基于物联网技术的成都沙河水质实时监测系统设计

引言

物联网是在互联网的基础上实现传感信息技术、通信技术和计算机技术三者为一体的智能网络。由于具有这三者的特征，物联网的应用领域非常广泛，如工业、农业、军事、环境、交通、物流、医疗、电网、学校等，且具有成本低和实时监测功能等优势。

沙河是流经成都市的主要河道，属岷江水系，起于成都市北郊洞子口向东南流约3km又分洗瓦堰、砖头堰。洗瓦堰是沙河干流。1954—1957年，在原有小沙河的基础上改造和扩建而成了全长22.223km，河道最窄处15.6m，最宽处55m，平均水深4m的穿城河。该河现有11座水闸，3座跌水坝及3座小型发电站。近几年，岷江中游及沱江支流水质污染仍然严重。特别是沱江、岷江流经成都部分断面水质较差，以V类（较差）和劣V类（污染严重）为主。在近几年治理沙河的过程中，传统的水质监测取样也凸显出不足的地方。

事实上，传统的水质监测取样是在监测点水体中进行人工取样，装瓶加入试剂固定后送实验室进行分析，因而耗时长、步骤复杂、样品不易保存。如遇到上游水体被污染的情况，传统的水质监测手段往往不能及时监测到污染情况，使得下游的农业用水以及城市用水面临水源短缺的情况。水质监测的实时性有待提高。

1系统总体设计

由于传统水质监测存在取样难、不能实时监测、费时费力等不足，本设计在河段关键点（如闸门、工厂等）布置多个水上节点（水质参数采集节点、远程视频采集节点、ZigBee+GPRS无线网关）。对于本设计中的流经成都的岷江支流之一的沙河，可在沙河源头北郊洞子口、东郊供水渠道洗瓦堰、中上游的三洞古桥公园、中游的麻石桥和电子科大、下游的塔子山公园和东篱翠湖公园以及河流流经的水闸、水坝、电站、工厂等沿河流布置相应数量的节点。图1所示是沙河中上游的重要节点分布图，图2所示是沙河中下游重要节点分布图。

图1  沙河中上游重要节点分布图

图2  沙河中下游重要节点分布图

通过水质参数采集节点可实时采集PH值、水温、水位、重金属含量、浊度等水质参数，并通过ZigBeeEndpoint（节点）上传给无线网关的ZigBee协调器，再由后者经串口送入GPRS传送到服务器；同时通过3G视频摄像机采集水面视频信息，由3G方式送入（移动）服务器。运行于服务器上的信息管理系统将对数据进行统计、分析，并根据饮用水用水的管理要求实时预警。管理人员则可通过平板电脑、PC等方式获取实时水质数据。图3所示是基于物联网的沙河水质实时监测系统的设计结构图。

2感知层设计方案

除了常见的温度、PH值、溶氧、水位等传感器，因为本设计是针对河流水质监测，所以还应有重金属、有机物传感器。

水体污染的化学成分主要有酸碱等无机物、重金属（汞、镉、铬、铅等）、氰化物（如HCN、NaCN）、有机化合物、放射性污染等。这些参数可利用光纤化学传感器来检测。光纤化学传感器是近几年出现的新型器件，它的工作原理如图4所示，光源发出的光经由光纤进入调制区（固定有敏感试剂）,被测物质（如重金属离子污染物的水体）与试剂作用会引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学特性发生变化,被调制的信号光经过光纤送入光探测器和一些信号处理装置,最终获得被测物的信息。以水体环境中的镍离子污染检测为例，利用了镍的水合离子在可见光区有3个吸收峰的吸光度值,通过射频单元与其他节点进行无线通信，从而实现镍离子的污染监测。光纤化学传感器操作简便、快速、便携，具有响应快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小、功耗小、耐高温与腐蚀等特点。

图3  基于物联网的沙河水质实时监测系统设计图

图4  光纤化学传感器工作原理

采用接触式的热电偶温度传感器可与水流直接接触，具有较高的测量精度，相比非接触式温度传感器，成本更低。

PH传感器是通过检测被测物中氢离子浓度来达到监测水质PH值的目的，并且转换成可输出的信号。可采用贝尔公司的T255或T335PH传感器，可针对废水污水、电镀废水等多种场合的测量。

LC-SW1型水位传感器能将被测点水位参量实时地转变为相应电量信号，具有精度高、稳定性好的特点。

WQ750水质浊度传感器使用光学测量法，可靠测量水质浊度。浊度传感器主要布置在闸门等关键地点。

本设计采用的PH、水温、浊度、重金属、水位五类传感器均可通过RS485总线接收来自外部MCU的控制指令，然后返回测量原始值、温度值、工程值等三个参数，因而可以大大简化感知层的设计工作。传感器节点结构如图5所示。其中ZigBee媒体接入层采用的是IEEE802.15.4标准的MAC层协议规范。

采用130万像素的3G视频摄像机可通过3G无线上网接入3G网络(支持移动TD-SCDMA、联通W-CDMA、电信CDMA2000)。3G无线上网采用内置3GModem，只需在3G无线摄像头上插入SIM卡即可使用。3G视频摄像机仅在几个主要地段布置即可。

本设计的ZigBee节点选用CC2530节点，该类节点带有CC2591增益放大模块，最远通信距离可达1km。

本设计的软件由感知层WSN软件子系统、网络层ZigBee/GPRS软件子系统和应用层水质信息管理系统等三部分构成。感知层WSN软件子系统是根据表1所示的通信协议,基于ZigBee2007Pro开发的具有自组网功能的星型网络。其中,帧类型主要有节点入网、获取网络参数、获取传感器参数等。

表1所列是系统的WSN数据帧格式。

表1WSN数据帧格式

3网络层设计方案

本文的网络层关键技术包括节点及网关、接入与组网技术等。物联网连接的感知信息系统具有很强的异构性，即不同的系统可以采用不同的信息定义结构、不同的操作系统和不同的信息传输机制，需要通过网关（Gateway）来实现多种设备异构网络接入。当前，物联网的网络层一般基于IP化的互联网和电信网络，采用IPv6/IPv4协议，感知层节点利用无线通信技术相互连接（如2G、3G、4G、卫星通信、WiMAX、WiFi,UWB、蓝牙、ZigBee、RFID等），而本设计采用的无线联网技术主要有ZigBee及GPRS。

3.1ZigBee无线传输

ZigBee的传输范围一般为10~100m，在增加RF的发射功率后，也可增加到1~3km。这里是指相邻节点的距离。由于ZigBee网络主要定义了两种类型的物理设备一一全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD），本设计中在沙河沿岸布置只具有接收和发送功能的RFD设备，在前文中提到的三洞古桥、电子科大以及闸门等河流主要流经地布置具有路由器功能的FFD设备，通过路由与节点间的通信接力，使得传输距离增加。本设计是针对长度约为22km的河水监测，通过合理的节点分布与通信接力，监测范围能够达到覆盖河水的目标。3.2GPRS网络传输

ZigBee/GPRS无线网关用于完成管理控制、协议转换以及数据转发功能，可以支持WSN网络数据（即无线传感网络）协同和汇聚，并支持ZigBee及GPRS接入，从而桥接WSN与互联网。GPRS无线传输系统采用的是服务器/客户端模式。首先由客户端向服务器域名的地址发起连接，服务器等待客户端的连接请求，请求信息进入GPRS网络后，通过GSN转换为Internet的网络数据；信息到达局域网网关后，端口映射选择所提供服务的计算机和程序，服务器接收到客户端的请求,从而建立起通信链路。GPRS网络传输流程如图6所示。

设计中通过布置在几个关键流域口的3G视频摄像头，以每8~24h的频率拍摄一张图像，通过已有的GPRS网络传输信息，从而可以结合河流水质参数和河面情况，多方面了解河流的实时情况。

4应用层设计方案

ZigBee的应用层主要是根据具体应用自主开发，以维持器件的功能属性，根据服务和需求使多个节点间能够进行通信。ZigBee应用支持子层（APS）为网络层和应用层利用ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象所使用的一组服务提供了接口。ZigBee协议栈体系如图7所示。

在本设计中，应用层的水质监控信息管理系统采用B/S架构（即浏览器和服务器结构）设计，通过WebService（即Web服务）提供面向ZigBee/GPRS网关和用户的服务。Web服务的基本架构由三个参与者和三个基本操作构成。三个参与者分别是服务提供者、服务请求者和服务代理，而三个基本操作分别为发布、查找和绑定。Web服务的基本架构如图8所示。

另外，可以把数据库放在Web上，建立基于Web服务的数据库管理系统，这样就可以在更大范围内实现资源远程共享。该系统能够实时获得布置在河流各个地点的各种水质参数，并通过GPRS网络获得3G摄像头拍摄的水面图片，具有参数设置、统计分析、污染超标报警、储存数据等功能。

5结语

本文基于水质传感器、GPRS、ZigBee等物联网技术手段设计了一套水质实时监测系统，对岷江支流之一的沙河(包括较长流域:20~50km的河流)进行重金属含量、PH值、浊度、水位、温度等水质参数的实时监测。此外，通过在CC2530节点上配置不同的传感器，就可以对系统的监测进行扩展，还可通过3G网络获得重要河流段的视频、图像信息。另外，还可方便地进行传感器的增减和配置。

基于物联网的无线传感网络应用于环境监测(水质、土壤、空气等)具有低功耗、实时性、成本较低(ZigBee免费)、组网灵活、适用性广等独到优势，应用前景广阔。

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