基于无线传感器网络的水质监测系统研究
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摘 要：所谓无线传感器网络也就是采用无线自组织方式将大量的传感器节点进行连接，从而使其形成一个网络结构。该网络结构因具有多方面的优势而在医疗事业、军事、环境监测等多方面得到了广泛的应用。另外，无线传感器网络中传感器的节点密度相对比较高。计算能力较好，因此即使在偏远山区，同样能够对水质进行监测，对生态环境进行全面管理。本文首先介绍了无线传感器网络，然后在其基础上建立了水质监测系统，以求提高水质监测质量，达到环境保护的目的。
关键词：无线传感器；网络；水质监测系统；研究
水质监测的目的是为了对水资源环境进行全面保护与管理，从而提高水体环境的质量，保障人们的生活用水与工业用水。但是从当前我国水质监测的实际情况来看，还存在着许多方面的问题，例如水质监测中心的采样能力不足；机动监测能力不高；自动水质监测站数量过少等。因此，为了解决这一问题，在实际工作中我们必须要采用有效的监测方法。本文提出了在无线传感器网络的基础上建立了水质监测系统，旨在提高水质监测数据的可靠性。
一、在无线传感器网络的基础上初步建立水质监测系统架构
1、水质监测系统的要求
当前，相关工作人员在对水质监测的过程中，往往会采用传统的监测方式，但是这一监测方式极不容易获取可靠的信息数据，这就导致其监测数据失去了可靠性，影响到水质监测工作的正常开展。无线传感器网络是现代化水质监测工作中常见的一种监测方式，其能够在实际监测过程中降低能耗、提高信息数据的传输速率，从而确保监测数据的可靠性。本文在构建无线传感器网络的过程中，将Zigbee技术应用在了其中，形成了一种新的网络结构，通过该结构的应用能够实时采集目标区域的水质信息，并且有利于采用更好的监测方式，以对水质进行全面监测，对自然环境进行全面控制。
水质监测站将这一网络结构应用在其中，实现了无人值守的目的，并且水质监测站在实际监测过程中，能够对控制中心进行远程控制，使其实时采集水质水量参数，从而有利于后期水质的监测。
2、网络拓扑结构
在无线传感器网络中，传感器节点、汇聚节点、管理节点是三大主要因素。其中传感器节点在监测目标区域内随处可见，是以自组织的形式将各个节点连接起来，从而形成一个网络；此时该网络会采用多跳中继方式将监测到的信息与数据直接传递到汇聚节点，最后再由汇聚节点通过互联网的方式传递给管理节点，使管理节点对监测信息与数据进行全面管理。同时，用户也可根据管理节点发出命令，从而使传感器节点有目的性的获取信息。
GSM网络是一种覆盖面积广、性能好的无线网络，在实际工作中，GSM的纠错能力相对比较强，即使在传输速率较高的情况下依然能够确保数据的可靠性与实效性。本文中采用的是SIEMENSTC35模块作为GSM网数据传输终端。Zigbee技术实际上是一种短距离无线通信技术。该项技术具有能耗小、成本低等优点，一般被人们应用在速率较低的领域中应用。
我们将Zigbee技术应用在无线传感器网络当中，可以使整个网络系统结构从复杂转变为简单，具有体积小、成本低等多种优点。另外，还将GSM网络与无线传感器网络有机的结合起来，更能够提高水质环境监测的质量与监测数据的可靠性，从而对水质参数进行全面处理，以便于后期水质环境的治理，提高水体环境的质量。
3、水质监测网络体系结构
通过上述，我们将无线传感器网络应用在水质监测系统的建立当中。将Zigbee技术应用在无线传感器系统当中，使其形成Zigbee无线网络系统。此时，工作人员需要将该系统与以太网相互连接起来，这样也就能够提高无线传感器网络节点的管理水平，从而对水质环境进行全面监测。本方案则基于每个传感器节点和汇节点之间通信量较小的特点。提出了一种基于需求时唤醒的星型网络拓扑模式，需求时唤醒的基本思想就是传感器节点在监测的环境发生变化时，传感器节点能自动醒来和汇节点进行通信，并上报相关信息。
二、水质监测网络设计和部署研究
1、系统硬件结构
对于一个完整的传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0-3.6dbm，通信距离为50-100m，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，本文提出的无线传感器网络其节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。
（2）中央信息控制中心
中央信息控制中心由监控模块、配置模块，数据库3个部分组成。它通过GSM网络与多个汇节点间接连接在一起，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同D的汇节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。
2、水质监测系统实现
（1）水质监测基站
水质监测基站主要负责采集水样并通过各种水质监测仪器对水样的各种参数进行监测，包括PH值、DO、浊度、水温、电导、氨氮、TOC、COD等基本参数。并且对这些基本参数数据进行缓存。按照一定时间设定通过各种通讯方式上传到中心服务器。监测基站采用FLEX3500控制器作为控制器，来完成数据的采集和通讯控制功能，FLEX3500是一款先进的C编程控制器，带有模拟量输入，模拟量输出，数字量I / O，RS232，RS485，并且支持TCP / IP，可满足众多的数据采集系统、远程监控系统等，这一板卡的最大特点就是它的可定制性，用户可以根据自己的需要灵活的配置控制器的输入输出、存储器大小和通讯端口，这样既满足了应用的需要又大大节省了成本。
（2）控制中心站
控制中心站服务器为配置较高的PC服务器，安装了专用的无线传感器网络和水质监测数据处理软件，负责上传数据的存储和分析，并设置了相应的服务，其它联网的客户机可以浏览监控各水质监测站的监测数据和工作状态。
三、结束语
随着社会的发展以及技术水平的不断提高，人们在水质监测过程中提出了许多新的方法。本文提出了基于无线传感器网络的水质监测系统，在实际研究过程中，工作人员还将一些先进的技术应用在其中，提高了其技术水平。通过实践证明，该系统能够更好地应用在水质监测工作中，提高了其理想的监测效果，满足了当前社会发展的要求。■
参考文献
[1] 李妍，张培玉.监测环境污染的生物传感器[J]. 环境研究与监测. 2010（04）
[2] 梁焕焕，熊庆宇，石为人.基于无线传感器网络的水质在线监测系统研究[J]. 传感器与微系统. 2011（05）