续高速发展的同时，水质环境问题显得日益突出。我国环保部《2010年—2020年先进的环境监测预警体系建设纲要》要求对全国重点湖库、饮用水水源地水质等实现自动监测。本文提出的基于无线传感器网络对巢湖现有水质建立实时监测系统的设计，具有覆盖范围广、组网灵活、野外多种电源供电设计、远程数据多形式发送与存储[1]、可在各类复杂环境下通过分布固定基站及浮标节点对巢湖水质进行不间断实时监测与峰值预警等特点，对未来环巢湖整体湖面水域真正实现智能、实时的监测预警具有一定的借鉴价值与指导意义。

1 系统结构

目前国内基于无线传感器网络(WSNs）的环境监测系统的网络结构基本为监测中心、基站、网关、传感器节点等[2]。传输方法有直接传输、采用Zigbee、IEEE802.15.4等。本文着重从电源模块种类、传感器选择、数据采集与数据通信、数据存储、系统设计等方面阐述多参数实时水质自动监测系统的设计，系统基本结构如图1。

2 系统设计

由于系统具有多路传感器集成模块和一路根据不同野外采样环境特定性要求采用的通信集成模块，为了避免信号间的相互干扰，在电源管理模块的设计上要考虑相互隔离，以提高系统的可靠性。在电源供给方式上，由于环巢湖野外环境的要求，固定采集点(包括国家在环巢湖区域设定的8个一级节点）可以通过市电直接供电(转换成系统要求的24 V、12 V与5 V），不具有市电供给的采集点可选太阳能供电及蓄电储放系统、锂电、干电供给方式等技术解决。

这里要着重提及太阳能供电系统，包括太阳能电池板、充电控制器和蓄电池构成[3]。在有阳光的时候，太阳能电池板给电池充电，同时电池维持系统正常运行;在没有阳光的时候，电池则依靠本身所存储的能量维持系统的正常运行。系统功耗主要是24 V、12 V及部分5 V供电。考虑到水质现场周边环境扬尘、水雾影响光电转换效率等因素，最终选择的太阳能电池板功率为110 W (2块55 W太阳能电池板并联），且系统的低功耗设计使监测子系统完全无需市政供电[4]。

国家环保总局于2003年3月28日发布了环保行业标准《水质自动分析仪技术要求》(HJ/T96-104-2003），并于2003年7月1日实施。该标准共包括9个水质参数的自动分析仪技术要求，即pH值、电导率、浊度、溶解氧(DO）、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷和总有机碳(TOC）[5]，这一标准的实施，保证了水质自动监测系统设计的规范化要求。巢湖为国家重点建设的河湖水质自动监测系统实验区，日前国家级8个剖面单价百万元的多参数水质分析仪浮标站正加紧建设，本项目基于多传感器移动式监测显得特别必要与及时。

传感器的选择主要考虑通信数据接口的选型 (RS485、RS232、RS422）、信号处理与精度要求、信号数据实时选取的阈值大小、价格及是否支持二次开发等[6-7]。这里以pH值传感器的信号调理电路设计加以说明。本设计采用E-201-C复合玻璃电极，该pH电极测量范围为1～14，电极内置热敏电阻器，可用于温度测量或者温度补偿功能。pH值复合电极输出是mV级，且内阻很高。在信号调理电路中，第1级将pH电极的输出与CA3140电压跟随器相连，保证信号的准确性。第2级用AD623放大芯片，使之输出满足0～5 V，满足A/D转换的输入范围，通过多次实验验证设定的计算公式可以计算出所求的pH值的大小[8]：

pH值信号调理电路如图3所示。

鉴于环巢湖区域水质的多样性及监测的复杂性，因此在采集器的传感器输入路数、信号模拟量类别(电压、电流）及量程、输入通道差分与隔离要求、通信协议、通信接口是否提供光电隔离及浪涌保护、电源选型及是否具有过流过压保护和防反接功能等都要一定的技术及功能支持[9]。

系统选用通信模块实现数据的无线传输[10]，把数字量模块和模拟量模块采集到的数据组成一个数据包先经过加密算法加密后[11]，利用网关的GPRS通信模块与地面移动基站(或利用WiFi与无线宽带路由器、网关等）通信，发送给数据处理中心或者云服务器，如图4所示。对国家级剖面并且是固定漂浮式采集节点，可以结合太阳能光电转换供电系统考虑使用GPRS方式，其他尽量使用WiFi与ZigBee通信方式。这两种方式都有一定的缺陷与不足，特别是WiFi受传输距离、宽带、范围、干扰等影响，GPRS长期占用费用高，这些在实验设计与野外场景布点时也是有差别的。

远程数据处理中心数据库采用多元异构数据库管理系统[12]。主要数据库包括节点信息表、运行日志表、原始记录表、报警记录表等。节点信息表(ms_inf）保存区域各个固定基站及漂浮移动监测站的序号、地理位置、采集处理后的监测数据、维护人员信息等数据；运行日志表(run_inf）记录系统运行状态，包括站点序号、开始时间、结束时间等；原始记录表(real_inf）保存监测站的实时数据，包括全部各类设定的水质要素；报警记录表(alarm_inf）记录编号、传输模块、数据类别、实时数据、阈值、所属节点、标志位[13]；将所有节点整合在一个数据库表中，用时间和站点代号及数据类型作为主键。

巢湖水质实时监测系统设计的功能模块目前包括：水质监测子系统、水质分析决策子系统、水质预警子系统三大块。其中水质监测子系统是基于.NET框架进行的Web系统设计，B/S模式实现过程[14]，主要包括系统管理、节点管理、实时监测与显示及图表数据管理等；水质决策分析系统主要通过数据挖掘决策分析模型[15]，利用Web Service中间件技术对数据进行决策分析，为水质预警与峰值报警提供基线阈值范围；水质预警子系统属于移动终端设计，开发的基于android平台的app在移动终端与手机安装后，利用WiFi与GPRS流量接入到远程服务器数据中心后台就可以实时了解巢湖水质动态值与变化，对峰值可实现短消息实时报警，并能实现不断完善其功能的系统升级，本系统如图5所示。

3 实测结果

实验测试还是需要多次验证与纠错才能实现预想结果。目前初期现场实测是在巢湖东湖区选定4个监测节点，其中包括1个数据基站(太阳能基站）及1个监测中心，另外两个水面定点浮标上(属于国家级水质监测地面基站位置）。2014年10月1日上午10时左右同时在表层30 CM处对常规五项进行监测。同一时间同一监测节点所在位置，分别采用人工监测和本系统监测两种方式进行数据采样，所得监测数据如表1所示，测量精度基本能满足完全水质监测的要求，但还是有一定的误差。

4 结论

综上所述，我们已经基本完成各单元的原理性测试和验证工作，研制了部分节点类型的调理电路、数据采集信号的通信模块、基于数据中心的动态水质监测系统设计等。本文设计的系统可以实现比较精准的无线水质参数采集，其创新点是网络能够实现自组织、无需人工干预与人工实测就可以对湖泊环境中的常规五项进行连续远程动态监测，利用WSNs技术在大面积湖泊水质的自动采集，无线传输和实时处理，而且不受地域、时域的限制[16]。与采用在线水质分析仪的同类产品相比，这种多参数监测系统结构简单、成本低、测量误差较小、精度基本能满足测量需求、数据通信稳定、效率高、克服了有线通信在大区域无法构架的缺点及现场实测的非实时连接监测的弊端，其应用前景非常乐观。

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ON THE DESIGN OF THE MONITORING SYSTEM OF WATER QUALITY IN CHAOHU LAKE BASED ON WSNS

TONG Xiao-hong1CHEN Ling1XU Wei1LI Heng-sheng1YANG Lei2
（1 Department of Computer Application Technology，Hefei Technology College，Hefei Anhui 238000）（2 Anhui Smart Networking Technology Co.，Ltd，Hefei Anhui 231000）

This paper introduces the monitoring system water quality in Chaohu Lake based on wireless sensor network（WSN）through using the ZigBee wireless technology，GPRS and WiFi to receive data and achieve remote communications.And it also achieves timing data-collection，processing，remote storage，display，real-time analysis and early warning for the water temperature，PH value，dissolved oxygen，conductivity，turbidity，etc.And through the experimental test，we attain some substantial results.

wireless sensor network（WSNs）；ZigBee；wireless fidelity（Wifi）；general packet radio service（GPRS）；water quality monitoring

TP274

A

1672-2868（2015）06-0082-06

责任编辑：陈小举

2015-09-28

安徽高校省级自然科学研究重点基金项目(项目编号：KJ2014A219）

童晓红(1965-），男，安徽巢湖人。合肥职业技术学院，副教授。研究方向：物联网技术与应用。