基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成都沙河水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)傳感信息技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)三者為一體的智能網(wǎng)絡(luò)。由于具有這三者的特征，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、交通、物流、醫(yī)療、電網(wǎng)、學(xué)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(jīng)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(chǔ)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(xiàn)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(zhì)污染仍然嚴(yán)重。特別是沱江、岷江流經(jīng)成都部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)較差，以V類（較差）和劣V類（污染嚴(yán)重）為主。在近幾年治理沙河的過程中，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測取樣也凸顯出不足的地方。

事實上，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測取樣是在監(jiān)測點水體中進(jìn)行人工取樣，裝瓶加入試劑固定后送實驗室進(jìn)行分析，因而耗時長、步驟復(fù)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(zhì)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(nóng)業(yè)用水以及城市用水面臨水源短缺的情況。水質(zhì)監(jiān)測的實時性有待提高。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

由于傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測存在取樣難、不能實時監(jiān)測、費時費力等不足，本設(shè)計在河段關(guān)鍵點（如閘門、工廠等）布置多個水上節(jié)點（水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點、遠(yuǎn)程視頻采集節(jié)點、ZigBee+GPRS無線網(wǎng)關(guān)）。對于本設(shè)計中的流經(jīng)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(jīng)的水閘、水壩、電站、工廠等沿河流布置相應(yīng)數(shù)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(zhì)參數(shù)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(zhì)參數(shù)，并通過ZigBeeEndpoint（節(jié)點）上傳給無線網(wǎng)關(guān)的ZigBee協(xié)調(diào)器，再由后者經(jīng)串口送入GPRS傳送到服務(wù)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(wù)器。運行于服務(wù)器上的信息管理系統(tǒng)將對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，并根據(jù)飲用水用水的管理要求實時預(yù)警。管理人員則可通過平板電腦、PC等方式獲取實時水質(zhì)數(shù)據(jù)。圖3所示是基于物聯(lián)網(wǎng)的沙河水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

2感知層設(shè)計方案

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

水體污染的化學(xué)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(shù)可利用光纖化學(xué)傳感器來檢測。光纖化學(xué)傳感器是近幾年出現(xiàn)的新型器件，它的工作原理如圖4所示，光源發(fā)出的光經(jīng)由光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)（固定有敏感試劑）,被測物質(zhì)（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(xué)特性發(fā)生變化,被調(diào)制的信號光經(jīng)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(jìn)行無線通信，從而實現(xiàn)鎳離子的污染監(jiān)測。光纖化學(xué)傳感器操作簡便、快速、便攜，具有響應(yīng)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(wǎng)的沙河水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計圖

圖4  光纖化學(xué)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(dá)到監(jiān)測水質(zhì)PH值的目的，并且轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電量信號，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點。

WQ750水質(zhì)濁度傳感器使用光學(xué)測量法，可靠測量水質(zhì)濁度。濁度傳感器主要布置在閘門等關(guān)鍵地點。

本設(shè)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(shù)，因而可以大大簡化感知層的設(shè)計工作。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中ZigBee媒體接入層采用的是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)接入3G網(wǎng)絡(luò)(支持移動TD-SCDMA、聯(lián)通W-CDMA、電信CDMA2000)。3G無線上網(wǎng)采用內(nèi)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(shè)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(yuǎn)通信距離可達(dá)1km。

本設(shè)計的軟件由感知層WSN軟件子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)層ZigBee/GPRS軟件子系統(tǒng)和應(yīng)用層水質(zhì)信息管理系統(tǒng)等三部分構(gòu)成。感知層WSN軟件子系統(tǒng)是根據(jù)表1所示的通信協(xié)議,基于ZigBee2007Pro開發(fā)的具有自組網(wǎng)功能的星型網(wǎng)絡(luò)。其中,幀類型主要有節(jié)點入網(wǎng)、獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、獲取傳感器參數(shù)等。

表1所列是系統(tǒng)的WSN數(shù)據(jù)幀格式。

表1WSN數(shù)據(jù)幀格式

3網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計方案

本文的網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)包括節(jié)點及網(wǎng)關(guān)、接入與組網(wǎng)技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)連接的感知信息系統(tǒng)具有很強的異構(gòu)性，即不同的系統(tǒng)可以采用不同的信息定義結(jié)構(gòu)、不同的操作系統(tǒng)和不同的信息傳輸機制，需要通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）來實現(xiàn)多種設(shè)備異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層一般基于IP化的互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)，采用IPv6/IPv4協(xié)議，感知層節(jié)點利用無線通信技術(shù)相互連接（如2G、3G、4G、衛(wèi)星通信、WiMAX、WiFi,UWB、藍(lán)牙、ZigBee、RFID等），而本設(shè)計采用的無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)主要定義了兩種類型的物理設(shè)備一一全功能設(shè)備（FFD）和簡化功能設(shè)備（RFD），本設(shè)計中在沙河沿岸布置只具有接收和發(fā)送功能的RFD設(shè)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(jīng)地布置具有路由器功能的FFD設(shè)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(shè)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(dá)到覆蓋河水的目標(biāo)。3.2GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸

ZigBee/GPRS無線網(wǎng)關(guān)用于完成管理控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以支持WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（即無線傳感網(wǎng)絡(luò)）協(xié)同和匯聚，并支持ZigBee及GPRS接入，從而橋接WSN與互聯(lián)網(wǎng)。GPRS無線傳輸系統(tǒng)采用的是服務(wù)器/客戶端模式。首先由客戶端向服務(wù)器域名的地址發(fā)起連接，服務(wù)器等待客戶端的連接請求，請求信息進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)后，通過GSN轉(zhuǎn)換為Internet的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；信息到達(dá)局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)后，端口映射選擇所提供服務(wù)的計算機和程序，服務(wù)器接收到客戶端的請求,從而建立起通信鏈路。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸流程如圖6所示。

設(shè)計中通過布置在幾個關(guān)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(wǎng)絡(luò)傳輸信息，從而可以結(jié)合河流水質(zhì)參數(shù)和河面情況，多方面了解河流的實時情況。

4應(yīng)用層設(shè)計方案

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

在本設(shè)計中，應(yīng)用層的水質(zhì)監(jiān)控信息管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)（即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)）設(shè)計，通過WebService（即Web服務(wù)）提供面向ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)和用戶的服務(wù)。Web服務(wù)的基本架構(gòu)由三個參與者和三個基本操作構(gòu)成。三個參與者分別是服務(wù)提供者、服務(wù)請求者和服務(wù)代理，而三個基本操作分別為發(fā)布、查找和綁定。Web服務(wù)的基本架構(gòu)如圖8所示。

另外，可以把數(shù)據(jù)庫放在Web上，建立基于Web服務(wù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，這樣就可以在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)資源遠(yuǎn)程共享。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲得布置在河流各個地點的各種水質(zhì)參數(shù)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲得3G攝像頭拍攝的水面圖片，具有參數(shù)設(shè)置、統(tǒng)計分析、污染超標(biāo)報警、儲存數(shù)據(jù)等功能。

5結(jié)語

本文基于水質(zhì)傳感器、GPRS、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段設(shè)計了一套水質(zhì)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(jìn)行重金屬含量、PH值、濁度、水位、溫度等水質(zhì)參數(shù)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(jìn)行擴展，還可通過3G網(wǎng)絡(luò)獲得重要河流段的視頻、圖像信息。另外，還可方便地進(jìn)行傳感器的增減和配置。

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

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