基于无线传感器网络的水资源实时自动监测系统设计

摘要:根据无线传感器网络的基本理论和水资源监测的实际需求 ,提出了基于无线传感器网络的水资源实时自动监测方法,设计了一个能够在线实时测量温度、 PH值、 电导率、浊度等参数的水资源监测系统。

关键词:无线传感器网络监测系统节点以太网智能控制

中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00

0引言

水资源监测是水资源管理与保护的重要手段,我国水资源紧缺、水污染严重,如何高效、实时地获取水环境参数、研究开发水环境监测新方法,已成为水环境管理与保护的一项重要任务。现有的水环境监测方法主要分为两种: (1)人工定期(或不定期)的现场采样、化验、水质分析;(2)采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境监测系统。这两种传统的监测方法存在着对原有生态环境影响大、数据采集点少、监测范围有限、系统价格昂贵、设备体积大、需预先铺设电缆等缺点。

无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统,是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。本文根据无线传感器网络的基本理论和水资源监测的实际需求 ,提出了基于无线传感器网络的水资源实时自动监测方法,设计了一个能够在线实时测量温度、 PH值、 电导率、浊度等参数的水资源监测系统 ,此系统在监测区域内采集相关数据 ,利用监测区域协调器节点和远程监测中心( PC 机)之间的通信 ,把经过处理的测量结果存储在监测中心内 ,并动态地显示出来。

1系统总体设计

如图1所示,基于无线传感器网络的水资源实时自动监测系统主要由三部分组成,:WSN监测区域、以太网通信组件和远程监测中心。

监测区域主要负责通过各种传感器对水资源的各种参数进行监测, 包括温度、 PH值、 电导率、浊度、 TOC、 COD 等基本参数,并且对这些基本参数数据进行存储和简单处理

后,按照设定的时间和通讯方式上传到远程监测中心。监测区域内包括分布式传感器节点、路由节点和协调器节点三种类型的节点。协调器就是汇集节点,既要发起和配置无线网络,又要与信息中心交互数据。路由器安放在协调器与传感器节点之间,既要监测环境参量,又要作为中继平台支持终端设备与协调器之间的通信。传感器节点是依靠电池供电的微小节点,它们自身携带传感器,负责采集周围的环境信息,并定时向汇聚节点上传数据。

远程监测中心由PC 机及运行在PC机上的监测软件组成。通过运行在PC机上的监测软件,操作人员可以直观、清晰地看到每个网络节点的位置分布和状态信息。利用计算机的高速计算能力和海量存储能力还可以对每个监测点数据进行实时处理并建立后备数据库,便于日后进行深入分析。

远程监测中心与无线传感器网络之间通过以太网传输数据,解决了传统 RS232 信号传输距离短、抗干扰能力差等缺点,能够大大提高数据通信的可靠性、 安全性和保密性。

2系统硬件设计

考虑到便于灵活安装、对节点要求低功耗、体积小等,本系统硬件的核心芯片选用了飞思卡尔公司的集单片机及无线通信模块于一身的芯片 MCl3213。该芯片集成了低功耗的2.4GHz RF收发器和8位微控制器,具有60KB的闪存。 RF收发器工作在2.4GHz ISM频段,和802.15.4标准兼容,包括低噪音放大器、1mW的RF输出功率、带VCO的功率放大器(PA)、集成的发送/接收开关、板内的电源稳压器以及完全的扩展频谱的编码和译码。。微控制器是基于HCS08系列微控制器单元(MCU),具有高达60KB的闪存和4KB的RAM。

2.1传感器节点

传感器节点模块主要是通过各种传感器对水质参数进行采样 ,然后经过信号调理电路是对采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理 ,以使其更加适合 A/ D 转换 ,便于单片机运算处理。如图2所示,传感器节点主要由微控制器芯片 MCl3213 及其外围电路组成,电源管理部分的任务是使节点在进行数据采集及控制时处于工作状态, 否则处于低功耗休眠模式, 以便节电。

2.2协调器节点

协调器节点部分的构成如图 3 所示。 它主要由微控制器 MCl3213 及其外围电路、 RS-232 串口通信芯片 SP3222 以及电源和外围电路组成 。协调器节点中 MCl3213 的主要功能是接收传感器节点发送过来的数据或向传感器节点发送命令,通过串口 RS-232与远程监测中心计算机通信进行数据传输,SP3222 是标准的 RS-232 串口转换芯片, 休眠时维持电流可低至 1A 保证整个系统的低功耗要求。

2.3以太网通信

远程监测中心与无线传感器网络之间使用以太网通信技术,以解决传统RS232 信号传输距离短、抗干扰能力差等缺点,同时也解决了电磁干扰、地环干扰以及雷击和电压浪涌的问题,可以大大提高了数据通信的可靠性、安全性和保密性。

ADAM- 4579 是一款通用串行设备服务器,它能够将 RS- 232/422/485网络与以太网合为一体,几乎可以将任何带有串口的设备快速连接到以太网和共享网络,能够使大量无法连接网络的设备具备远程管理及数据访问的特有功能。ADAM- 4579 允许串行设备与其它设备之间进行点对点的通信, 而无须任何主机及软件编程, 还可以通过 RS- 232/422/485 或以太网请求数据或发送命令,数据可以双向发送, 非常适合于远程监控的应用。

2.4远程监测中心

远程监测中心由监测模块、配置模块、数据库3个部分组成。它通过以太网与多个协调器节点间接连接在一起,监测模块通过对通信串口的实时监控测,实现对分布式协调器节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同ID的协调器节点实现对传感器节点的间接、 实时性的监控和数据采集。

控制中心站服务器为配置较高的PC服务器, 安装了专用的无线传感器网络和水质监测数据处理软件, 负责上传数据的存储和分析, 并设置了相应的服务, 其它联网的客户机可以浏览监控各水质监测站的监测数据和工作状态

3系统软件设计

基于无线传感器网络的分布式监测系统软件包括 3 个部分:远程监测中心计算机软件、协调器节点软件和传感器节点软件。远程监测中心计算机软件包括人机界面、系统数据库、数据处理、故障报警、串口通信管理等模块,负责整个监控系统的运行、管理、人机交互等任务。协调器软件主要包括串口通信管理、无线网络管理、无线数据通信等模块,负责无线网络的管理和数据信息的交换。传感器节点软件包括无线数据通信、 数据采集和处理、 驱动控制等模块,负责信息的采集和处理等工作。协调器和传感器节点软件在无线传感器网络通信设置及传感器信号采集时均是使用开发板自带的开发套件 CodeWarrior Software Development Tools 开发,该套件包括各种高性能的 ZigBee 软件工具,如网络通信设置器,协议调试工具等。

3.1传感器节点程序

传感器节点负责监测现场水质 ,并进行数据处理和通信。其软件部分主要包括监测模块数据采集程序和网络通信程序。一个传感器节点的程序流程图如图4所示。

3.2协调器节点程序

TI公司推出的 Z2stack 是完全开源的C语言协议栈 ,具有很好的可移植性和很好的程序可读性。Z 2Stack 采用操作系统的思想来构建 ,采用事件轮循机制,当各层初始化之后 ,系统进入低功耗模式;当事件发生时 ,唤醒系统并进入中断处理事件 ,结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生 ,判断其优先级 ,逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降低系统的功耗。这部分的软件主要包括设备初始化、 协调器组网、 节点加入网络、 无线数据收发和处理等程序。

3.3远程监测中心软件

远程监测中心计算机软件包括人机界面、系统数据库、数据处理、故障报警、串口通信管理等模块,负责整个监控系统的运行、管理、人机交互等任务。本软件在 Windows 操作系统上,使用面向对象的编程语言在 VC++6.0 环境下开发而成,网络节点数据采用 Access2003 数据库开发管理程序进行统一管理。 用户可通过软件界面查看无线传感器网络的拓扑结构、 路由路径、 节点位置、 生命状态等信息,也可以查看每个节点监测的环境参量的实时数据和历史数据曲线图等信息,并且能够设置监测数据的报警阈值和数据图形的显示方式。

4结语

随着国家对于环保的重视力度的不断加大,水质监测目前的市场规模大约每年两到三亿,而依据国家的有关政策来预测,未来5年,这个市场会激增到约100亿的规模。本文提出的基于无线传感器网络的水资源实时监测系统,能够最大限度的减小系统的复杂性、降低成本,实现水资源环境的实时、自动监测。

参考文献

[1] 孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络,清华大学出版社,2005.

[2] 金大建,马志刚,严定平等.水质自动监测系统的研制,环境科学,2002,20(8):12～15.

[3] 王先平.水污染控制工程中的水质参数在线监测,环境与开发,1999,14(2):20～26 .

[4] 蒋鹏,孔一凡.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究,传感器学报,2007,1.

作者简介: 史洪宇(1979—),女,汉族,河南南阳,讲师,硕士,研究方向:智能控制理论与应用、无线传感技术。

项目:惠州市科学计划项目;项目编号:2009B020002022。