设计基于WSN的水环境重金属监测系统

2016-08-16卢艳梅

中国科技信息 2016年9期

卢艳梅王鑫

设计基于WSN的水环境重金属监测系统

卢艳梅王鑫

为了实现水环境中重金属的实时监测，设计一种基于无线传感器网络的水环境重金属监测系统。系统主要由监测节点，网关，GPRS网络与上位机监控中心软件组成。系统采用离子选择性电极阵列检测重金属离子浓度，监测节点采用休眠管理机制。监测中心管理系统基于GIS技术实现对水环境重金属数据进行实时监控、数据展示、统计分析、超标报警功能。该系统可以实现对水环境重金属实时、远程监测，系统传输稳定可靠，实时性高，组网灵活。

近年来，随着生活污水和工业废水肆意排放，使我国水资源污染日益加重。2014年，我国七大流域和全国62个重点湖泊有三分之一出现了不同程度的污染。其中，重金属污染是危害最大的水污染问题之一。

重金属污染很难在环境中降解而且会通过食物链富集。比如：水体被重金属污染后，即使浓度很小，也会被水稻、鱼和贝壳等动植物吸附、聚集，而人在食用这些污染的大米、鱼等食物后，重金属将进入人体并逐步累积，对人体会造成很大的危害。“十二五”期间中央先后投入116亿元，地方和企业投入300多亿元支持重金属污染防治。实时监测系统是有效保护生态环境、防治重金属污染的重要措施。

我国现有的水环境重金属一般通过手工取样或建设监测站的环境监测方式。前者费时费力，不能实时、连续监测。后者存在着部署难度大、成本高、监测覆盖面不足等问题，难以实时、全面地反映水环境重金属含量的变化，从而错失了污染防治的最佳时期。无线传感器网络作为一种自组织网络，摆脱了基础设施的制约，在系统布设、维护和扩展方面非常灵活，因而在环境监测、特发污染事件相应及灾后救援，特别是对人工或传统技术无法有效覆盖区域的监测，无线传感器更有其难以替代的优势。因此，基于无线传感器网络的水环境重金属监测系统具有非常积极和重要的研究意义与现实价值。

图1 系统整体结构图

系统总体设计

系统总体结构如图1所示。

该系统由无线传感器网络监测节点、网关节点、监控中心服务器及远程用户终端组成。监测节点与网关节点Zigbee模块形成一个多跳的自组织网络。监控节点采集的重金属等水环境信息通过WSN网络传给网关节点，网关节点以GPRS无线通信方式传给监测中心服务器。在监控中心服务器上利用监测管理系统对数据进行存储、分析、显示等处理。同时，用户也可以通过笔记本电脑、智能手机及计算机方便地观察当前或历史数据。

监测节点设计

无线传感器网络监测节点是水环境重金属监测系统的一个重要组成部分，通过布置在监测区域内多个节点之间相互协调，完成数据的采集、处理和传输任务，进行自动化、网络化和智能化的监测。

监测节点硬件设计

监测节点硬件框图如图2所示，主要由重金属传感器阵列、PH电极、信号调理电路、管路控制模块、嵌入式处理器、电源管理模块、时钟电路、GPS模块及无线通信模块组成。重金属传感器阵列和PH电极位于测试腔中。管路控制模块由蠕动泵和电磁阀组成，实现仪器的管路控制。重金属传感器阵列由多种离子电极组成，可同时测量水中铅、镉、汞、铜等多种重金属信息，并经信号调理电路进行I/V转换、滤波、放大。嵌入式处理器是节点的核心部分，控制各个模块的协调运行，完成信息的采集、处理和传输。为了保证水样的弱酸性，采用PH 电极检测水体的PH值，并通过管路控制模块调整腔体水样的PH值，从而实现重金属离子的精确测量。同时，嵌入式处理器通过GPS模块及时钟电路获取监测节点的位置及时间信息，将重金属浓度、时间及位置信息通过无线通信模块由无线传感器网络发送到重金属监测管理系统。

图2 监测节点硬件框图

监测节点软件设计

监测节点主要功能是采集、处理及发送监测点的重金属浓度信息、转发其他节点的监测信息、根据系统指令调整网络结构及设置。监测节点总体流程图如图3所示。

监测节点初始化完成后搜寻临近的网络协调器，申请加入网络。考虑到监测节点能量有限的特点，为了优化能效，本设计中采用周期性的休眠/活动机制。由于水环境重金属污染一般不会发生突变，因此初始周期设置为30min，一旦发生突发性污染事件，可通过系统信息调整节点的休眠/活动周期。

在活动状态，监测节点首先进行侦听，如果没有消息，则进行检测操作；如有信息，则接收并根据所接收的信息进行网络结构、休眠/活动周期调整，或直接转发，然后再进行检测操作。检测结束后，进行数据发送。

由于重金属离子工作时需让监测样本处于弱酸性的环境，因此，检测过程中需把样本调制弱酸性。研究发现，发现当PH值为5的时候，PH对电化学传感器检测干扰最小，这里我们把重金属检测装置的PH值设定为5。同时，每次检测完成后，传感器与测试腔都需要清洗，去除残余离子。

监测管理系统

监测管理系统是基于WSN的水环境重金属监测系统的重要组成部分。设计目的就是为了对从监测节点获取的重金属浓度数据进行存储、分析、显示。监测管理系统应当给用户提供一个友好的操作界面，实时监测重金属浓度信息，查询历史数据并可根据实际应用的需求发送控制指令。

监测管理系统通过GPRS网络获取监测终端发送的信息，同时也可对监测终端的参数如采样时间间隔等进行设置，接收到监测终端的信息后写入数据库，同时由显示模块结合GIS地形数据进行显示。

图4 监测管理系统主界面

图5 实时监测界面

监测管理系统主界面如图4所示，主要有系统运行状态、水质预警信息、水质现状和声光报警功能的开启状态5个图标。

在线监测模块是基于GIS进行设计的。当鼠标移动至某个监测点的红色标记时，该标记变成蓝色并弹出这个水环境地点的重金属离子浓度的详细信息。在线监测界面如图5所示。

结束语

本文阐述了一种基于无线传感器网络技术的远程水环境重金属元素监测系统。监测终端采用休眠模式有效地延长传感器网络的生命周期，采用无线通信方式解决远距离实时检测水环境重金属元素的问题，将环境信息和空间地理信息相结合，提升和丰富了环境管理的手段和方式。试验证明，设计的系统能够很好地实现对远程水环境重金属浓度的周期、实时地采集。