基于ZigBee和GPRS的水環境實時動態監控系統

淮安信息職業技術學院 劉步中

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基于ZigBee和GPRS的水環境實時動態監控系統

淮安信息職業技術學院 劉步中

【摘要】針對水環境污染問題，采用ZigBee和GPRS技術研發了水環境實時動態監測系統，該系統是基于ZigBee無線自組網技術的硬件無線傳感網，負責水環境監測指標的實時動態采集與傳輸；采用WebGIS實時動態監測軟件系統，實時監測并模擬水環境的動態變化，精確定位污染源并預警污染事故的發生。運行結果表明，該系統實現了對水環境監測數據的自適應采集及實時、可靠地高效傳輸，為水質的監控與治理提供良好的技術支撐與可靠的數據支持。

【關鍵詞】水環境監測；傳感器網絡；數據管理軟件；Zigbee協議

1　引言

良好的環境對人類和動植物的生存以及健康成長至關重要，而高速的發展卻帶來了水環境嚴重污染問題。我國工業化進程的加快，導致水環境污染日趨嚴重，人類飲用水及水產養殖業均遭到不同程度的影響。水環境中的溶解氧、水溫、PH值及濁度等參數能較直觀地反映該水域水質水平，因此對這些參數的實時監測有助于及時察覺水質變化，對水質的保護具有較強的現實意義。

2　水環境監測系統總體方案

水環境監測系統主要由監測中心和傳感器網絡兩部分組成。根據被監測水域面積大小，傳感器網絡通過CC2420模塊組建若干個ZigBee網絡，實現自組網功能。監測節點通過傳感器采集獲取水域的溶解氧、水溫、PH值及濁度等參數，并通過CC2420模塊將數據發送至數據基站。數據基站收到數據根據通信協議封裝成幀，由GPRS模塊發送至監測中心，監測中心接收到數據后，實時顯示數據曲線并將數據存儲至數據庫。系統能夠顯示監測節點的工作狀態，并在監測節點及數據基站的運行出現問題時發出報警信號。水環境監測系統整體架構如圖1所示：

圖1　水環境監測系統整體構架

3　水環境監測系統硬件設計

3.1監測節點

水環境監測系統的硬件部分主要由監測節點和數據基站兩部分組成。監測節點主要由電源管理模塊、數據采集模塊、控制器模塊、通信模塊以及其他一些外圍電路組成。監測節點總體框架如圖2所示。通過數據采集模塊采集對應水域水質的水溫、PH值、溶解氧濃度、濁度四個參數，數據通過控制器進行相關的處理后由CC2420將數據發送至數據基站，并存儲到外部存儲模塊中。

圖2　監測節點總體架構

3.2數據基站

數據基站是向監測節點發送命令和接收監測數據，將接收的數據根據協議封裝成幀后發送至監測中心，數據基站與監測中心之間通過GPRS模塊進行通信，每一個數據基站主要負責對分布在其所在水域的傳感器子網絡中的監測節點進行數據采集和狀態監測。數據基站增加了GPRS模塊，用于與監測中心的服務器通信。數據基站整體架構如圖3所示：

圖3　數據基站整體架構

圖4　協調器自動組網流程

圖5　路由器節點功能流程圖

4　水環境監測系統軟件系統設計

4.1協調器節點軟件設計

協調器節點負責組建ZigBee子網絡的水質監測數據，并通過GPRS傳送數據到監測系統，協調器自動組網實現軟件流程圖如圖4所示。協調器節點上電啟動后首先進行初始化，再對信道進行能量監測，選擇合適的信道為網絡分配唯一的PAN標識符，成功建立網絡。網絡建立后協調器等待路由器節點的入網請求，當協調器接收到路由器的入網請求后，會根據路由器節點容量和地址匹配等判斷是否允許路由器入網。路由器入網成功，協調器給新入網的路由器創建一個入口，并自動分配唯一的網絡地址。

4.2路由器節點軟件設計

路由器節點是通過傳感器采集大量水域水質監測數據并進行A/D轉換，將數據發送至路由器父節點路由器，并逐級向上傳遞至協調器節點。其軟件實現流程圖如圖5所示。

路由器節點上電首先進行硬件初始化，向協調器節點發出入網請求。路由器節點得到協調器的允許入網響應后會成為此網絡子節點。

5　結論

針對水環境污染問題，提出了一種水環境實時動態監測系統的研發技術方案，采用Zigbee無線自組網技術研發系統，實現對水環境相關參數實時動態采集與傳輸，實現了低成本運行。通過GPRS技術實現數據交互，實時動態采集并傳輸水環境監測數據至系統，采用數據庫技術研發的B/S模式下基于WEBGIS的系統，實現了水環境采集數據的實時動態監測與統計分析，能更直觀的展示水環境質量狀況、污染程度、發展趨勢。該系統組網靈活、易布設，為水環境監視與控制提供了良好的技術支撐和可靠的數據支持，具有良好的應用和推廣價值。

參考文獻

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劉步中（1982－），男，江蘇鹽城人，講師，工程師，研究方向：嵌入式系統技術，物聯網技術。

Dynamic Monitoring System of Water Environment Based on ZigBee and GPRS Technology

Liu Bu-zhong
(Huaian college of Information Technology)

Abstract:A real-time dynamic monitoring system of water environment is developed based on the technologies of ZigBee and GPRS . The system is hardware wireless sensor net , which collects and transmits real-time monitoring data of water environment , which within the net; WebGIS-based real-time monitoring software system for water environment , which monitors and simulates the real-time change of water environment , positions accurately pollution source locations and warns pollution accidents happening . In the operation , the system realizes adaptive data collection and effective transmission , and provides a technological support and basic data for monitoring and governance of water environment.

Key words:Water environment monitoring; sensor networks ; data management software; Zigbee protocol

作者簡介：

基金項目：2015年淮安市科技計劃社會發展項目（總編號：HAS2015016，子項目編號：HAS2015016-2）。