陳強(qiáng) 盧啟福 李亭，2 毛亮 劉國瑛

（1.廣州市強(qiáng)鋒信息科技有限公司，廣東廣州，511400；2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山，528436）

基于WSNs的城市污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

陳強(qiáng)1盧啟福1李亭1，2毛亮1劉國瑛1

（1.廣州市強(qiáng)鋒信息科技有限公司，廣東廣州，511400；2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山，528436）

為了實(shí)現(xiàn)城市污水水質(zhì)的大范圍、精確、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)，本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)和GPRS技術(shù)，在城市排水管道和污水匯流處布設(shè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集城市污水水質(zhì)的多種參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過GPRS無線網(wǎng)關(guān)對(duì)匯集數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送，最后主機(jī)通過WSNs 數(shù)據(jù)管理軟件接收遠(yuǎn)程發(fā)送而來的數(shù)據(jù)，提取有效數(shù)據(jù)數(shù)字化和圖形化實(shí)時(shí)顯示，以達(dá)到對(duì)城市污水水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究開發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市污水遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，達(dá)到研究開發(fā)目的。

農(nóng)業(yè)信息化；污水監(jiān)測(cè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)采集與處理

目前國內(nèi)污水檢測(cè)的主要方法是檢測(cè)人員到檢測(cè)河流或者湖泊等地方采集樣品，然后帶回檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方式人工成本高，效率低，并且污水檢驗(yàn)缺乏時(shí)效性，污染源往往由于缺乏時(shí)效的檢測(cè)難以進(jìn)行確定，對(duì)污水治理、污染控制等工作造成極大的困擾。研究開發(fā)能夠進(jìn)行大范圍遠(yuǎn)程自動(dòng)化的城市污水檢測(cè)系統(tǒng)顯得非常必要和迫切。目前國內(nèi)已有借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污水檢測(cè)的研究和應(yīng)用[1-6]，主要論及無線傳感器系統(tǒng)搭建[1], 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與部署[2]和中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[3]，對(duì)傳感器接口電路和傳感器節(jié)能供電系統(tǒng)沒有進(jìn)行深入的研究。

本文為了實(shí)現(xiàn)污水的大范圍精確自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，針對(duì)目前國內(nèi)已有借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污水檢測(cè)的研究存在的不足，提出了采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)，對(duì)城市排水管道和污水匯流處布設(shè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行城市污水的多參數(shù)成分含量監(jiān)測(cè)，并通過GPRS網(wǎng)關(guān)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送，通過WSNs 數(shù)據(jù)管理軟件將遠(yuǎn)程發(fā)送而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)字化、圖形化顯示，以達(dá)到城市污水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作用，并且傳感器接口電路和傳感器節(jié)能供電系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。

1 水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)框架與硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)，帶 GPRS功能的無線網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)接收與管理上位機(jī)軟件組成，以下圖1和表1分別是傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)硬件組成圖和傳感器節(jié)點(diǎn)主要器件的選型。

帶GPRS功能的無線網(wǎng)關(guān)的硬件組成圖如圖2所示，其中無線收發(fā)模塊由射頻芯片CC1000及其外圍電路組成，微處理器采用 ATMEGA128L，而 GSM 模塊主要有 TC35i，SIM卡及其外圍電路組成。

數(shù)據(jù)接收與管理上位機(jī)軟件利用管理信息系統(tǒng)技術(shù)和Web數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)。改軟件具備數(shù)據(jù)接收與處理，實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)采集參數(shù)、健康指數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并且實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，通過 INTERNET可實(shí)時(shí)訪問服務(wù)器查看數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，必要時(shí)能將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以多種格式導(dǎo)出以供分析研究。水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)，是基于tinyOS系統(tǒng)，利用NesC語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)的。TinyOS采用基于組件式的架構(gòu)形式[7]，其通信組件如圖4 所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)硬件組成

圖2 帶GPRS功能的無線網(wǎng)關(guān)硬件組成圖

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)主要器件的類型或選型

2.2 GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行協(xié)議棧的初始化和硬件設(shè)備的初始化,包括GPRS模塊的、CC1000的初始化和ATMEGA128L的初始化，然后構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行能量掃描,能量掃描由 MAC完成,依據(jù)信道的繁忙程度選擇能量損耗低的一些信道作為建立網(wǎng)絡(luò)的備用信道[3]。由網(wǎng)絡(luò)層在合適的信道中選定信道。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功后,進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)包括監(jiān)控中心的計(jì)算的控制信號(hào)、傳感器節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)和子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)信號(hào),分別按照指令來執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架圖

圖4 多跳無線通信應(yīng)用程序組件圖

其中MyappM.cn為用戶自定義，MyappM.cn接口文件結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 MyappM.cn接口文件結(jié)構(gòu)

3 傳感器接口與供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行了多參數(shù)監(jiān)測(cè)，包括水質(zhì)溫度，氯含量，PH值，電導(dǎo)率和溶解氧含量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，因此傳感器的選定和接口電路的設(shè)計(jì)對(duì)于水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集顯得非常重要。本節(jié)主要介紹了PH傳感器、溶解氧傳感器和電導(dǎo)率傳感器信號(hào)放送電路與溫度補(bǔ)償電路。

溫度傳感器接口采用兩個(gè)熱敏電阻并聯(lián)的形式，信號(hào)輸出端與主控芯片ATMEGA128L的ADC1端口連接，實(shí)現(xiàn)模擬輸出信號(hào)進(jìn)入ATMEGA128L的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

如圖5所示，PH傳感器接口電路采用了兩種運(yùn)算放大器CA3140和LM324。該接口電路采用了一個(gè)CA3140作為初始信號(hào)的放大器，CA3140的INPUT和INOUT_N接收輸入數(shù)據(jù)，OUTPUT的輸出信號(hào)一方面作為自身的反饋，另一方面作為由兩個(gè)LM324組成的兩級(jí)運(yùn)算放大器的第一級(jí)IN_輸入信號(hào)。第一級(jí)的輸出作為第二級(jí)的IN_輸入信號(hào),兩級(jí)的輸出信號(hào)均作為反饋信號(hào)返回到IN_。信號(hào)經(jīng)放大后，輸入AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。

圖5 PH傳感器接口電路

如圖6所示，溶解氧傳感器接口電路采用OP07作為運(yùn)算放大器。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)，高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，傳感器采集的信號(hào)輸入到OP07的-IN和+IN，經(jīng)過放大后輸出到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

如圖7所示，電導(dǎo)率傳感器接口電路采用兩級(jí)MCP6001作為傳感器信號(hào)的放大電路，傳感器采集的數(shù)據(jù)輸入到第一級(jí)MCP6001的VinA-和VinA+,經(jīng)第一級(jí)放大后輸出到第二級(jí)的輸入端VinA+,再經(jīng)第二級(jí)放大后輸出到AD轉(zhuǎn)換器，兩級(jí)的輸出信號(hào)均作為反饋信號(hào)輸入各自的VinA-引腳。

圖7 電導(dǎo)率傳感器接口電路

3.2 GPRS無線網(wǎng)關(guān)太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能供電系統(tǒng)為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)能量供給問題而設(shè)計(jì)的，本文提出了一種利用太陽能進(jìn)行 GPRS無線網(wǎng)關(guān)供電的系統(tǒng)裝置，目的在于給予GPRS無線網(wǎng)關(guān)長時(shí)間持續(xù)的供電，解決了干電池供電對(duì)GPRS無線網(wǎng)關(guān)長時(shí)間穩(wěn)定監(jiān)測(cè)限制的瓶頸問題。太陽能升壓與充電控制模塊電路圖如圖8所示。

如圖8所示，太陽能升壓與充電控制模塊采用了采用了DC-DC轉(zhuǎn)換集成IC并利用一定參數(shù)的電容、電阻和電感搭建外圍電路來實(shí)現(xiàn)升壓功能，并且采用穩(wěn)壓管、開關(guān)管和電阻元器件搭建電路實(shí)現(xiàn)太陽能充電功能，通過該電路，太陽能電池板產(chǎn)生的 0---3.5V的輸入電壓通過升壓電路和充電電路給充電電池充電，當(dāng)充電電池電壓超過3.5V時(shí)，通過開關(guān)管迫使升壓電路停止工作，從而使停止對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)地下管道井蓋口布設(shè)污水監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并在節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域中心位置布置GPRS無線網(wǎng)關(guān)，由GPRS網(wǎng)關(guān)匯集數(shù)據(jù)發(fā)送至實(shí)驗(yàn)室主機(jī)。傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)為 7個(gè)，網(wǎng)關(guān)數(shù)為 1個(gè)，利用GPRS無線網(wǎng)關(guān)廣播功能實(shí)現(xiàn)7個(gè)節(jié)點(diǎn)同步休眠與同步喚醒功能，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鲿r(shí)間為 1分鐘，之后進(jìn)入29分鐘的同步休眠期，即以30分鐘為一個(gè)周期，同時(shí)工作1分鐘，同時(shí)休眠29分鐘，7個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由方式，對(duì)于傳感器接口電路的供電亦實(shí)現(xiàn)與節(jié)點(diǎn)工作方式同步，即在節(jié)點(diǎn)被喚醒之前5s實(shí)現(xiàn)電源對(duì)傳感器供電，節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)停止對(duì)傳感器接口電路工作，在節(jié)點(diǎn)被喚醒之前提前5s實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器供電，保證了節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)傳感器信號(hào)的穩(wěn)定性。CC1000 射頻功率設(shè)置為1dBm（8dBm最大，-20dBm最小）。系統(tǒng)硬件分布如圖 9所示。在本文中，太陽能充電電池采用 2節(jié) 1.5V，2300mAh非充電干電池給傳感器節(jié)點(diǎn)供電，采用4節(jié)1.2V，2300mAh品勝充電電池作為充電電池并且給傳感器接口電路供電，而太陽能板則采用5V，330mA單晶硅太陽能，GPRS無線網(wǎng)關(guān)則采用3V直流電供電。

圖8 太陽能升壓與充電控制模塊電路

圖9 系統(tǒng)硬件分布圖

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與討論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)條件于2010年1月15日至2010年7月3日對(duì)該系統(tǒng)從以下方面進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)：1）

1）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸率試驗(yàn)

試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)Node 1至Node 7以30分鐘為一個(gè)周期，同時(shí)工作1分鐘，同時(shí)休眠29分鐘，在工作1分鐘時(shí)間里，每4s節(jié)點(diǎn)發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送至實(shí)驗(yàn)室主機(jī)，利用主機(jī)的數(shù)據(jù)接收與管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，在節(jié)點(diǎn)能量供給正常情況下進(jìn)行連續(xù)5天的實(shí)驗(yàn)，得到如下表3所示7個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)據(jù)包傳輸率。數(shù)據(jù)包傳輸率，如式（1），

式中：NR,pdr——試運(yùn)行期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包傳輸率，%，Nt ——試運(yùn)行期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)收數(shù)據(jù)包總數(shù)；Nr ——試運(yùn)行期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)實(shí)收正確數(shù)據(jù)包總數(shù)。

表3 各節(jié)點(diǎn)平均數(shù)據(jù)包正確傳輸率

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

Node 2由于道路樹木的遮擋，試驗(yàn)開始兩天傳輸正確率非常低，只能達(dá)到2%左右，經(jīng)過第三天調(diào)整Node 2與旁邊樹木的相對(duì)位置之后，Node 2后三天的平均傳輸正確率達(dá)到91%，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)MAC層協(xié)議、路由協(xié)議、采集與發(fā)送時(shí)間模式、工作周期相同的情況下，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)包傳輸正確率的差別，除了受到放置位置影響，還受到各個(gè)節(jié)點(diǎn)電池差異性、物理硬件差異性等的影響。總體來說，系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸率較高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）節(jié)點(diǎn)壽命測(cè)試試驗(yàn)

以與以上實(shí)驗(yàn)條件相同、節(jié)點(diǎn)工作模式和工作周期相同的條件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)壽命測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間從2010年1月26日至2010年6月3日，各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓變化情況如下表4所示：

表4 各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓變化情況

Node 3節(jié)點(diǎn)在7個(gè)節(jié)點(diǎn)中的電壓下降幅度最大，經(jīng)過分析，這是由于節(jié)點(diǎn) 3電池本身質(zhì)量問題造成的，從表 1中可看出在以上實(shí)驗(yàn)條件、節(jié)點(diǎn)工作模式和工作周期相同的情況下，節(jié)點(diǎn)能夠正常工作至少 4個(gè)月（節(jié)點(diǎn)電壓下降至2.5V以下，工作采集和發(fā)送數(shù)據(jù)無效），可預(yù)想當(dāng)適當(dāng)調(diào)整MAC層協(xié)議、路由協(xié)議、采集與發(fā)送時(shí)間模式和工作周期時(shí)，可進(jìn)一步延長節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)間。

3）GPRS網(wǎng)關(guān)工作穩(wěn)定性和太陽能供電裝置性能測(cè)試

直流電持續(xù)供電情況下：在以上試驗(yàn)中，通過直流穩(wěn)壓電源給GPRS無線網(wǎng)關(guān)持續(xù)供電，工作穩(wěn)定。

利用本文所設(shè)計(jì)太陽能供電模塊進(jìn)行供電時(shí)，在與以上所述實(shí)驗(yàn)條件相同、節(jié)點(diǎn)工作模式和工作周期相同的條件下，GPRS無線網(wǎng)關(guān)持續(xù)進(jìn)行利用主控芯片時(shí)鐘計(jì)時(shí)進(jìn)行90s的以30min為一個(gè)周期網(wǎng)絡(luò)喚醒廣播、監(jiān)聽、數(shù)據(jù)收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)休眠廣播的工作，在沒有直流穩(wěn)壓電源持續(xù)供電同時(shí)利用5V，330mA單晶硅太陽能板通過充電電路給3節(jié)串聯(lián)的1.2V，2300mAh品勝充電電池充電的情況下，GPRS無線網(wǎng)關(guān)能夠進(jìn)行持續(xù)有效工作166.5 hours，在測(cè)試的30多天時(shí)間里，出現(xiàn)5天陰雨天，其他時(shí)間陽光明媚；而在沒有直流穩(wěn)壓電源持續(xù)供電和太陽能供電裝置供電的情況下，GPRS無線網(wǎng)關(guān)利用 3節(jié)充滿電的串聯(lián)的 1.2V，2300mAh品勝充電電池供電下只能進(jìn)行持續(xù)有效工作46個(gè)小時(shí)，可見太陽能供電裝置在不能用直流穩(wěn)壓電源持續(xù)供電情況下，能起到延長網(wǎng)關(guān)工作時(shí)間的目的。

5 結(jié)論與討論

本文在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成方案，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行了平臺(tái)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過該系統(tǒng)進(jìn)行無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)的可行性。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)中將會(huì)給環(huán)境監(jiān)測(cè)事業(yè)帶來極大的方便.由于它可以在惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低功耗的長時(shí)間監(jiān)測(cè),其應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景.傳感器采集節(jié)點(diǎn)放置位置靈活,此項(xiàng)技術(shù)還可以方便地?cái)U(kuò)展應(yīng)用于智能家居、水文檢測(cè)以及環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域.。

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TP393.18

A

1673-2219（2011）04-0083-04

2010－11－12

2011－02－10

廣東省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2009CD0078, 2009CD0079, 2009CD0080)。

陳強(qiáng)（1979－），碩士，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究。

盧啟福（1984－），碩士，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究。fu2004358319@126.com

(責(zé)任編校:劉志壯)