基于无线传感器网络的水环境监测系统设计与实现

许龙飞　聂菊根　马向进　吕海林　杨静

摘要：水环境污染问题更是与人们的生活息息相关。水环境监测作为水资源管理和水环境污染控制的主要手段之一，正在发挥不可替代的作用。本课题针对水环境监测的应用环境及特点，利用无传感器网络技术，设计了一个监测、管理与控制的实时交互监测预警系统模型，提出了数据驱动的拓扑控制技术和基于动态拓扑的路由协议算法；建立了基于无线传感器网络的数据采集平台系统，实现对生态环境、气象环境、水污染情况等情况进行信息自动化收集。

关键词：无线传感器网络；水环境监测；拓扑控制

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0118-02

随着我国经济的高速发展，水环境污染和破坏日益严重，水环境污染问题更是与人们的生活息息相关[1]。水环境监测作为水资源管理和水环境污染控制的主要手段之一，正在发挥不可替代的作用[2]。但是由于我国幅员辽阔，水环境监测网点分散，仅依靠现有的监测站和传统监测技术不能满足连续、动态、宏观、快速水环境的监测要求，也满足不了及时、准确地做出水环境质量预报的要求。因此，需要研究和开发实时、快速、宏观、准确的水环境动态监测技术，更加全面准确地反映水环境的变化情况，减少水质污染[3]。

现有的水环境监测手段，没有一种能够同时对普通环境下或是地形环境复杂的水域，小面积或是者面积巨大的目标水域同时进行实时测量监测，这就使得对需要探测复杂地形水域时候的困难大幅度提升，没有办法完成实时有效监测，也无法对该地区水域做出針对性的管理。另外，在实际情况下，由于地形环境复杂多变，为节省人力物力，整个系统实际工作的续航能力也是一项极为重要的考察指标，有效改善整个监测系统的能耗问题也是设计水环境监测系统时需要达到的要求。所以，我们需要在现有方法的基础上寻求一种更全面的技术，在更复杂的地形环境之下还能实现大范围，高可靠性，低能耗的监测要求。而无线传感器网络技术的不断发展和完善，为这一要求找到了解决之道，将无线传感器网络应用于水环境监测，可以长期的、有效地、准确的保证系统的运行，从而在水资源管理和水环境污染控制方面有很积极的作用，进而减少不必要的人员和财产损失。

1 系统总体结构设计

基于无线传感器网络的水环境监测系统包括传感器节点、监控中心、通信网三部分，其中传感器节点包括3类模块：普通传感器节点、信号汇聚节点和监控中心节点。普通传感节点以分簇的形式共同协同监测桥梁局部状态，其中簇内有一个节点除承担数据采集功能之外，还需要承担簇内节点的调度管理。信号汇聚节点负责把各簇的数据信息就近汇聚，然后通过无线或有线的方式，传输到监控中心。监控中心可监控中心可选择该系统是否接入互联网，把数据按权限供互联网用户查询。

2 系统硬件设计

2.1 监测节点与汇聚节点的硬件结构设计

系统的最底层是智能传感器节点，这些节点由电源供电，执行组网、感知、采样和初步的数据处理工作。传感器节点设计如图1。

2.2 汇聚节点设计

信号采集的汇聚节点是传感器节点信息的汇集点，相当于一个基站。它是整个系统的一个重要组成部分，它可以和每一个簇首节点进行通信，完成信号的收集，并且可以对数据信号进行预处理，然后通过通信系统传递给监控中心，从而保证了整个系统的正常运行，为桥梁健康监测的信息分析及应对措施提供了数据信息。

3 传感器监测网络的关键技术

3.1 监测网络架构

在构建水环境监测网络时，其监测网架构的设计，是实现监测区域覆盖与数据高效传输关键问题。

基于Internet 的实时监控现已成为智能控制技术的发展趋势。为实现对水环境的实时监测，根据传感器网络的特点，我们将构建一个监测、管理与控制的实时交互监测预警系统模型，整个监测预警系统分成三个子系统：数据采集系统、控制中心系统和应急响应系统。数据采集系统主要是通过无线传感器网络获取水环境现场数据，并进行预处理后，与节点位置、时间等信息实时传输到控制中心服务器，帮助相关部门有效地确定水环境现状，快速检测到水环境的变化。控制中心服务器需要处理来自数据采集系统的所有信息，确定传感器节点的位置，对异常情况报警。其次，控制中心必须完成水环境变化行为分析，预测水环境变化趋势。最后，控制中心还须实时显示水环境监测信息，并将所有信息置于web 服务器。应急响应系统使得远程用户包括管理部门能够通过web 浏览器实时掌握控制中心的水环境监测信息，并制定相应的响应措施。

3.2 网络拓扑控制技术

在传感器网络中，各节点的能量供应有限，且由于环境变化及节点自身电源消耗等原因，网络拓扑动态变化。

为了节省节点能耗及应对网络拓扑变化，我们提出数据驱动的拓扑控制方法：正常情况下时，以节点剩余能量和节点最大通信距离为目标，选择长链路的拓扑结构；当现场监测数据异常时（超预设的值），触发短链路拓扑结构，以异常值的节点为起点，沿水流方向激活周围节点，进行异常水环境数据精细监测。

3.3 路由协议

传感器网络的路由协议与传统的通信网络协议不同，需综合考虑路由节点能耗及数据流向等问题。

针对水体流动单向性的特点，可采用基于节点位置关系的MAC层协议，以减少系统传播延时；利用数据驱动的拓扑控制技术，实现基于动态拓扑的路由协议，以提高网络的稳定性，增加网络的吞吐量。

4 系统实验验证

本课题组根据课题需要，在景德镇玉田湖建立了一个水环境监测平台，利该平台，有效的验证了基于无线传感器网络的水环境监测的水质信息的获取、数据的有效传输、信息的可视化展示及水资源管理和水环境污染控制。图2为监测平台节点布局图，图3为节点感知数据展示图。

5 结语

针对中水环境监测的应用环境及特点，本文利用无传感器网络技术，构建了一个监测、管理与控制的实时交互监测预警系统模型，完成了监测系统的总体设计和传感器节点的硬件设计。针对传感器网络用于水环境监测中存存在的几个关键问题，提出了数据驱动的拓扑控制技术和基于动态拓扑的路由协议算法。利用景德镇玉田湖水环境监测平台，验证了基于无线传感器网络的水环境监测的水质信息的获取、数据的有效传输、信息的可视化展示及水资源管理和水环境污染控制。

参考文献

[1]高娟，李贵宝，华络.地表水环境监测与进展[J].水资源保护，2006，22（1）：5-14.

[2]缪应祺.水污染控制工程[M].南京：东南大学出版社，2002.

[3]黄华，刘飞华.论水环境保护的文化意义[J].南昌工程学院学报，2009，（2）：27-30.

[4]赵宝吉.我国水质自动监测的发展与应用[J]，黑龙江环境通报，2000，3（24）：80-81.

[5]贾俊松，谢东明，田野，等.江西五大水系水环境容量测算及污染控制分析[J].水资源与水工程学报，2009，20（2）：1-4.

[6]刘清玉，戴雪荣.江西省水环境的非点源污染及其控制对策.国土与自然资源研究[J]，2003，（4）：65-66.

[7]钱易，刘昌明.中国江河湖海防污减灾对策[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[8]蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究[J].传感技术学报，2007，20（1）：187-190.