無線傳感器網(wǎng)絡的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)分析

【摘要】隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不發(fā)展與成熟，一種基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的管理方案有望突破這一困局。基于此，文章結(jié)合工作經(jīng)驗，對無線傳感器網(wǎng)絡的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進行了詳細的闡述與研究。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡；水質(zhì)監(jiān)測；物種保護；監(jiān)測網(wǎng)絡

前言：中國是世界上生物多樣性最豐富的國家之一。我國擁有脊椎動物 6 266 種，約占世界脊椎動物種類總數(shù)的10% ；我國擁有高等植物三萬余種，居世界第三位。這些生物廣泛分布在我國各地區(qū)，與人類共同生活在這片土地上。過去，由于片面追求經(jīng)濟效益以及對環(huán)保工作的疏忽，許多珍稀物種的棲息地遭到了人為破壞。空氣污染、水污染、土壤污染和噪聲污染不僅讓許多地區(qū)的野生動植物失去了理想的家園，也嚴重影響了人類的生活質(zhì)量。隨著全社會知識水平和文化素質(zhì)的提高，人們越來越意識到環(huán)境保護的重要意義，而物種保護則是環(huán)境保護的一個重要方面。通過了解野生動物的生存狀態(tài)，能夠客觀了解一個地區(qū)的環(huán)境水平。例如在《中國物種紅色名錄》中就提到，一種名為金線蛙的珍稀物種就是北京地區(qū)工業(yè)污染的指示劑。通過保護一個地區(qū)的珍惜動物，就能在客觀上促進該地區(qū)的自然環(huán)境的改善，進而提高該地區(qū)人民的生活質(zhì)量。

1、技術(shù)方案

1.1 適用場合

本文所論述的解決方案適用于淺水區(qū)域的水下噪聲監(jiān)測需求，需要該區(qū)域有適于在流動水體中固定探測終端的附著物。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案的主體部分是一個基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡負責收集各終端采集的環(huán)境信息并將其發(fā)送到用戶指定的接收端。用于信息采集的設(shè)備是麥克風及各類傳感器。麥克風可測量水下噪聲的響度，傳感器可測量水體溶氧、溫度、濁度、氧化還原電位等信息。這些信息經(jīng)綜合分析，可以反映水體的污染狀況，對比白海豚等水生生物理想的生存環(huán)境，可對它們的生存質(zhì)量做出大致評估。麥克風和傳感器均與一個 ZigBee終端組成一個探測單元，由一個集成了小型光伏發(fā)電設(shè)備的電池組供電。該探測單元將被固定在例如橋墩、航標等位置，每一個測量單元都根據(jù)其所處的位置編號。由于各測量單位之間均采用自動組網(wǎng)的無線通信方式，故僅需進行簡單的安放與固定工作。ZigBee 技術(shù)允許終端與其它單元配合形成一個自組織的無線網(wǎng)絡，并通過 ZigBee 網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至云端。用戶可通過智能手機或平板電腦等移動終端隨時查閱所需信息。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

本方案使用 CC2430 系列 ZigBee 芯片。該芯片采用 IEEE802.15.4 標準，有兩種可選的硬件方案，其主要區(qū)別在于功率的不同以及由功率不同帶來的最大通信距離的差別。當各探測終端與通信節(jié)點之間距離較近時，可采用普通方案。普通方案中采用的 CC2430片上系統(tǒng)集成的 CC2420RF收發(fā)器，經(jīng)測試，在無障礙物的情況下可保證直線距離 60 m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。采用這種方案可降低供電設(shè)備的成本，在較為理想的情況下，其能耗完全由小型光伏發(fā)電設(shè)備提供。安裝后，在使用壽命期間無需更換電池組。當監(jiān)測水域面積較大，且可供固定探測終端的位置相聚較遠時，或某些探測點與其它終端或通信節(jié)點之間有障礙物時，可選擇大功率路由節(jié)點。大功率路由節(jié)點在普通節(jié)點的基礎(chǔ)上增加了兩個設(shè)備，分別為一個 CC2591射頻前端和一個為其提供能源的 TPS73033 模塊。經(jīng)測試，大功率路由節(jié)點在無明顯障礙物的情況下可保證直線距離 400 m 內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，或可保證近距離穿透三堵約 30 cm 厚的混凝土墻。

1.4 網(wǎng)絡拓撲

由于目標監(jiān)測水域的情況較為復雜，也為了方便以后推廣到其它水域，本方案采用網(wǎng)狀網(wǎng)路由的方式進行網(wǎng)絡拓撲的自組織。該組織方式采用了矢量簡化算法（AODVjr），適用于水域環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸需要，在數(shù)據(jù)傳輸量較小的情況下（主要是噪聲分貝數(shù)、溫度、溶氧量、濁度、氧化還原電位等簡單數(shù)值信息），保證網(wǎng)絡具有良好的健壯性。

2、功能應用

2.1 數(shù)據(jù)獲取

CC2430 芯片的片上系統(tǒng)自帶AD 轉(zhuǎn)換模塊，可將麥克風及各類傳感器提供的電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。麥克風測量到的聲音信號以 5 s 為一個窗口通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻率信號，并分別求出低、中、高頻段的分貝數(shù)，與其它傳感器測量的數(shù)值一并發(fā)送到云端儲存。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

采用 ZigBee 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度介于 20 ～250 Kb/s 之間，而每個傳感器每次所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有幾字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性可以得到有效保證。

2.3 節(jié)點分布

ZigBee 網(wǎng)關(guān)可以安放在保安的監(jiān)控室內(nèi)，并從那里連接英特網(wǎng)。各通訊節(jié)點或測量終端則在保證相互距離不超過400 m 的情況下尋找橋墩或航標位置進行固定。其中橋墩部分是測量的重點，主要用于監(jiān)控橋上重型汽車的通行是否對白海豚的生活造成影響。其中高頻段的聲音采集還可用于捕捉白海豚的回聲定位信號，可為研究大橋?qū)χ腥A白海豚南北遷徙的影響提供科學依據(jù)。

2.4 信息獲取

用戶可以方便的通過各種移動設(shè)備訪問云端并實時查詢目標水域的環(huán)境信息。

3、技術(shù)優(yōu)勢

與以往的采用人工出海監(jiān)測的方式相比，本方案提出的利用無線傳感器網(wǎng)絡進行水域環(huán)境監(jiān)測的方法具有巨大的成本和效能優(yōu)勢。

4、結(jié) 語

本文提供了一個水域環(huán)境實時監(jiān)測的解決方案，可用于在海域進行白海豚等珍惜水生生物的保護工作。相比過去依賴人工的監(jiān)測方式，該方案雖然在首次設(shè)備安裝方面投入較大，但卻能夠大大提高監(jiān)測效果，并在長期工作中顯著減輕人員和資金的消耗。該方案的順利實施還需要對白海豚的生活習性、耐受能力等信息進行更深入的了解與水生生物領(lǐng)域及環(huán)境保護領(lǐng)域?qū)＜覀兊拇罅f(xié)助。

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