基于GPRS技術的水質分析傳感網絡構建

楊　杰,高秀敏,張　宇,李　楠,郁　敏,南學芳（杭州電子科技大學電子信息學院,浙江杭州 310018）

基于GPRS技術的水質分析傳感網絡構建

楊杰,高秀敏,張宇,李楠,郁敏,南學芳
（杭州電子科技大學電子信息學院,浙江杭州 310018）

基于分組無線業務（GPRS）技術特性,采用無線射頻傳感網絡的搭建、面向對象的軟件開發語言（JAVA）、安卓技術、光的散射原理以及光譜水質檢測技術,開發了面向水環境的自動檢測、分析系統,該系統主要實現對環境水濁度的檢測。利用無線分組服務數據通信技術遠程傳輸檢測數據,并將檢測軟件嵌入到手機上,實現手機隨時檢測水濁度,全面提升了系統的自動化水平；利用功放技術,使射頻范圍擴大至2 000 m,且實測丟包率小于0.5%；利用射頻傳感網絡組網,實現2 000 m半徑范圍共用一個GPRS網關連接互聯網,一個組網下掛探頭最多可達255個,成本減少40%,同時讀取255個探頭的實測網絡耗時不超過5 s。通過系統硬件與軟件的設計,模擬實驗結果表明,該系統可以實現可靠的遠程管理和無線傳感網絡的高速率通訊。

GPRS；無線傳感；散射；濁度；光譜

引 言

近年來隨著工業的發展,科技的進步,人們生活水平的提高,水環境的污染也成為一個日益嚴重的問題。工業廢水、生活污水的排放如果得不到有效的治理將會嚴重影響人們的生活,而很多場景都不適合長期近距離監測,如污染嚴重的化工廠附近水域,面積巨大的江河湖泊,水產養殖公司的養殖水域等,所以本系統將利用先進的光散射原理及光譜水質檢測技術對水濁度進行低成本的遠程實時監測,以便進行有效的治理。

GPRS水質分析傳感系統是采用遠程通信［1］和計算機控制等手段自動進行水濁度的實時采集與傳輸處理系統。從數據傳輸方式來看,水質數據采集系統主要通過無線分組業務［2］來傳輸。因為GPRS具有速度快,網絡覆蓋范圍廣,擴展容易,維護簡單,使用費用低,性價比極高等優點；射頻網絡具有組網方便,成本低,功耗低,組網節點數多等優點。基于以上優點本文主要研究基于射頻組網技術的GPRS水質分析傳感網絡［3］的搭建與實現,以及基于光柵微型光譜儀［4］的水質分析方法。整個系統主要實現對環境水濁度的檢測與數據采集傳輸處理［5］。

1　系統原理與組網

本系統主要由一個濁度分析探頭,GPRS系統,以及PC機或者安卓手機［6］構成。首先,將濁度分析探頭放入水中,用戶通過GPRS發出檢測指令,探頭開始工作,探頭上的LED發光照射到水中顆粒物上,利用測量穿過待測水樣的入射光束被待測水樣中的懸浮顆粒色散所產生的散射光強度來獲取數據,探頭將獲取的數據通過網絡傳給用戶,然后經過一定的算法即可得到我們所需要的濁度信息,從而實現對水質的無線監測與數據傳輸。系統原理圖如圖1所示。

圖1　系統原理圖Fig.1　System schematic

無線分組業務廣泛應用于水質分析,基于GPRS的水質數據采集系統通過遙測終端［7］將現場傳感器采集到的數據利用GPRS網絡和Internet網絡傳輸到監測中心的數據庫服務器［8］,該組網系統主要由數據采集系統、集中器、GPRS數據傳輸網絡［9］、監控中心4部分構成,其中數據采集系統主要由水質探頭和射頻節點構成,將探頭獲取到的數據通過射頻節點傳出；集中器主要包括GPRS模塊和射頻接收模塊,負責接收來自每個探頭的數據然后通過GPRS數據傳輸網絡傳給服務器,監控中心通過訪問服務器便可得到監控數據。系統組網如圖2所示。

圖2　系統組網Fig.2　System networking

水質探頭由光譜傳感器與采集器構成,光譜傳感器將水文監測數據轉換成脈沖,采集器采集脈沖,數據采集后,在與服務中心通信前存儲在終端子系統中。采集器通過RS232串口連接的射頻模塊nRF24L01P與集中器內置的射頻模塊相互通訊。集中器是數據傳輸裝置［10］,即GPRS DTU通信模塊和射頻傳輸模塊。它是水文數據采集系統的中心管理和控制設備,負責定時讀取采集器數據［11］、系統的命令傳送、數據通信和網絡管理等功能。GPRS DTU基于GPRS網絡平臺、內嵌TCP/UDP（傳輸控制協議/用戶數據報協議）及功能強大的單片機系統,提供RS232串行接口,可以直接與電力線通信（PLC）系統、遠程終端控制（RTU）系統、饋線自動化終端設備（FTU）和配電變壓器采集終端（TTU）等采集設備透明連接［12］,實現GPRS遠程實時數據傳輸功能［13］。GPRS模塊內含有一個用戶識別卡（SIM）模塊, SIM卡號是GPRS模塊的唯一標識。射頻模塊nRF24L01P接收一個局域網探頭所采集到的數據,傳輸距離達2 000 m,完全可滿足某個工廠的需要,射頻模塊收集到的數據通過GPRS傳到服務器。

2　探頭工作原理

本探頭利用散射原理獲取濁度信息,即利用測量穿過待測水樣的入射光束被待測水樣中的懸浮顆粒色散所產生的散射光強度來實現。90°方向的散射光,不受顆粒尺寸的影響,因此濁度儀測量時采用90°散射光檢測。當入射光強度相同時,顆粒物濃度越高,它所引起的光散射與吸收將會成倍增加。為消除顆粒物濃度較高對測量結果的影響,可在探頭光路中增設前向或者后向散射光檢測器。

2.1水質分析探頭的組成

水質分析探頭采用帶有參考光路的可見-紫外光譜分析構架,光譜探頭如圖3所示。由于采用了雙光路雙光譜儀同步采樣的方案,完全克服了光源的不穩定性,而且無需任何運動部件。

2.2探頭的關鍵技術

水質檢測探頭利用了很多光檢測相關技術,有水質光譜分析技術、基于矢量物理光學干涉理論的光柵優化設計、基于像差優化光束光刻方法的光柵加工工藝、基于光柵微型光譜儀的結構設計與研發、多參數水質分析光譜信號處理技術等。利用這些技術能夠準確地采集到水質參數。

圖3　探頭構成Fig.3　Probe constitution

3　濁度數據傳輸原理

3.1濁度數據傳輸協議

數據傳輸方式為半雙工通信方式。通信鏈路的建立與解除均由信息幀來控制。每幀由幀起始符、地址域、控制碼、數據長度、數據域、幀信息縱向校驗碼及幀結束符7個部分組成。

3.2利用射頻模塊完成組網

由于每個GPRS模塊只能連接一個水質探頭,為了節約成本,所以本設計利用射頻模塊進行組網,探頭的串口接在射頻模塊MCU串口上,采集點將探頭的數據通過該射頻模塊無線發送給集中器的射頻模塊,這樣就完成了對所有采集點探頭的組網。后續集中器會將射頻模塊接收到的數據根據協議打包傳輸給服務器。本設計使用的是nRF24L01P射頻模塊,傳輸距離可達2 000 m,滿足實際組網需求。2 000 m半徑內實測丟包率不超過0.5%,如表1所示。

表1　丟包率測試Tab.1　Test of packet loss

3.3集中器和服務器建立連接的過程

集中器上電后,因為內置的GPRS模塊插有SIM卡,可以通過GPRS網絡連接互聯網,然后集中器根據內置的服務器IP地址和端口號向遠程的服務器建立Socket網絡連接,發送接入請求數據包,服務器接收到請求包后,按照協議解析判斷是否為允許接入設備,合法則反饋請求成功數據包給集中器,連接建立成功,進行正常數據收發,否則斷開網絡連接。如果監控中心在一定時間內（時間可以由工作人員設定）不向集中器發送數據,那么集中器就會自動斷開與服務器的連接。

3.4監控中心和服務器建立連接的過程

監控中心是客戶監管采集點探頭數據的地方。監控中心首先與服務器建立Socket網絡連接,輸入賬號、密碼,根據協議打包發送給服務器鑒權,請求接入,服務器比對賬號成功則向監控中心反饋鑒權成功命令,同時根據數據庫賬號匹配集中器MAC地址,確定該監控中心所對應的集中器,連接建立成功,進行正常數據收發,否則斷開網絡連接。

3.5監控中心向采集點發送命令的過程

在監控中心和監控中心對應的集中器均與服務器連接正常后,監控中心將要發送的命令根據協議打包后發送給服務器,服務器匹配集中器的MAC地址,找到該集中器與服務器的網絡連接,然后將監控中心的命令幀通過該網絡連接轉發至采集點所在集中器,集中器接收到命令幀后,解析命令幀,獲取到采集點的射頻節點地址,然后將監控中心的命令發往該采集點,控制探頭做出動作。

3.6采集點向監控中心傳送數據的過程

采集點在探頭采集到水濁度信號后,通過組網射頻模塊將打包好的數據幀發往集中器,集中器的射頻接收到數據幀后,通過串口傳輸給GPRS模塊,該模塊通過網絡通信將數據幀發往服務器,服務器接收到該數據幀后,匹配該集中器MAC地址所屬監控中心的網絡連接,通過該網絡連接將數據幀發往對應的監控中心,監控中心根據數據幀協議解析,得到水濁度信息,通過PC端或手機端軟件直觀地顯示出來。監控中心向采集點探頭讀取水質濁度信息,當掛探頭數量達到最大值255個的情況下,實測從發送命令至接收到所有探頭水質濁度信息總共耗時時間不超過5 s,如表2所示。

表2　不同時間段實測網絡耗時Tab.2　Time consumption for different period

4　應用軟件的設計

監控中心應用軟件安裝在PC上,PC接收數據和發送控制命令是通過應用軟件來實現的。因此,應用軟件的設計主要是指利用計算機高級語言（JAVA）開發工作站上的數據接收和處理軟件。對于GPRS無線數據傳輸方式的軟件開發,采用客戶機/服務器模式（簡稱C/S）,然后進一步將此軟件嵌入到手機上,只要能連網就可以實現手機隨時隨地檢測濁度。該軟件主要實現實時監測數據并將每一時刻的數據繪制成曲線,以便用戶進行觀察比較。數據包括濁度與溫度,軟件界面圖如圖4所示。

圖4　軟件界面Fig.4　Software interface

5　結 論

水質監測與人的生活密切相關,水的濁度監測又顯得尤為重要,如果水質監測數據得不到實時的采集與獲取將給人的生活與國家建設帶來極大的危害。本文提出的GPRS水質監測網絡,無論是在可靠性,價格還是可實施性方面都極具優勢,實現了PC機來監測數據,并且可以利用手機來實時監測數據,這樣工作效率更高更智能化。本文利用射頻進行組網,節約成本,并且可以同時監測多個廠區的多個探頭；提出并研發基于光柵微型光譜儀的水質分析方法,可實現水質分析過程中單個探頭的多參數檢測,以及在紫外-可見光頻段連續光譜分析,解決了用不同檢測方法實現多參數水質在線檢測的技術難題,具有微小型、低功耗、高性能的特性；在PC監測的基礎上,將軟件集成在手機端,利用手機實時監控水質參數,方便且高效。

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（編輯:張 磊）

Construction of GPSR-based sensor network for water quality analysis

YANG Jie,GAO Xiumin,ZHANGYu,LI Nan,YU Min,NAN Xuefang
（School of Electronic Information,University of Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China）

Based on the features of GPRSadopting the wireless radio frequency sensor networks and the language of the object-oriented software（JAVA）,android,the principle of light scatting and the technology of using spectrum to detect the water quality,a system is developed for water environment measurement,which can realize automatic detection and analysis.The most important function is the detection of water turbidity.Adopting GPRS to transmit remote detection data and embedding the detection software in the phone to detect the water turbidity whenever and wherever we are.This technology promotes the level of automation of the system comprehensively.The technology of power amplification is to expand the radio frequency range to 2000 meters and the measured packet loss rate is less than 0.5%.Radio frequency sensor network achieves sharing a GPRS gateway to connect Internet in the range of 2 000 meters radius.A network contains 255 probes.The cost is cut to 60%and the measured network time consumption is less than 5 seconds when 255 probes are read at the same time.By the design of hardware and software,the simulation results show that the system can realize reliable remote control and high rate wireless sensor network communication.

GPRS；wireless sensor；scatting；turbidity；spectral

TP 11

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.009

1005-5630（2016）02-0139-06

2015-07-06

國家重大科學儀器設備專項（2012YQ17000408）；國家自然科學基金面上項目（61378035）；浙江省重大科技專項（2012C12017-5）

楊 杰（1991—）,女,碩士研究生,主要從事光電檢測、水質分析、物聯網方面的研究。E-mail:963900254@qq.com