基于物聯(lián)網技術的成都沙河水質實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

引言

物聯(lián)網是在互聯(lián)網的基礎上實現傳感信息技術、通信技術和計算機技術三者為一體的智能網絡。由于具有這三者的特征，物聯(lián)網的應用領域非常廣泛，如工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、交通、物流、醫(yī)療、電網、學校等，且具有成本低和實時監(jiān)測功能等優(yōu)勢。

沙河是流經成都市的主要河道，屬岷江水系，起于成都市北郊洞子口向東南流約3km又分洗瓦堰、磚頭堰。洗瓦堰是沙河干流。1954—1957年，在原有小沙河的基礎上改造和擴建而成了全長22.223km，河道最窄處15.6m，最寬處55m，平均水深4m的穿城河。該河現有11座水閘，3座跌水壩及3座小型發(fā)電站。近幾年，岷江中游及沱江支流水質污染仍然嚴重。特別是沱江、岷江流經成都部分斷面水質較差，以V類（較差）和劣V類（污染嚴重）為主。在近幾年治理沙河的過程中，傳統(tǒng)的水質監(jiān)測取樣也凸顯出不足的地方。

事實上，傳統(tǒng)的水質監(jiān)測取樣是在監(jiān)測點水體中進行人工取樣，裝瓶加入試劑固定后送實驗室進行分析，因而耗時長、步驟復雜、樣品不易保存。如遇到上游水體被污染的情況，傳統(tǒng)的水質監(jiān)測手段往往不能及時監(jiān)測到污染情況，使得下游的農業(yè)用水以及城市用水面臨水源短缺的情況。水質監(jiān)測的實時性有待提高。

1系統(tǒng)總體設計

由于傳統(tǒng)水質監(jiān)測存在取樣難、不能實時監(jiān)測、費時費力等不足，本設計在河段關鍵點（如閘門、工廠等）布置多個水上節(jié)點（水質參數采集節(jié)點、遠程視頻采集節(jié)點、ZigBee+GPRS無線網關）。對于本設計中的流經成都的岷江支流之一的沙河，可在沙河源頭北郊洞子口、東郊供水渠道洗瓦堰、中上游的三洞古橋公園、中游的麻石橋和電子科大、下游的塔子山公園和東籬翠湖公園以及河流流經的水閘、水壩、電站、工廠等沿河流布置相應數量的節(jié)點。圖1所示是沙河中上游的重要節(jié)點分布圖，圖2所示是沙河中下游重要節(jié)點分布圖。

圖1  沙河中上游重要節(jié)點分布圖

圖2  沙河中下游重要節(jié)點分布圖

通過水質參數采集節(jié)點可實時采集PH值、水溫、水位、重金屬含量、濁度等水質參數，并通過ZigBeeEndpoint（節(jié)點）上傳給無線網關的ZigBee協(xié)調器，再由后者經串口送入GPRS傳送到服務器；同時通過3G視頻攝像機采集水面視頻信息，由3G方式送入（移動）服務器。運行于服務器上的信息管理系統(tǒng)將對數據進行統(tǒng)計、分析，并根據飲用水用水的管理要求實時預警。管理人員則可通過平板電腦、PC等方式獲取實時水質數據。圖3所示是基于物聯(lián)網的沙河水質實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計結構圖。

2感知層設計方案

除了常見的溫度、PH值、溶氧、水位等傳感器，因為本設計是針對河流水質監(jiān)測，所以還應有重金屬、有機物傳感器。

水體污染的化學成分主要有酸堿等無機物、重金屬（汞、鎘、鉻、鉛等）、氰化物（如HCN、NaCN）、有機化合物、放射性污染等。這些參數可利用光纖化學傳感器來檢測。光纖化學傳感器是近幾年出現的新型器件，它的工作原理如圖4所示，光源發(fā)出的光經由光纖進入調制區(qū)（固定有敏感試劑）,被測物質（如重金屬離子污染物的水體）與試劑作用會引起光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學特性發(fā)生變化,被調制的信號光經過光纖送入光探測器和一些信號處理裝置,最終獲得被測物的信息。以水體環(huán)境中的鎳離子污染檢測為例，利用了鎳的水合離子在可見光區(qū)有3個吸收峰的吸光度值,通過射頻單元與其他節(jié)點進行無線通信，從而實現鎳離子的污染監(jiān)測。光纖化學傳感器操作簡便、快速、便攜，具有響應快、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、體積小、功耗小、耐高溫與腐蝕等特點。

圖3  基于物聯(lián)網的沙河水質實時監(jiān)測系統(tǒng)設計圖

圖4  光纖化學傳感器工作原理

采用接觸式的熱電偶溫度傳感器可與水流直接接觸，具有較高的測量精度，相比非接觸式溫度傳感器，成本更低。

PH傳感器是通過檢測被測物中氫離子濃度來達到監(jiān)測水質PH值的目的，并且轉換成可輸出的信號?？刹捎秘悹柟镜腡255或T335PH傳感器，可針對廢水污水、電鍍廢水等多種場合的測量。

LC-SW1型水位傳感器能將被測點水位參量實時地轉變?yōu)橄鄳娏啃盘?，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點。

WQ750水質濁度傳感器使用光學測量法，可靠測量水質濁度。濁度傳感器主要布置在閘門等關鍵地點。

本設計采用的PH、水溫、濁度、重金屬、水位五類傳感器均可通過RS485總線接收來自外部MCU的控制指令，然后返回測量原始值、溫度值、工程值等三個參數，因而可以大大簡化感知層的設計工作。傳感器節(jié)點結構如圖5所示。其中ZigBee媒體接入層采用的是IEEE802.15.4標準的MAC層協(xié)議規(guī)范。

采用130萬像素的3G視頻攝像機可通過3G無線上網接入3G網絡(支持移動TD-SCDMA、聯(lián)通W-CDMA、電信CDMA2000)。3G無線上網采用內置3GModem，只需在3G無線攝像頭上插入SIM卡即可使用。3G視頻攝像機僅在幾個主要地段布置即可。

本設計的ZigBee節(jié)點選用CC2530節(jié)點，該類節(jié)點帶有CC2591增益放大模塊，最遠通信距離可達1km。

本設計的軟件由感知層WSN軟件子系統(tǒng)、網絡層ZigBee/GPRS軟件子系統(tǒng)和應用層水質信息管理系統(tǒng)等三部分構成。感知層WSN軟件子系統(tǒng)是根據表1所示的通信協(xié)議,基于ZigBee2007Pro開發(fā)的具有自組網功能的星型網絡。其中,幀類型主要有節(jié)點入網、獲取網絡參數、獲取傳感器參數等。

表1所列是系統(tǒng)的WSN數據幀格式。

表1WSN數據幀格式

3網絡層設計方案

本文的網絡層關鍵技術包括節(jié)點及網關、接入與組網技術等。物聯(lián)網連接的感知信息系統(tǒng)具有很強的異構性，即不同的系統(tǒng)可以采用不同的信息定義結構、不同的操作系統(tǒng)和不同的信息傳輸機制，需要通過網關（Gateway）來實現多種設備異構網絡接入。當前，物聯(lián)網的網絡層一般基于IP化的互聯(lián)網和電信網絡，采用IPv6/IPv4協(xié)議，感知層節(jié)點利用無線通信技術相互連接（如2G、3G、4G、衛(wèi)星通信、WiMAX、WiFi,UWB、藍牙、ZigBee、RFID等），而本設計采用的無線聯(lián)網技術主要有ZigBee及GPRS。

3.1ZigBee無線傳輸

ZigBee的傳輸范圍一般為10~100m，在增加RF的發(fā)射功率后，也可增加到1~3km。這里是指相鄰節(jié)點的距離。由于ZigBee網絡主要定義了兩種類型的物理設備一一全功能設備（FFD）和簡化功能設備（RFD），本設計中在沙河沿岸布置只具有接收和發(fā)送功能的RFD設備，在前文中提到的三洞古橋、電子科大以及閘門等河流主要流經地布置具有路由器功能的FFD設備，通過路由與節(jié)點間的通信接力，使得傳輸距離增加。本設計是針對長度約為22km的河水監(jiān)測，通過合理的節(jié)點分布與通信接力，監(jiān)測范圍能夠達到覆蓋河水的目標。3.2GPRS網絡傳輸

ZigBee/GPRS無線網關用于完成管理控制、協(xié)議轉換以及數據轉發(fā)功能，可以支持WSN網絡數據（即無線傳感網絡）協(xié)同和匯聚，并支持ZigBee及GPRS接入，從而橋接WSN與互聯(lián)網。GPRS無線傳輸系統(tǒng)采用的是服務器/客戶端模式。首先由客戶端向服務器域名的地址發(fā)起連接，服務器等待客戶端的連接請求，請求信息進入GPRS網絡后，通過GSN轉換為Internet的網絡數據；信息到達局域網網關后，端口映射選擇所提供服務的計算機和程序，服務器接收到客戶端的請求,從而建立起通信鏈路。GPRS網絡傳輸流程如圖6所示。

設計中通過布置在幾個關鍵流域口的3G視頻攝像頭，以每8~24h的頻率拍攝一張圖像，通過已有的GPRS網絡傳輸信息，從而可以結合河流水質參數和河面情況，多方面了解河流的實時情況。

4應用層設計方案

ZigBee的應用層主要是根據具體應用自主開發(fā)，以維持器件的功能屬性，根據服務和需求使多個節(jié)點間能夠進行通信。ZigBee應用支持子層（APS）為網絡層和應用層利用ZigBee設備對象和制造商定義的應用對象所使用的一組服務提供了接口。ZigBee協(xié)議棧體系如圖7所示。

在本設計中，應用層的水質監(jiān)控信息管理系統(tǒng)采用B/S架構（即瀏覽器和服務器結構）設計，通過WebService（即Web服務）提供面向ZigBee/GPRS網關和用戶的服務。Web服務的基本架構由三個參與者和三個基本操作構成。三個參與者分別是服務提供者、服務請求者和服務代理，而三個基本操作分別為發(fā)布、查找和綁定。Web服務的基本架構如圖8所示。

另外，可以把數據庫放在Web上，建立基于Web服務的數據庫管理系統(tǒng)，這樣就可以在更大范圍內實現資源遠程共享。該系統(tǒng)能夠實時獲得布置在河流各個地點的各種水質參數，并通過GPRS網絡獲得3G攝像頭拍攝的水面圖片，具有參數設置、統(tǒng)計分析、污染超標報警、儲存數據等功能。

5結語

本文基于水質傳感器、GPRS、ZigBee等物聯(lián)網技術手段設計了一套水質實時監(jiān)測系統(tǒng)，對岷江支流之一的沙河(包括較長流域:20~50km的河流)進行重金屬含量、PH值、濁度、水位、溫度等水質參數的實時監(jiān)測。此外，通過在CC2530節(jié)點上配置不同的傳感器，就可以對系統(tǒng)的監(jiān)測進行擴展，還可通過3G網絡獲得重要河流段的視頻、圖像信息。另外，還可方便地進行傳感器的增減和配置。

基于物聯(lián)網的無線傳感網絡應用于環(huán)境監(jiān)測(水質、土壤、空氣等)具有低功耗、實時性、成本較低(ZigBee免費)、組網靈活、適用性廣等獨到優(yōu)勢，應用前景廣闊。

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