基于無線傳感器網絡的水環境監測系統設計與實現

許龍飛　聶菊根　馬向進　呂海林　楊靜

摘要：水環境污染問題更是與人們的生活息息相關。水環境監測作為水資源管理和水環境污染控制的主要手段之一，正在發揮不可替代的作用。本課題針對水環境監測的應用環境及特點，利用無傳感器網絡技術，設計了一個監測、管理與控制的實時交互監測預警系統模型，提出了數據驅動的拓撲控制技術和基于動態拓撲的路由協議算法；建立了基于無線傳感器網絡的數據采集平臺系統，實現對生態環境、氣象環境、水污染情況等情況進行信息自動化收集。

關鍵詞：無線傳感器網絡；水環境監測；拓撲控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0118-02

隨著我國經濟的高速發展，水環境污染和破壞日益嚴重，水環境污染問題更是與人們的生活息息相關[1]。水環境監測作為水資源管理和水環境污染控制的主要手段之一，正在發揮不可替代的作用[2]。但是由于我國幅員遼闊，水環境監測網點分散，僅依靠現有的監測站和傳統監測技術不能滿足連續、動態、宏觀、快速水環境的監測要求，也滿足不了及時、準確地做出水環境質量預報的要求。因此，需要研究和開發實時、快速、宏觀、準確的水環境動態監測技術，更加全面準確地反映水環境的變化情況，減少水質污染[3]。

現有的水環境監測手段，沒有一種能夠同時對普通環境下或是地形環境復雜的水域，小面積或是者面積巨大的目標水域同時進行實時測量監測，這就使得對需要探測復雜地形水域時候的困難大幅度提升，沒有辦法完成實時有效監測，也無法對該地區水域做出針對性的管理。另外，在實際情況下，由于地形環境復雜多變，為節省人力物力，整個系統實際工作的續航能力也是一項極為重要的考察指標，有效改善整個監測系統的能耗問題也是設計水環境監測系統時需要達到的要求。所以，我們需要在現有方法的基礎上尋求一種更全面的技術，在更復雜的地形環境之下還能實現大范圍，高可靠性，低能耗的監測要求。而無線傳感器網絡技術的不斷發展和完善，為這一要求找到了解決之道，將無線傳感器網絡應用于水環境監測，可以長期的、有效地、準確的保證系統的運行，從而在水資源管理和水環境污染控制方面有很積極的作用，進而減少不必要的人員和財產損失。

1 系統總體結構設計

基于無線傳感器網絡的水環境監測系統包括傳感器節點、監控中心、通信網三部分，其中傳感器節點包括3類模塊：普通傳感器節點、信號匯聚節點和監控中心節點。普通傳感節點以分簇的形式共同協同監測橋梁局部狀態，其中簇內有一個節點除承擔數據采集功能之外，還需要承擔簇內節點的調度管理。信號匯聚節點負責把各簇的數據信息就近匯聚，然后通過無線或有線的方式，傳輸到監控中心。監控中心可監控中心可選擇該系統是否接入互聯網，把數據按權限供互聯網用戶查詢。

2 系統硬件設計

2.1 監測節點與匯聚節點的硬件結構設計

系統的最底層是智能傳感器節點，這些節點由電源供電，執行組網、感知、采樣和初步的數據處理工作。傳感器節點設計如圖1。

2.2 匯聚節點設計

信號采集的匯聚節點是傳感器節點信息的匯集點，相當于一個基站。它是整個系統的一個重要組成部分，它可以和每一個簇首節點進行通信，完成信號的收集，并且可以對數據信號進行預處理，然后通過通信系統傳遞給監控中心，從而保證了整個系統的正常運行，為橋梁健康監測的信息分析及應對措施提供了數據信息。

3 傳感器監測網絡的關鍵技術

3.1 監測網絡架構

在構建水環境監測網絡時，其監測網架構的設計，是實現監測區域覆蓋與數據高效傳輸關鍵問題。

基于Internet 的實時監控現已成為智能控制技術的發展趨勢。為實現對水環境的實時監測，根據傳感器網絡的特點，我們將構建一個監測、管理與控制的實時交互監測預警系統模型，整個監測預警系統分成三個子系統：數據采集系統、控制中心系統和應急響應系統。數據采集系統主要是通過無線傳感器網絡獲取水環境現場數據，并進行預處理后，與節點位置、時間等信息實時傳輸到控制中心服務器，幫助相關部門有效地確定水環境現狀，快速檢測到水環境的變化。控制中心服務器需要處理來自數據采集系統的所有信息，確定傳感器節點的位置，對異常情況報警。其次，控制中心必須完成水環境變化行為分析，預測水環境變化趨勢。最后，控制中心還須實時顯示水環境監測信息，并將所有信息置于web 服務器。應急響應系統使得遠程用戶包括管理部門能夠通過web 瀏覽器實時掌握控制中心的水環境監測信息，并制定相應的響應措施。

3.2 網絡拓撲控制技術

在傳感器網絡中，各節點的能量供應有限，且由于環境變化及節點自身電源消耗等原因，網絡拓撲動態變化。

為了節省節點能耗及應對網絡拓撲變化，我們提出數據驅動的拓撲控制方法：正常情況下時，以節點剩余能量和節點最大通信距離為目標，選擇長鏈路的拓撲結構；當現場監測數據異常時（超預設的值），觸發短鏈路拓撲結構，以異常值的節點為起點，沿水流方向激活周圍節點，進行異常水環境數據精細監測。

3.3 路由協議

傳感器網絡的路由協議與傳統的通信網絡協議不同，需綜合考慮路由節點能耗及數據流向等問題。

針對水體流動單向性的特點，可采用基于節點位置關系的MAC層協議，以減少系統傳播延時；利用數據驅動的拓撲控制技術，實現基于動態拓撲的路由協議，以提高網絡的穩定性，增加網絡的吞吐量。

4 系統實驗驗證

本課題組根據課題需要，在景德鎮玉田湖建立了一個水環境監測平臺，利該平臺，有效的驗證了基于無線傳感器網絡的水環境監測的水質信息的獲取、數據的有效傳輸、信息的可視化展示及水資源管理和水環境污染控制。圖2為監測平臺節點布局圖，圖3為節點感知數據展示圖。

5 結語

針對中水環境監測的應用環境及特點，本文利用無傳感器網絡技術，構建了一個監測、管理與控制的實時交互監測預警系統模型，完成了監測系統的總體設計和傳感器節點的硬件設計。針對傳感器網絡用于水環境監測中存存在的幾個關鍵問題，提出了數據驅動的拓撲控制技術和基于動態拓撲的路由協議算法。利用景德鎮玉田湖水環境監測平臺，驗證了基于無線傳感器網絡的水環境監測的水質信息的獲取、數據的有效傳輸、信息的可視化展示及水資源管理和水環境污染控制。

參考文獻

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