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摘 要：随着现在工业的快速发展,水污染的矛盾日益突出,能够快速、准确和自动的进行水质监测就显得尤为重要.常见计算机软件ZigBee与WSN结合GPS定位技术,建了水质参数采集的无线通信网络,介绍了这两种软件是如何辅助进行水质监测.
关 键 词：水污染；水质监测；无线通信网络
中图分类号：TP391.76
近年来,由于工业的快速发展,水体污染事件严重危害到公共健康和人类的生活质量,导致水环境逐渐恶化.过去人们通过人工现场采样、实验室仪器分析为主要手段进行水质监测模式,这些方式监测频次低、采样误差大,难以满足现代环境管理的需求.随着计算机信息技术的发展,计算机软件辅助的水质监测逐渐走入工程师的视野,综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术,能够自动采集监测信息,自动处理,满足了水质监测中快速、准确和自动的需求.
1硬件设计
1.1ZigBee无线通信模块
ZigBee是一种最新流行的无线网络技术.它具有成本花费少,近距离传输信息,复杂程度比较低,功耗比较少,数据传递速率比较慢等特点.其数据传递速率一般为10KB/秒至250KB/秒,成本费用中不收专利费,与此同时还优化时延功能,扩大了网络节数点等,众多优点使其普及范围越来越广.虽然ZigBee技术还不够成熟,但是其应用价值很高,在未来的基础设施和商业市场等领域中会有更广阔的市场.
在水质监测系统中,ZigBee模块是传感器节点的基础部分,它在路由节点处也能够作为FFD,和水质检测模块共同实现辅助水质检测的功能.而另外三个普通传感器节点上的ZigBee模块都是RFD,作为树型网络的叶设备连接到网络中[1].树型网络网络拓扑的一种,是星型网络集合在一起构成的系统.它能够实现信息的节点“跳跃”,跨越障碍到达目标节点.
1.2传感器
在用于辅助水质监测的计算机软件中,无线传感器网络结构分为三层,经研究探讨发现树型网络最适合用于辅助水质监测.首先,在最底层中,传感器节点主要负责收集相关数据并获的水质参数.在中间层中,所有从传感器接受的传送数据汇总至网络协调器,由协调器对所有数据进行处理.与此同时,中间层还添加了一级路由,实现了水质参数功能.在最上层中,计算机占据位置,它能够对来自网络协调器的全部数据进行展示.
2WSN工作原理
WSN即WirelessSensorNetworks,是利用WSN技术和GPRS等技术来监测水体水文信息.
2.1GPRS网络通信
GPRS在信息传递中主要使用移动网络,它具有传递速度比较快,涵盖范围比较广,使用费用比较低,受环境约束比较少等优势.它作为G的延续,数据传递速率有了很大的提高,是一种通用的分组无线服务技术.在水质自动监测系统中,GPRS作为水质数据信息的传送通道在进行数据分析和处理之后,将数据传送至数据中心.
2.2WEB应用程序设计
水质在线自动监测系统由水资源信息采集中心、水质监测站等组成[2].在监测站所测得的相关水质数据信息以数据通信骨干网为主要通道,GPRS作为备用通道,将数据信息传递至数据信息中心.水质监测系统的WEB程序设计如下：
首先,PLC作为系统中心控制取水单元和水样预处理单元.取水单元中,杂物隔离网、取样浮子、自吸水泵、压力流量传感器和采水管道为主要成分[2].在水样预处理单元中,一旦出现异常情况,PLC会切断其电源并使用备用泵,方便帮助工作人员对故障进行分析和处理.
第二,辅助分析单元是主要由管理软件进行控制,同时它也是由PLC间接控制的.它的主要功能是进行纯水等类型水的制备.
第三.水质监测分析单元具有自动量程转换、遥控、标准输出接口和数字显示、自动清洗、状态自检和报警、干运转和断电保护、来电自动恢复等[3].在水质监测系统中,C0D、总氮和等仪器可以对误差进行自动标识并进行校正.
3水质监测系统设计方案
3.1系统结构
水质监测系统的的设计构想为针对不同功能依上而下设计不同的模块,主要有三个模块：数据库模块,模型库模块与水质管理模块.在不同模块中设定不同的程序,实现每个程序都能够独立自主的完成其内部任务,并尽量将每个任务都细化.首先,利用arcview本身具有的编辑功能,基本上可以实现对视图特征及其属性数据的添加、编辑和删除等功能[2].与此同时,以方便为中心,增添了其它方便基本信息利用的功能,如添加与删除.这些设计能够为操作增加方便性,还没有用过arcview的用户只要点击按钮即可.
水质监测系统可以分析和计算不同种类的水资源相关数据信息.比如说降雨的多少,蒸发量和水位高度的统计、离子数量是否超标等.针对以上几点功能,系统设计主要利用复杂程度比较低的比较手段,编制出平均值的代码程序.
3.2WSN节点
WSN即WirelessSensorNetwork,无线传感网络.它由很多静止或是活跃的传感器节点构成,能够以自组织形式构成网络系统.在网络覆盖的地区内,监测、收集、处理与传送相对应的信息,互联网与卫星和任务管理中心相连,与此同时和汇聚网关节点相连.汇聚网节点和不同的传感器节点相连.它可以比较方便的获得随机性的研究数据[1].
3.3组网方案
ZigBee网络的拓扑结构有三种：星型、树型、网状型[1].星型网络是目前应用比较频繁的网络拓扑结构.它呈辐射状,网络协调器作为通信中心,和其他的终端设备（END）相连,并传播相关数据和命令.网型网络的环境适应力比较强,网络协调器负责构成基本网络结构,终端设备不参与路由且任意两个终端设备在其覆盖范围内都能通过无线相连接,通信障碍比较少,可靠性非常强.在进行组网方案设计时,主要考虑以下几个因素：
首先,网络协调器是网络结构的中心节点,因此,要考虑在同一时间内,对通信状况没有影响下,中心节点所能接受的连接点的数量最上限.
第二,要考虑信号的有效覆盖的最大范围,与此同时还要考虑到当距离发生变化时网络的有效性变化与否.
第三,考虑网络结构中节点密度对网络的各项性能是否有影响.
第四,考虑网络性能和网络路由器中各项参数的联系.
第五,由于传感器的节点位于室外,因此电池的更换比较麻烦,其电量对网络整体性有着很大的影响.因此在水质监测系统中,需要考虑传感器的电能利用率.
在以上参考因素基础上,依照设备的不同功能编制相应的计算机程序,使每个设备都可以与其他设备连接,并对服务搜索进行初始化.然后进行设备绑定,使每个节点都加入进网络系统中,只有当每个节点的指示灯都发亮的时候即说明组网完成.
3.4监测中心系统方案
在水质监测中,当监测网络组建完成后,需要利用传感器对不同水质的相关参数进行采样,再利用信号调整电路对其放大,使其适于A/D转换.首先要选择合适的传感器类型,并根据传感器设定相应的测量设备与方法.然后对水温、PH值和电导率等参数进行测量.由于检测的位置位于靠近海边等潮湿的环境中,在设计电源的时候,最好采用太阳能供电,且最好为双电源.
4结束语
供水系统和人们生活息息相关,必须保证饮水和用水健康才能创造更好的生活环境,提高人民的生活水平.因此建立合理、完备的水质监测系统是十分重要的,如何在原有的水质监测网络结构基础上扩大其容量,增加通信成功率是未来要研究的重点内容.