第３２卷第４期 ２０１１年４月 湖南科技学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ＿０】．３２ ＮＯ．４ Ａｐｒ．２０１ １ 基于ＷＳＮｓ的城市污水监测系统研究 陈强 卢启福 李亭 ， 毛亮 刘国瑛 （Ｉ．广州市强锋信息科技有限公司，广东广州，５１１４００；２．中山火炬职业技术学院，广东中山，５２８４３６） 摘要：为了实现城市污水水质的大范围、精确、自动化的监测，本文采用无线传感器网络（ｗｓＮｓ）技术和ＧＰＲＳ技术， 在城市排水管道和污水汇流处布设无线传感器节点采集城市污水水质的多种参数数据，并通过ＧＰＲＳ￣线网关对汇集数据进 行远程发送，最后主机通过ＷＳＮｓ数据管理软件接收远程发送而来的数据，提取有效数据数字化和图形化实时显示，以达 到对城市污水水质的实时监测的目的。实验结果表明，本文研究开发的基于无线传感器网络的城市污水远程检测系统数据传 输率高，系统稳定性高，达到研究开发目的。 关键词：农业信息化；污水监测；无线传感器网络；网关；数据采集与处理 中图分类号：ＴＰ３９３．１８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—２２１ ９（２０１１）０４—００８３—０４ 目前国内污水检测的主要方法是检测人员到检测河流 或者湖？ｆＪ等地方采集样品，然后带回检测中心进行检测，这 种检测方式人工成本高，效率低，并且污水检验缺乏时效性， 污染源往往由于缺乏时效的检测难以进行确定，对污水治 １水质检测系统框架与硬件设计 本系统由传感器节点，带ＧＰＲＳ功能的无线网关平『Ｊ数 据接收与管理上位机软件组成，以下图１和表１分别是他感 器节点的系统硬件组成图和传感器节点主要器件的选型。 带ＧＰＲＳ功能的无线网关的硬件组成图如图２所示，其 理、污染控制等工作造成极大的困扰。研究开发能够进行大 范围远程自动化的城市污水检测系统显得非常必要和迫切。 目前国内已有借助无线传感器网络进行污水检测的研究和 应用 】，主要论及无线传感器系统搭建…，网络设计与部署 口 和中继网关设计 Ｊ，对传感器接口电路和传感器节能供电 系统没有进行深入的研究。 中无线收发模块由射频芯片ＣＣ１０００及其外围电路组成，微 处理器采用ＡＴＭＥ ＧＡ１２８Ｌ，而ＧＳＭ模块主要有ＴＣ３５ｉ， ＳＩＭ卡及其外围电路组成。 数据接收与管理上位机软件利用管理信息系统技术和 Ｗｅｂ数据库技术，采用ＪＡＶＡ语言进行开发。改软件具备 数据接收与处理，实时显示节点采集参数、健康指数和 络 拓扑图，并且实时将数据存储至数据库，通过ＩＮＴＥＲＮＥＴ 可实时访问服务器查看数据库数据，必要时能将存储数据以 多种格式导出以供分析研究。水质检测系统总体榧架如图３ 所示。 本文为了实现污水的大范围精确自动化监测，针对目前 国内已有借助无线传感器网络进行污水检测的研究存在的 不足，提出了采用无线传感器网络（ＷＳＮｓ）技术，对城市 排水管道和污水汇流处布设无线传感器节点进行城市污水 的多参数成分含量监测，并通过ＧＰＲＳ网关对监测数据进行 远程发送，通过ＷＳＮｓ数据管理软件将远程发送而来的数 据进行处理，实现实时的数字化、图形化显示，以达到城市 污水的实时监测的作ｆｆＪ，并且传感器接ＶＩ电路和传感器节能 供电系统进行了深入的研究。 ２系统软件设计 ２．１传感器节点软件设计 本系统的传感器节点软件开发，是基于ｆｉｎｙＯＳ系统，利 用ＮｅｓＣ语言进行编程实现的。ＴｉｎｙＯＳ采用基于组件式的架 构形式 １，其通信组件如图４所示。 收稿日期：２Ｏ１Ｏ一１１—１２ 修回日期：２０１ｌ－－０２一ｌＯ 基金项目：广东省科技型中小企业技术创新专项资金项 目（２００９ＣＤ００７８，２００９ＣＤ００７９，２００９ＣＤ００８０）。 水薅肇测僚熙 纛 嚣蛆 ｉ ≯加转换ｉ。 作者简介：陈强（１９７９一），硕士，主要研究方向：数 据挖掘、无线传感器网络应用研究。 通讯作者：卢肩福（１９８４一），硕士，主要研究方向： 无线传感器网络应用研究。ｆｕ２００４３５８３１９＠１２６．ｃｏｍ 嬲采集 々 ｛ 器电源供给与 ｝理模块 射 ， 图１传感器节点的系统硬件组戍 ８３ 无线收发射频 模块 （负责与无线传感器 数 理器 ＧＳＭ通信 同落进行通信） 模块 模块 电源供给与香理模块 图２带ＧＰＲＳ功能的无线网关硬件组成图 查 竺垒兰！皇圭兰堡 ！！ 名称 类型或者型号 儆处理器 ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ 射频芯片 ＣＣ１０００ ＰＴＩＯ０ 铂电阻温度传感器 ＩＳＥ２５Ｃ１型氟离子选择传感器 传感器 银一氯化银参比复合ＰＨ值传感器 工业污水检测用电导率传感器 工业污水检测用溶解氧传感器 干电池为备用电池，太阳能充电 电源控制模块 给蓄电池充电 网关节点上电后进行协议栈的初始化和硬件设备的初 始化，包括ＧＰＲＳ模块的、ＣＣ１０００的初始化和ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ 的初始化，然后构建网络。网关节点首先进行能量扫描，能 量扫描由ＭＡＣ完成，依据信道的繁忙程度选择能量损耗低 的一些信道作为建立网络的备用信道１３１。由网络层在合适的 囤臣 回 、 。…． 一针苒墨 机 ………～ ’ 二一 ： ……一 －／ ？－、 、， ≥ 。 ，一 ＼．．． ／一 ： 一 ， 一 图３水质监测系统总体框架图 ＠：：： ： …／ 图４多跳无线通信应用程序组件图 其中ＭｙａｐｐＭ．ｃｎ为用户自定义，ＭｙａｐｐＭ．ｃｎ接ＩＡ文件结 构如表２所示。 ８４ 丧２ ＭｙａｐｐＭ．ｃｎ接口丈件结构 组件美型 Ｔｉｍａｒ ＡＤＣＴｉｍｅｒ Ｔｉｍｅｒ ＳｅｎｄＴｉｍｅｒ Ｌｅｄｓ ＳｔｄＣｏ——ｎｔｒｏｌ ＰｈｏｔｏＣｏｎｔｒｏｌ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ 需调用接口组件 Ｖｏｌｉｇａｔｅ ＭｈｏｐＳｅｎｄ Ｓｅｎｄ Ｒ ｏｕｔｅＣｏ．．． ｎｔ．． ｒｏ．．ｌ ．．．．．． ．．．．．．——ｒｅｓｕｌｔｔ ＿ｒｅｓｕｌｔ＿ｔ Ｅｎａｂｌｅ（ｖｏｉｄ） ＰｏｗｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔ 提供的接１２Ｉ组件 Ｓｔ—ｄＣｏ—ｎｔｒｏｌ Ｄｉｓａｂｌｅ（ｖｏｉｄ） 道中选定信道。网络构建成功后，进入监控状态包括监控中 心的计算的控制信号、传感器节点的无线信号和子节点加入 网络信号，分别按照指令来执行相应操作。 ３传感器接口与供电系统设计 ３．１传感器接口设计 本系统对水质进行了多参数监测，包括水质温度，氯含 量，ＰＨ值，电导率和溶解氧含量等参数的监测，因此传感 器的选定和接口电路的设计对于水质参数数据的采集显得 非常重要。本节主要介绍了ＰＨ传感器、溶解氧传感器和电 导率传感器信号放送电路与温度补偿电路。 温度传感器接口采用两个热敏电阻并联的形式，信号输 出端与主控芯片ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ的ＡＤＣ１端口连接，实现模 拟输出信号进入ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ的１Ｏ位模数转换接１２１，将 模拟信号转换成数字信号。 如图５所示，ＰＨ传感器接口电路采用了两种运算放大 器ＣＡ３１４０和ＬＭ３２４。该接口电路采用了一个ＣＡ３１４０作为 初始信号的放大器，ＣＡ３１４０的ＩＮＰＵＴ和ＩＮＯＬ厂ｒ－Ｎ接收输 入数据，ＯＵＴＰＵＴ的输出信号一方面作为自身的反馈，另 一方面作为由两个ＬＭ３２４组成的两级运算放大器的第一级 ＩＮ一输入信号。第一级的输出作为第二级的ＩＮ一输入信号，两 级的输出信号均作为反馈信号返回到ＩＮ一。信号经放大后， 输入ＡｋＤ转换器转换。 图５ ＰＨ传感器接口电路 如图６所示，溶解氧传感器接口电路采用ＯＰ０７作为运 算放火器。ＯＰ０７是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算 放大器。 于ＯＰ０７具有非常低的输入失调电压，所以ＯＰ０７ 实验室主机。传感器节点数为７个， 哭数为１个，利｝ｆ】 在很多应用场合不需要额外的调零措施。ＯＰ０７同时具有输 ＧＰＲＳ无线网关广播功能实现７个节点同步休眠与同步唤醒 入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失凋，高开环增 功能，节点进行包括数据采集和数据传输的工作时问为１ 益的特性使得ＯＰ０７特别适用于高增益的测 没备和放大传 分钟，之后进入２９分钟的同步休眠期，即以３Ｏ分钟为一个 感器的微弱信号。本设计中，传感器采集的信Ｌ）输入到ＯＰ０７ 周期，同时工作１分钟，同时休眠２９分钟，７个节点数据 的一ＩＮ和＋ＩＮ，经过放大后输出到ＡｋＤ转换器进行转换。 传输网络采用多跳路由方式，对于传感器接口电路的供电亦 如图７所示，电导率传感器接口电路采用两级ＭＣＰ６００１ 实现与节点工作方式同步，即在节点破唤醒之前５ｓ实现电 作为传感器信号的放大电路，传感器采集的数据输入到第一 源对传感器供电，节点休眠时停止对传感器接口电路工作， 级ＭＣＰ６００１的ＶｉｎＡ．和ＶｉｎＡ＋，经第一级放大后输出到第二 在节点被唤醒之前提前５ｓ实现对传感器供电，保证了 点 级的输入端ＶｉｎＡ＋，再经第二级放大后输出到ＡｋＤ转换器， 进行数据采集时传感器信号的稳定性。ＣＣ１０００射频功率没 两级的输出信号均作为反馈信号输入各自的ＶｉｎＡ一引脚。 置为ｌｄＢｍ（８ｄＢｍ最大，一２０ｄＢｍ最小）。系统硬件分布如 图９所示。在本文中，太阳能充电电池采 ２节１．５Ｖ， ２３００ｍＡｈ非充电干电池给传感器节点供电，采用４节１．２Ｖ， ２３００ｍＡｈ品胜充电电池作为充电电池并 给传感器接口电 路供电，而太阳能板则采用５Ｖ，３３０ｍＡ单品硅太阳能，ＧＰＲＳ 无线网关则采用３Ｖ直流电供电。 ‘ 图７电导率传感器接口电路 …＼ｒ／ 一 ．乏 ＿一 一一一， ｌ３．２ ＧＰＲＳ无线网关太阳能供电系统设计 ～ ｆ． ★ ， 。 太阳能供电系统为了解决无线传感器网络网关能量供 给问题而设计的，本文提出了一种利用太阳能进行ＧＰＲＳ 无线网关供电的系统装置，目的在于给予ＧＰＲＳ无线网关长 时问持续的供电，解决了干电池供电对ＧＰＲＳ无线网关长时 图９系统硬件分布图 间稳定监测的瓶颈问题。太阳能升压与充电控制模块电 路图如图８所示。 ４．２系统运行结果与讨论 如图８所示，太阳能升压与充电控制模块采用了采用了 根据以上实验条件于２０１０年１月ｌ５日至２０１０年７月 ＤＣ—ＤＣ转换集成ＩＣ并利用一定参数的电容、电阻和电感搭 ３日对该系统从以下方面进行了系统运行实验： 建外围电路来实现升压功能，并且采用稳压管、开关管和电 １）节点数据包传输率试验 阻元器件搭建电路实现太阳能充电功能，通过该电路，太阳 试验节点Ｎｏｄｅ １至Ｎｏｄｅ ７以３Ｏ分钟为一个周期，同 能电池板产生的０－－－３．５Ｖ的输入电压通过升压电路和充电 时工作１分钟，同时休眠２９分钟，在工作１分钟时间里， 电路给充电电池充电，当充电电池电压超过３．５Ｖ时，通过 每４ｓ节点发送１个数据包，数据通过无线网关发送至实验 开关管迫使升压电路停止工作，从而使停止对蓄电池进行充 室主机，利用主机的数据接收与管理软件对数据包进行记录 电。 和存储，在节点能量供给正常情况下进行连续５天的实验， ｔ 得到如下表３所示 ７个节点的平均数据包传输率。数据包传 ４系统运行结果 输率，如式（１）， ４．１实验条件 ＾厂 于华南农业大学校内地下管道井盖口 ， ×１００％ （１） 式中：ＮＲ，ｐｄｒ＿＿一一试运行期内各节点数据包传输率，％， Ⅳｆ——试运行期内各节点应收数据包总数；Ｎｒ——试运行 期内各节点实收正确数据包总数。 表３各节点平均数据包正确传输率 节点号 平均数据包正确传输率 图８太阳能升压与充电控制模块电路 Ｎｏｄｅ １ ９０．１％ 布设污水监测的无线传感器网络节点，并在节点分布区域中 Ｎｏｄｅ ２ ５５．４％ 心位置布置ＧＰＲＳ无线网关，由ＧＰＲＳ网关汇集数据发送至 Ｎｏｄｅ ３ ９０．４％ ８５ Ｎｏｄｅ４ ８３．６％ Ｎｏｄｅ ５ ９６．９％ Ｎｏｄｅ ６ ９７．９％ Ｎｏｄｅ ７ ９６．５％ Ｎｏｄｅ ２由于道路树木的遮挡，试验开始两天传输正确 率非常低，只能达到２％左右，经过第三天调整Ｎｏｄｅ ２与旁 边树木的相对位置之后，Ｎｏｄｅ ２后三天的平均传输正确率 达到９ｌ％，在各个节点ＭＡＣ层协议、路由协议、采集与发 送时闽模式、工作周期相同的情况下，出现了数据包传输正 确率的差别，除了受到放置位置影响，还受到各个节点电池 差异性、物理硬件差异性等的影响。总体来说，系统各个节 点的数据传输率较高，达到设计要求。 ２）节点寿命测试试验 以与以上实验条件相同、节点工作模式和工作周期相同 的条件进行节点寿命测试试验，实验时间从２０１０年１月２６ 日至２０１０年６月３日，各节点的节点电压变化情况如下表 ４所示： 表４各节点的节点电压变化情况 Ｎｏｄｅ ３节点在７个节点中的电压下降幅度最大，经过 分析，这是由于节点３电池本身质量问题造成的，从表１ 中可看出在以上实验条件、节点工作模式和工作周期相同的 情况下，节点能够正常工作至少４个月（节点电压下降至 ２．５Ｖ以下，工作采集和发送数据无效），可预想当适当调 整ＭＡＣ层协议、路由协议、采集与发送时间模式和工作周 期时，可进一步延长节点正常工作时间。 ３）ＧＰＲＳ网关工作稳定性和太阳能供电装置性能测试 直流电持续供电情况下：在以上试验中，通过直流稳压 电源给ＧＰＲＳ无线网关持续供电，工作稳定。 利用本文所设计太阳能供电模块进行供电时，在与以上 所述实验条件相同、节点工作模式和工作周期相同的条件 下，ＧＰＲＳ无线网关持续进行利用主控芯片时钟计时进行 ９０ｓ的以３０ｍｉｎ为一个周期网络唤醒广播、监听、数据收发 和网络休眠广播的工作，在没有直流稳压电源持续供电同时 利用５Ｖ，３３０ｍＡ单晶硅太阳能板通过充电电路给３节串联 的１．２Ｖ，２３００ｍＡｈ品胜充电电池充电的情况下，ＧＰＲＳ无 线网关能够进行持续有效工作１６６．５ ｈｏｕｒｓ，在测试的３Ｏ多 天时间里，出现５天阴雨天，其他时间阳光明媚；而在没有 直流稳压电源持续供电和太阳能供电装置供电的情况下， ８６ ＧＰＲＳ无线网关利用３节充满电的串联的１．２Ｖ，２３００ｍＡｈ 品胜充电电池供电下只能进行持续有效工作４６个小时，可 见太阳能供电装置在不能用直流稳压电源持续供电情况下， 能起到延长网关工作时间的目的。 ５结论与讨论 本文在研究无线传感器网络的基础上，提出了基于无线 传感器网络的城市污水监测系统的构成方案，并在此基础上 构建的无线网络平台上进行了平台运行实验。实验验证了通 过该系统进行无线水质监测的可行性。把无线传感器网络应 用于水质监测中将会给环境监测事业带来极大的方便．由 于它可以在恶劣的环境下实现低功耗的长时间监测，其应用 具有广阔的应用前景．传感器采集节点放置位置灵括，此项 技术还可以方便地扩展应用于智能家居、水文检测以及环境 卫生等领域．。 参考文献： …柴淑娟，赵建平．基于无线传感器网络的水质检测系统的 研究【Ｊ】．曲阜师范大学学报，２０１０，１（３６）：７５—７７． 【２］杜治国，肖德琴，周运华等．基于无线传感器网络的水质 监测系统设计【Ｊ】．计算机工程与设计，２００８，９（２９）：４５６８— ４５９２． 【３】王翥，郝晓强，魏德宝．基于ＷＳＮ和ＧＰＲＳ网络的远程 水质监测系统【Ｊ】．仪表技术与传感器，２０１０，１（１）：４８—５２． 【４】刘丽．基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的无线传感器网络在水质监测系统 中的应用【Ｊ】．安徽职业技术学院学报，２００９，８（１）：１４—１７． 【５］段美霞，姚淑霞．基于ＷｉｎＣＥ的水质检测系统设计与实现 【Ｊ】．人民黄河，２０１０，３２（５）：６０－６１． 【６】杨树兴．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的水质实时监测系统的设计［Ｊ］． 中国信息科技，２００９，１２（２４）：１０２—１０４． 【７】李震，Ｗａｎｇ Ｎｉｎｇ，洪添胜等．农田土壤含水率监测的无线 传感器网络系统设计［Ｊ］．农业工程学报，２０１０，２６（２）：２１２— ２１７． 【８】张瑞瑞，赵舂江．农田信息采集无线传感器网络节点设计 【Ｊ１．农业工程学报，２００９，２５（１ １）：２１３—２１８． 【９】马娅婕，尹首一，田翔川．基于ＴｉｎｙＯＳ的多跳式传感器网 络［Ｊ】．计算机工程，２００９（１）：２７２・２７６． 【１０１王锋．城市水质安全监测系统的设计与实现【Ｄ】．大连理工 大学，２００８，１２． 【１ １】田杰，蒙建波．ＰＨ计前置放大器的设计与电磁兼容相关技 术问题．自动化与仪器仪表，２００７，６（１３４）：５９—６１． 【１２】国家环境保护总局．电导率水质自动分析仪技术要求［ｓ］． ＨＪ／］ｒ９７・２００３，２００３，３． ［１３１雷杰，朱骥，马学宗．智能溶解氧传感器的设计与开发［Ｊ］ ＿仪器仪表与分析监测，２００７，２，２８—３０． ［１４】黄谭友，杨启洪，廖继海．太阳能升压与电池充电控制电路 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