黃 戎 巫 茜

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系1，重慶 401120;重慶理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院2，重慶 400054)

0 引言

隨著水資源短缺、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益突出，而其解決方法受限于目前對(duì)生活污水和工業(yè)廢水的處理能力(直接排放至大江大河)，從而導(dǎo)致原生態(tài)水環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，直接危及人們健康和各物種的生存。水生態(tài)環(huán)境惡化極大地制約了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，有文獻(xiàn)對(duì)其不堪想象的嚴(yán)重后果進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出了警告［1－3］。為此，國(guó)發(fā)［2012］3 號(hào)文件“國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見”提出了“加強(qiáng)水功能區(qū)限制納污紅線管理，嚴(yán)格控制入河湖排污總量”的戰(zhàn)略對(duì)策措施。水是生命之源，水與空氣一樣是人類存在的最基本條件，面對(duì)嚴(yán)峻的水環(huán)境挑戰(zhàn)，本文對(duì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)的無人值守地表水水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

地表水也稱“陸地水”，是指存在于地殼表面并暴露于大氣的水，是河流、冰川、湖泊、沼澤四種水體的總稱。由于地表水資源分布地域遼闊，各個(gè)地區(qū)分布狀況差異很大，應(yīng)針對(duì)具體地域特點(diǎn)設(shè)計(jì)水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的底層結(jié)構(gòu)?；诙鄬哟味鄠鞲衅鞯臒o線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of the monitoring system

系統(tǒng)由基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。設(shè)備節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集分布在不同觀測(cè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用GPRS方式，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)融合，以方便在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源共享，從而為領(lǐng)導(dǎo)層提供指揮決策支持參考，有效支持突發(fā)性污染事故的報(bào)警。此外，監(jiān)控中心還能基于污染源分析結(jié)果生成應(yīng)急處置預(yù)案。整個(gè)系統(tǒng)包括監(jiān)控中心監(jiān)控軟件和節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，其中每個(gè)監(jiān)控設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)都包含有一個(gè)ZigBee通信模塊，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還包括GPRS通信模塊、無線通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器等［4－7］。

2 WSN的拓?fù)淠Ｐ?/h2>

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee中，主要有星型網(wǎng)絡(luò)、簇樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of WSN

圖2中，節(jié)點(diǎn)C、R、F分別為具有監(jiān)控終端與無線傳輸裝置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(network coordinator，NC)節(jié)點(diǎn)、全功能設(shè)備(full-function device，F(xiàn)FD)節(jié)點(diǎn)、精簡(jiǎn)功能設(shè)備(reduced-function device，RFD)節(jié)點(diǎn)。其中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)與鏈路狀態(tài)信息的管理以及數(shù)據(jù)的分組轉(zhuǎn)發(fā)等;FFD用于進(jìn)行檢測(cè)控制與管理，RFD用于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)檢測(cè)控制。FFD與RFD設(shè)備節(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于:RFD之間不能相互通信，它只能與FFD通信;FFD無論與FFD或是RFD均可相互通信。在3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，無線簇樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵儆诙嗵W(wǎng)絡(luò)，而無線星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵儆趩翁W(wǎng)絡(luò)。顯然網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建與管理，是監(jiān)控中心與設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信的媒介與橋梁。由于ZigBee通信模塊傳輸距離有限，因此在通信中全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)可作為數(shù)據(jù)通信的中繼器使用，但是精簡(jiǎn)功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)不能作為中繼器使用［8－10］。

3 監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)與設(shè)計(jì)

3.1 WSN 的組網(wǎng)

現(xiàn)以圖3所示無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例討論WSN組網(wǎng)過程。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用避免數(shù)據(jù)沖突傳送機(jī)制，無需人工干預(yù)。如果網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)設(shè)備傳感節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自愈與自組織功能，所以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以自動(dòng)調(diào)整，以確保整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。如果網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到通信信道的剩余空閑時(shí)間比被傳送數(shù)據(jù)幀時(shí)間區(qū)間長(zhǎng)，就可發(fā)送數(shù)據(jù)信息，否則不發(fā)送。CSMA/CD傳送機(jī)制確保了在某時(shí)間段只有一個(gè)設(shè)備可傳送數(shù)據(jù)信息。組網(wǎng)的首要步驟是在監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)通過該協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)訪問，以建立無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。因此，如增加新監(jiān)控區(qū)域，就必須在新監(jiān)控區(qū)域設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，所有訪問連接等都是由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)搜索完成的;同樣，如要?jiǎng)h除某監(jiān)控區(qū)域，則從該區(qū)域刪除協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)即可。

圖3 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of the wireless mesh network

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

從圖1可知，監(jiān)控中心由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)PC機(jī)組成。它是整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的指揮中心，負(fù)責(zé)接收與處理來自設(shè)備模塊所采集的數(shù)據(jù)，給新節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)址，借助GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)。如果發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果中某檢測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則監(jiān)控中心自動(dòng)給出報(bào)警的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可自動(dòng)跟蹤污染源［8－9］。

3.2.2 設(shè)備節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

設(shè)備節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其復(fù)雜度低，可有效地降低成本。在網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)完成后，其全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)既可作檢測(cè)設(shè)備也可作路由器用，以實(shí)現(xiàn)多跳路由。終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備用于采集檢測(cè)數(shù)據(jù)與向路由器接點(diǎn)傳送檢測(cè)數(shù)據(jù)，主要由微處理器、無線傳感模塊、無線收發(fā)模塊組成。無數(shù)據(jù)傳送時(shí)，設(shè)備處于休眠狀態(tài);否則設(shè)備處于喚醒狀態(tài)［11］。

圖4 ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the ZigBee device node

3.2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)都按照ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議要求，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。軟件系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心后臺(tái)PC機(jī)應(yīng)用程序與設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序組成，如圖5所示，其中，圖5(a)和圖5(b)分別為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)過程和節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集過程的流程圖。

圖5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與數(shù)據(jù)采集流程Fig.5 Flowcharts of network coordination and data collection

4 監(jiān)控實(shí)現(xiàn)與參數(shù)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)選擇

針對(duì)地表水水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點(diǎn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)選擇ZigBee，傳輸距離≤1 000 m;傳輸速率可達(dá)250 kbit/s;當(dāng)受到自然災(zāi)害時(shí)有自動(dòng)恢復(fù)功能，能夠自動(dòng)組網(wǎng);當(dāng)受到安全攻擊時(shí)，能夠自動(dòng)追蹤攻擊源;數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)24 h自動(dòng)備份。

ZigBee具有以下顯著優(yōu)勢(shì):①數(shù)據(jù)速率較低，適合于水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用;②抗干擾能力比較強(qiáng)，MAC應(yīng)用層的應(yīng)答重傳功能可避開干擾，一旦受到外界干擾，可動(dòng)態(tài)地切換工作信道;③ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)能效果顯著;④組網(wǎng)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，適合用于地表水資源分布水域遼闊及地區(qū)分布差異大的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用;⑤ZigBee可采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)可管理下層設(shè)備主節(jié)點(diǎn)，一個(gè)主設(shè)備節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，最多可組成包括65 000個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)絡(luò)，很適合分布水域遼闊的應(yīng)用;⑥ZigBee提供了安全模式，因此網(wǎng)絡(luò)安全性高。

4.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)

為提高可靠性，選用 AGPRS1090、SAM300、C51RFCC2530-PK ZigBee等標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品分別作為數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳送模塊、無線收發(fā)模塊和微處理器，通信傳輸距離≤1 000 m。在線pH計(jì)選擇PHG5202，其他在線溫度計(jì)等按水環(huán)境規(guī)定選定。由于設(shè)備硬件系統(tǒng)組裝比較簡(jiǎn)單，調(diào)試工作量不大，經(jīng)過統(tǒng)調(diào)合格后即可投入運(yùn)行使用。

4.3 地表水參數(shù)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝后，在某實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水中的pH值、融解氧含量、水溫、重金屬離子等進(jìn)行了自動(dòng)測(cè)量。其中，溫度測(cè)量靈敏度為0.5 mV/℃，溫度范圍為－5～55℃;pH值測(cè)量靈敏度為±5%，pH值范圍為4～14;融解氧量測(cè)量靈敏度為±5%，測(cè)量范圍為4～20 mg/L。實(shí)際測(cè)試表明，采用GPRS傳送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)，同時(shí)也說明了采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)方案是可行的，完全可以滿足實(shí)際地表水環(huán)境參數(shù)監(jiān)控要求。

5 結(jié)束語

地表水水質(zhì)監(jiān)控非常復(fù)雜，測(cè)試參數(shù)多，基于WSN的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)與原型樣機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。選擇標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備搭建系統(tǒng)，并對(duì)地表水的溶解氧、水溫與水環(huán)境pH值等進(jìn)行了檢測(cè)。部分參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了上述方法的可行性與合理性，可以達(dá)到環(huán)保部門對(duì)實(shí)際地表水環(huán)境參數(shù)監(jiān)控要求。由于系統(tǒng)對(duì)重金屬離子等的在線檢測(cè)還不夠成熟，因此有待進(jìn)一步研究。

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