CN102098805A - 多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统及方法：它由分布于监测水域的多个无线传感器网络节点和数据监控中心组成，无线传感器网络节点有水质传感节点、路由节点和网关节点三种类型，网关节点通过串口/无线数据传输接口与本地/远程的数据监控中心计算机相连。本发明的特点是：(1)水质传感节点采用模块化设计方法，监测参数可以根据测试任务需要进行添加和更换；(2)系统采样频度根据水质状况自动调节，能及时高分辨率地跟踪水质的异常变化情况。本发明适合较大范围水域分布式水质数据实时在线监测，可为养殖水环境的分析与管理提供技术手段，实现科学养殖、预防污染的目的。

Description

多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，主要是涉及适用于养殖水域的分布式水环境参数的在线监测系统及方法。

背景技术

水产养殖业正朝着高密度、精养高产的工厂化养殖方向发展，对养殖水体的水参数进行监测可以为合理地选择养殖物种、控制生产过程、改良水质防治污染提供科学依据，也是进行养殖水环境评价、预测和有效开发利用水资源的重要前提。水产养殖水域宽广，有时由多个养殖池组成，为了对养殖水域的水质参数的分布及其变化情况进行监测，需要在这些水域布署多个观测点进行水质参数的长期连续在线监测和记录。

传统的水质监测方法主要有两种：(1)人工采样实验室分析或采用手持便携式监测仪现场采样检测；(2)在特定区域建设水质自动监测站。前者采样频率低，劳动强度大，无法实时监控，不能反映水体水质参数的连续动态变化；后者能实现水质自动监测，但存在投资成本高、建设周期长、需铺设电缆和征地建站等局限性，其覆盖水域不可能很广，也无法实施多点监测。

近年来，无线传感网络的技术研究正在蓬勃发展之中，将无线传感器网络技术应用于环境监测和生态研究是热点之一。由于无线传感网络的自组织特性和节点设计的微型化、低成本和低能耗，将无线传感器网络技术与传统的水质监测仪器相结合，可以实现区域水参数多监测节点的快速配置和自组网，无线传输和低能耗的特点能适应户外多变的环境。因此，基于无线传感网络技术的水环境检测系统可以在低成本的条件下实现大范围水域的空间和时间二维实时数据的在线采样，高密度空时分布的水质数据可以满足对养殖物种及其水体环境进行高质量分析与管理的要求，实现科学养殖、预防和分析水污染的目的。

目前的水质检测仪器可分为单参数检测和多参数检测，如美国YSI多参数复合水质分析仪，可同时监测十多个测量项目。但是这些多参数水质分析仪，允许检测的水质参数也是固定的，不能随意增减，而且允许检测的参数越多，仪器越昂贵。

应用于户外的监测系统一般采用电池供电，采样频率很高将耗费比较多的电能，减低电池使用寿命。正常情况下养殖水参数应该在某一个范围内波动，变化并不大，采样率不需要很高，但是，在水质受到污染时又需要高频度的空时分布水质数据来分析和定位污染源。以往的监测仪器和监测系统的采样频率由系统设定或手工设置，设定后不能自动改变，不能实现根据所采样的水质数据自动调整采样频度的功能。

本发明公开一种基于无线传感网络原理设计的水质参数在线监测系统及方法，本系统采用传感功能模块化的结构设计，可以灵活配置监测参数，而且，能够根据采集到的水质参数进行综合分析，根据水质状况自动调整采样频度，实现“智能化采样”。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为水产养殖领域提供一种部署快速、组网灵活的无线分布式智能化养殖水环境监测系统及方法。

本发明提出的无线分布式监测系统，其特征在于：它由分布于监测水域的多个无线传感器网络节点和本地/远程数据监控中心组成，无线传感器网络节点有水质传感节点、路由节点和网关节点三种类型，它们通过自组织形式组成无线传感器网络，其中的网关节点通过串口/无线数据传输接口与本地/远程数据监控中心计算机相连。

水质传感节点由传感功能模块、控制与通信模块和电源模块组成。其中的传感功能模块由传感探头、信号调理电路、协处理器、串行输出总线组成，传感功能模块通过输出总线与控制与通信模块连接，不同参数的水质监测有不同的传感功能模块，以不同的地址号来区分，但它们都具有统一的输出总线类型，与控制与通信模块连接的传感功能模块的数目在一定范围内可增可减，控制与通信模块采用主从通信方式与各个传感功能模块通信。水质传感节点的控制与通信模块由总线信号转换电路、主处理器电路、无线通信电路组成，无线通信电路输出的信号连接到天线。电源模块由电池和直流变压电路组成，分别与传感功能模块、控制与通信模块连接，为它们提供电源。

路由节点由控制与通信模块和电源模块组成，控制与通信模块由主处理器电路、无线通信电路组成，无线通信电路输出的信号连接到天线。电源模块由电池和直流变压电路组成，与控制与通信模块连接，为它提供电源。

网关节点由控制与通信模块、网关处理模块、电源模块组成，控制与通信模块由主处理器电路、无线通信电路组成，无线通信电路输出的信号连接到天线，网关模块由本地通信/远程通信接口电路组成，网关模块的本地通信接口以串行口方式连接到本地数据监控中心计算机的串行口，网关模块的远程通信接口以GPRS或CDMA方式无线传输到远程的数据监控中心计算机。电源模块由电池和直流变压电路组成，与控制与通信模块和网关模块连接，为它们提供电源。

所述的数据监控中心由监控计算机、数据监控中心软件组成。监控计算机可以是带本地数据库、数据监控中心软件的本地计算机，网关节点通过串行口与本地计算机相连；监控计算机可以是带远程数据库、数据监控中心软件的远程计算机，该计算机配置GPRS或CDMA通信模块，通过GPRS或CDMA模块与远程的无线传感器网络建立连接。

一种应用于上述多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统的监测方法，该方法包括以下特征：

(1)水质传感节点、路由节点、网关节点采用ZigBee技术组成无线传感网络；

(2)水质传感节点的控制与通信模块采用一主多从方式根据水质传感功能模块通信，水质传感模块的协处理器接收到采样命令后通过传感探头采集水质参数，水质参数信号通过信号调理电路、A/D转换电路后送入协处理器进行数字化处理，然后通过输出总线将数据传送给控制与通信模块；控制与通信模块采集到所有传感功能模块的数据后，将它们整合成单节点水质数据包，通过无线通信电路发送到网关节点。如果水质传感节点不能直接与网关节点通信，就通过监测区域中的其它水质传感节点或路由节点以多跳方式传送给网关节点。

(3)网关节点将收到的来自于不同水质传感节点的单节点水质数据包进行整合和压缩编码，然后将编码后的网络水质数据包以本地/远程方式传送到本地/远程监控计算机。

(4)安装于监控计算机上的数据监控中心软件接收网关数据，对接收到的数据进行解压缩、提取后将数据存储于数据库中；通过访问数据库，对数据进行分析、统计等后台处理后，以图表界面方式显示分析结果；同时，将本次接收到的数据与历史数据和存储于数据库中的水质标准数据进行对比，判断数据是否合理和是否发生异常变化，若判定数据发生异常变化，则向网关节点发布新采样率设置的命令，并根据异常程度设置水质状态异常告警等级。

(5)网关节点收到数据监控中心的新采样率设置的命令后，更改存储器中的采样率设置，并以新的采样间隔向水质传感节点发布下一次采集命令。

本发明的优点是：

(1)水质传感节点采用模块化设计，每个节点可连接多个传感功能模块，传感功能模块可以根据测试任务的需要进行添加和更换，而不需重新设计节点其它模块的硬件电路，增加了水质传感节点功能的灵活性和通用型。

水质传感节点的数量可以根据监测需要来部署，每个传感节点可以是单参数测量，也可以是多参数测量，组成分布式多参数监测网络；

(2)采用无线数据传输方式，结构简单，避免了建站和架设线路的投入，即节省成本，又安装方便，特别为恶劣地理环境下的户外水质监测带来了很大便利；

(3)采用ZigBee技术组网，具有网络自组织、通信质量可靠、节点小型化、功耗小、网络容量大等优点。

(4)“智能化采样”使得系统能及时准确详细地反映任意参数水质的异常变化，为可能的污染事件提供高分辨率的空时分布水质数据。

附图说明

图1为监测系统结构示意框图；

图2为水质传感节点结构框图；

图3为水质传感节点中的传感功能模块结构框图；

图4为网关节点结构框图；

图5为水质传感节点工作流程图；

图6为网关节点工作流程图；

图7为数据监测中心软件工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的监测系统做进一步的说明。

图1是本发明所述的监测系统组成示意图。图中的监测水域是水产养殖水域，可以是海水养殖场或淡水养殖池。本系统在监测水域内由三种不同类型的节点组成一个无线自组织网络，它们是水质传感节点、路由节点、网关节点，水质传感节点的数量可以根据监测点的要求设定，各节点之间通过无线信道进行通讯，无线信道可以选用2.4GHz的全球公开无线免费频段，组网方式选用ZigBee技术。水质传感节点采集所需要的水质参数后，直接发送或经路由节点多跳发送至网关节点集中处理；网关节点将压缩后的数据通过串口连接到本地监控计算机，或通过GPRS或CDMA接口和远程的监控计算机相连。运行于监控计算机上的监控软件负责对数据进行解码、提取、分析和综合，然后显示数据和统计结果，并判断监测水域的水质状态以决定是否告警和发布更新采样频度的命令。

图2是水质传感节点结构框图。图3是水质传感节点中的传感功能模块结构框图。水质传感节点固定安装于监测点处，其中的传感功能模块的水质传感探头可采用沉浸式或管道式固定于水体流通处，除了水质传感探头外，水质传感节点的其他部分密封处理以对抗户外恶劣环境，保证节点的安全性、稳定性和可靠性。传感功能模块可以是温度传感模块、PH值传感模块、溶解氧传感模块、电导率传感模块等，这些模块的传感探头不同，模块中的信号调理电路根据测量原理和探头的要求设计，不同测量参数模块的协处理器可以采用同一种型号，如AT公司的51系列单片机或MICROCHIP公司的PIC单片机，传感功能模块的输出可以采用串行RS485总线接口，通过总线电缆与水质传感节点中的控制与通信模块的输入端相连。水质传感节点的控制与通信模块采用Chipcon公司的CC2430芯片设计，CC2430单片集成了一个高性能低功耗的8051微控制器核、一个符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz频段射频收发机、128KB可编程闪存和8KB的RAM、符合IEEE802.15.4规范的MAC定时器，硬件上完全支持CSMA/CD功能，其中的128KB的闪存可以足够容纳完整的ZigBee无线协议栈(约占1/2的存储空间)和用户程序代码。除此以外，CC2430还含有定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32KHz晶振休眠模式定时器、电池监测电路和21个可编程I/O引脚、两个可编程的USART用于主/从SPI或UART。CC2430芯片通过扩展一个RS485接口芯片MAX3485和少量的外围器件即可实现图2中的控制与通信模块的功能。电源模块可采用18V蓄电池，其中的直流变压电路可以采用电压转换芯片LM2576，从18V电压中产生12V和3.3V电压，其中12V电压为传感功能模块供电，3.3V电压为控制与通信模块供电。

路由节点负责多跳转发水质传感节点的数据包到网关节点，在监测区域中，可根据一定的网络拓扑结构，在监测区域内布置相应数量的固定路由节点，分布密度合理的路由节点可使水质传感节点在监测水域内稳定地收发数据包，减少数据丢包的发生。路由节点由控制与通信模块和电源模块组成，相比水质传感节点仅减少水质传感模块。路由节点的控制与通信模块的设计与水质传感节点相同，可以选用Chipcon公司的CC2430芯片。电源模块可采用2节3.6V的LS14500C电池，串联形成7.2V电源，通过电压转换电路产生3.3V电压，为控制与通信模块供电。

网关节点的结构框图如图4所示，由控制与通信模块、网关处理模块、电源模块组成，其中的控制与通信模块的设计与水质传感节点相同，可以选用Chipcon公司的CC2430芯片。网关处理模块由串行接口电路和GPRS/CDMA无线数据传输接口电路组成，串行接口电路采用RS232电平转换芯片，将3.3V电平的信号转换为±12V的RS232电平的信号，从而可以通过电缆直接与本地监控计算机的串口相连；GPRS/CDMA无线数据传输接口电路可以选用Wavecom公司的Q2403系列无线通信模块或国产的相关产品，GPRS/CDMA无线数据传输接口电路与控制与通信模块之间的连接采用USART串口连接，网关处理模块通过GPRS/CDMA无线数据传输接口电路实现与远程监控计算机之间的通信。

应用于以上系统的智能化数据监测方法，其具体实现方案如下：

1、监测区域节点自组网过程

本系统的三种类型节点的主处理器的程序存储器中都内嵌有ZigBee通信协议栈，该协议栈用C语言编写。节点之间可以组成星形拓扑网络结构，网关节点作为协调器承担组建网络的作用。简述如下：

(1)网络初始化过程：节点上电初始化后，扫描信道检查网络是否存在；

(2)网关节点配置网络过程：协调器节点开始配置网络：选择一个PAN ID建立网络标识，建立成功后侦听信道；

(3)从节点入网过程：水质传感节点和路由节点发出请求加入网络的数据帧，网关节点收到该数据帧后允许其加入网络，并给它们分配一个16位的网内通信地址。

2、水质传感节点工作方法

水质传感节点承担某一具体监测点的数据采集和无线传输任务，其工作流程如图5所示，步骤如下：

(1)初始化和加入网络；

(2)等待接收系统命令；

(3)若接收到系统的采集数据命令，向传感功能模块发布数据采集命令；

(4)等待和判断是否接收完所有传感功能模块的数据；

(5)将不同传感功能模块的数据整合为单节点水质数据包，启动无线通信电路发送数据包；

(6)数据包发送完成，转第(2)步。

为了降低节点的功耗，若采样间隔时间较长，则一轮数据采集与发送完毕后水质传感节点通过继电器控制电路关闭传感功能模块的电源，且进入低功耗的休眠模式。

3、网关节点工作方法

网关节点负责发布数据采集命令、接收并处理监控中心命令、收集水质传感节点的水质数据并将数据整合后发送给数据监控中心，其工作流程如图6所示，步骤如下：

(1)初始化，组建无线传感器网络，与本地/远程监控中心计算机建立连接；

(2)向水质传感节点广播发布数据采集命令；

(3)等待和接收所有网内水质传感节点的数据包；

(4)对接收到的单节点水质数据包进行数据整合和压缩编码，然后将压缩编码后的网络水质数据包以本地/远程方式传送到本地/远程监控计算机。

(5)等待接收和处理来自数据监控中心的命令；同时，若下一个采样时间到来，转第(2)步。

4、数据监控中心的智能化数据处理方法

位于监测水域的无线传感器监测网络和本地/远程监控计算机组成一个本地/远程在线实时水环境监测系统，数据监控中心软件可以选用C#和PostgreSQL数据库开发。数据监控中心软件的工作流程如图7所示，步骤如下：

(1)通过本地方式(串口)/远程方式(GPRS或CDMA)与网关节点建立通信连接，获取位于监测水域的无线传感器网络拓扑结构和节点信息；

(2)等待和接收网关数据，对数据进行解码、提取后将数据存储于数据库；

(3)通过访问数据库，对数据进行分析、统计等后台处理后，以图表界面方式显示分析结果；

(4)将本次接收到的数据与历史数据和存储于数据库中的水质标准数据库进行对比，判断数据是否合理和是否发生异常变化，若判定数据发生异常变化，则向网关节点发布新采样率设置的命令，并根据异常程度设置水质状态异常告警等级。

(5)判断是否接收到用户命令，若接收到用户命令，则执行用户命令，若没有接收到用户命令，则转第(2)步。用户命令有设置系统显示方式、采样频度和报警阈值等参数、改变和增添养殖物种信息及相应的水质标准数据等类型。

Claims (5)

1.一种多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统，其特征在于：它由分布于监测水域的多个无线传感器网络节点和数据监控中心组成。其中，所述的无线传感器网络节点有水质传感节点、路由节点和网关节点三种类型，它们之间组成无线传感器网络，所述的网关节点通过串口或无线数据传输接口与数据监控中心计算机相连。

2.根据权利要求1所述的多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统，其特征在于，所述的水质传感节点由水质传感功能模块、控制与通信模块和电源模块组成。水质传感功能模块由传感探头、信号调理电路、协处理器、串行输出总线组成，不同参数的水质监测采用不同的传感功能模块，但它们都具有统一的输出总线类型。传感功能模块通过输出总线与控制与通信模块连接，不同的传感功能模块具有不同的地址号，控制与通信模块通过不同的地址来区分传感功能模块；水质传感节点的控制与通信模块由总线信号转换电路、主处理器电路、无线通信电路组成，无线通信电路输出的信号连接到天线；电源模块由电池和直流变压电路组成，分别与水质传感功能模块、控制与通信模块连接。

3.根据权利要求1所述的多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统，其特征在于，所述的路由节点由控制与通信模块和电源模块组成，控制与通信模块由主处理器电路、无线通信电路组成，无线通信电路输出的信号连接到天线；电源模块由电池和直流变压电路组成，与控制与通信模块连接。

4.根据权利要求1所述的多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统，其特征在于，所述的网关节点由控制与通信模块、网关处理模块、电源模块组成，控制与通信模块由主处理器电路、无线通信电路组成，无线通信电路连接到天线；网关模块由本地通信/远程通信接口电路组成，网关模块的本地通信接口以串行口方式连接到本地数据监控中心计算机的串行口，网关模块的远程通信接口以GPRS或CDMA方式无线传输到远程的数据监控中心计算机；电源模块由电池和直流变压电路组成，与控制与通信模块和网关模块连接。

5.一种应用于权利要求1所述的多参数模块化分布式养殖水环境无线监测系统的智能化数据监控方法，其特征在于：

(1)水质传感节点、路由节点、网关节点之间采用ZigBee技术组成无线传感网络，组网步骤为：网关节点上电后首先扫描信道，找出建立网络的最佳信道，然后选择一个PAN ID建立网络标识，建立成功后侦听信道；水质传感节点和路由节点上电后，发出请求加入网络的数据帧，网关节点收到该数据帧后允许其加入网络，并给它们分配一个16位的网内通信地址。

(2)水质传感节点的控制与通信模块采用一主多从方式与水质传感功能模块通信，水质传感模块的协处理器接收到采样命令后通过传感探头采集水质参数，水质参数信号通过信号调理电路、A/D转换电路后送入协处理器进行数字化处理，然后通过输出总线将数据传送给控制与通信模块；控制与通信模块采集到所有功能模块的数据后，将它们整合成单节点水质数据包，通过无线通信电路发送到网关节点。如果水质传感节点不能直接与网关节点通信，就通过监测区域中的其它水质传感节点或路由节点以多跳方式传送给网关节点。

(3)网关节点将收到的来自于不同水质传感节点的单节点水质数据包进行整合和压缩编码，然后将压缩后的水质数据包以本地/远程方式传送到本地/远程监控计算机。

(4)安装于监控计算机上的数据监控中心软件接收网关数据，对接收到的数据进行解压缩、提取后将数据存储于数据库中；通过访问数据库，对数据进行分析、统计等后台处理后，以图表界面方式显示分析结果；同时，将本次接收到的数据与历史数据和存储于数据库中的水质标准数据进行对比，判断数据是否合理和是否发生异常变化，若判定数据发生异常变化，则向网关节点发布新采样率设置的命令，并根据异常程度设置水质状态异常告警等级。

(5)网关节点收到数据监控中心的新采样率设置的命令后，更改存储器中的采样率设置，并以新的采样间隔向水质传感节点发布下一次数据采集命令。

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