CN102109511B - 一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构，包括监测中心、若干通过无线传感器网络与监测中心相连的且基于ZigBee网络的污水参数监测系统和污水处理过程监测系统，每一污水参数监测系统、污水处理过程监测系统均包括一与无线传感器网络通信的通信模块、与通信模块相连的基站、与基站相连的传感器节点，其中：基站接受传感器节点传送来的数据并融合，输出给通信模块；传感器节点监测污水的监控参数或污水处理过程，将监测到数据通过ZigBee网络传送至基站，该传感器节点包括一ZigBee模块。本发明利用无线传感器技术能够及时发现环境事故，对事故的发生和发展进行监测评估，制定紧急对策和措施。

Description

一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构

技术领域

本发明涉及污水监测网络结构，尤其涉及一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构。

背景技术

水域环境监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学决策的依据。水域环境监测是环境保护管理部门监管的重要内容之一，目前我国对大江、大河、沿海流域、港口、海湾实施日常例行监测，对赤潮、溢油、重大污染物泄漏等污染事故，每天需进行一次监测。当大江、大河及大型湖泊等突发水环境污染事故时，现有常规手段无法实现迅速、准确、动态地监测与预报，以致环保和有关部门难以快速、恰当地作出决策。

目前所采用的主要方法有定点巡检和连续在线监测两种。定点巡检方法是利用便携式水质监测仪人工采样、实验室分析的方式，该方式仅限于对河流、湖泊的几个断面采样，采样频率从每月数次到每日数次，存在耗费人力较大、无法对危险区域进行监测等缺点，并且无法对水环境参数进行远程实时监测，存在水质监测周期长、劳动强度大、数据采集速度慢等问题，不能很好地反映水环境的连续动态变化，不易及早发现污染源并预警，已经不能满足越来越高的环境监测要求。在线监测方法采用由一个中央控制室和若干个监测子站组成的水环境自动监测系统对水环境参数进行自动连续监测，数据远程自动传输，可以实时查询所设站点的水环境参数，利用传感器对被监测参数进行测量，然后通过网络发送到控制中心来实现监测，其数据传输主要利用公共有线电话网(PSTN)或移动电话网(GSM，GPRS)进行。这种监测能很好地解决水质监测，但存在周期长、劳动强度大、数据采集和传输速度慢等问题。PSTN由于布线困难、费用较高，因此应用范围有限，而利用GPRS进行数据传输虽然可以克服布线困难的缺点，但其网络运行维护成本高，其网络性能不适合数据传输网络的要求，并且网络拓扑结构和网络运行也不能自主管理，必须依赖于移动电话运营商。进一步，PSTN和GPRS由于有铺设电缆和建立监测子站的施工要求，因而存在对原有的生态环境影响大、系统投资成本高、监测水域范围有限的缺点，也无法进行大面积布设监测子站、对每个小水域实施多点远程实时监测。另外，由于终端设备不能动态调整休眠，运行能耗较大，每隔较短时间便需要更换电池或充电，这样在偏远区域、没有电力布线的监测区域以及大面积监测区域应用时非常不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构，利用无线传感器技术能够及时发现环境事故，对事故的发生和发展进行监测评估，制定紧急对策和措施。

实现上述目的的技术方案是：一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构，包括一监测中心，其中，还包括若干个通过无线传感器网络与所述的监测中心相连的且基于ZigBee网络的污水参数监测系统和污水处理过程监测系统，每一污水参数监测系统、每一污水处理过程监测系统均包括一与所述的无线传感器网络通信的通信模块、若干个与所述的通信模块相连的基站、若干个与每一基站相连的传感器节点，其中：

所述的基站接受它所在的污水参数监测系统的每一传感器节点传送来的监控参数或污水处理过程监测系统的每一传感器节点传送来的污水处理过程数据，并将该数据进行融合，输出给所述的通信模块；

所述的传感器节点监测污水的监控参数或污水处理过程，将监测到的监控参数或污水处理过程数据通过ZigBee网络传送至基站，该传感器节点为一微型嵌入式系统，进行本地信息收集和数据处理，还对其它传感器节点转发来的数据进行存储、管理和融合，同时与其它节点协作完成任务，所述的传感器节点包括一ZigBee模块；

所述的传感器节点处于睡眠状态时，电流为30μA，数据通信时，所述的ZigBee模块建立一次连接的时间约为20ms；

所述的ZigBee模块实现污水监控参数或污水处理过程数据的传递；

所述的污水参数监测系统中的传感器节点实现对水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量的测量，并对污水关键进水口和排水口重点区域的流量和水位检测进行实时视频监测；

所述的污水处理过程监测系统中的传感器节点完成各个污水处理池污水处理过程的参数与控制指令传输。

上述的基于无线传感器网络的污水监测网络结构，其中，所述的监测中心包括一远程监控服务器以及与该远程监控服务器相连的应用程序服务器、数据服务器、用户端，所述的用户端与一打印机相连。

本发明的有益效果是：本发明采用WSN(无线传感器网络)使得监测系统的成本大大降低，并且无线传感器网络是低功耗的具有传感、计算与通信能力的微小传感器节点构成的自治网络系统，能根据环境自主完成各种监测任务，基于无线传感器网络技术的水环境远程实时监测系统，与水环境自动监测系统的集散型监测网络相比，无线传感器网络技术由低功耗微小网络节点通过自组织方式构成无线通信网络，能够通过密集的节点布置，协作地实时感知、监测和采集网络分布区域内的各种微观环境信息，并对这些信息进行处理，从而获得详尽而准确的信息。本发明针对当前环境监测中面临的网络布线困难、成本高及实时性差等问题，提出了基于无线传感器网络的城市污水处理厂内的水环境监测无线传感器监测系统。

无线传感器检测网络的污水监测网络结构具有以下优点：

(1)对原有地域的生态环境影响小：节点通过低功率、辐射小的无线信道和多跳通信协议将水环境检测参数传给基站和中央控制室，无需进行铺设电缆和建立监测子站的施工，将对生态环境的影响降到最低。

(2)传感器多点密集部署：密集部署的多个传感器节点可以对地理分布范围较广的每个小水域的水环境参数进行检测，并通过对大量冗余信息的智能信息处理提高参数检测的精度。

(3)系统成本低：相对于现有的水环境自动监测系统和人工采样实验室分析方法，设备和人工的费用大大降低。

因此，无线传感器网络能有效地克服现有的水环境监测方法对原有生态环境影响大、数据采集点少、监测范围有限、系统价格昂贵、设备体积大、需预先铺设电缆等缺点，更适合对监测区域中的每个局部水域进行远程实时监测。本文基于无线传感器网络，智能信息处理等技术对污水水环境质量进行远程实时动态监测，并对其中的若干关键技术进行研究。这些关键技术可扩展基于无线传感器网络的远程实时监测系统的检测参数种类，并提高其检测精度。

附图说明

图1是本发明的基于无线传感器网络的污水监测网络结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，图中示出了本发明的一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构，包括一监测中心1，还包括若干个通过无线传感器网络2与监测中心1相连的且基于ZigBee网络的污水参数监测系统3和污水处理过程监测系统4，每一污水参数监测系统3、每一污水处理过程监测系统4均包括一与无线传感器网络2通信的通信模块33、若干个与通信模块33相连的基站31、若干个与每一基站31相连的传感器节点32，其中：

基站31接受它所在的污水参数监测系统3的每一传感器节点32传送来的监控参数或污水处理过程监测系统4的每一传感器节点32传送来的污水处理过程数据，并将该数据进行融合，输出给所述的通信模块33；

传感器节点32监测污水的参数以及污水处理过程，将监测到的参数以及污水处理过程数据通过ZigBee网络传送至基站31，该传感器节点32为一微型嵌入式系统，进行本地信息收集和数据处理，还对其它传感器节点32转发来的数据进行存储、管理和融合，同时与其它节点协作完成任务，传感器节点32包括一ZigBee模块(图中未示出)；

传感器节点32处于睡眠状态时，电流为30μA，数据通信时，ZigBee模块建立一次连接的时间约为20ms，较短的连接时间可大大减少传感器节点向数据视频基站上报数据时发生碰撞的概率；

ZigBee模块实现污水监控参数或污水处理过程数据的传递；

通信模块33将基站31传来的数据传输给无线传感器网络2。

监测中心1包括一远程监控服务器11以及与该远程监控服务器11相连的应用程序服务器12、数据服务器13、用户端14，用户端14与一打印机15相连。

污水参数监测系统3中的传感器节点32实现对水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量的测量，并对污水关键进水口和排水口重点区域的流量和水位检测等进行实时视频监测；

污水处理过程监测系统4中的传感器节点32完成各个污水处理池污水处理过程的参数与控制指令传输。

由于污水进水口和排水口广泛分布以及一定的监测精度，在每个污水进水口和排水口均可最设为一个独立子区域，可能分布多个传感器节点。在每个子区域中构建基无线技术的传感器网络，然后存在一个网关或者汇聚点进行数据传输。在污水处理过程监测系统，每个污水处理池均存在多个传感器和执行器，他们与现场服务器或者远程监控服务器交互信息。同时，现场服务器或者远程监控服务器也需要与污水参数监测系统交互信息。基于簇(Cluster)的分层结构具有天然的分布式处理能力，簇头是分布式处理中心，即无线传感器网络的一个汇聚点或者基站，每个簇成员(传感器节点)都把监测的原始数据(或者简单处理)传给簇头，数据经簇头融合后由更强通信模块传输至监测中心。

由于ZigBee无线是最新推出的低速率、低功耗无线通信技术，特别适合长期无人值守场合，因此本系统建立以ZigBee为核心的分层通信系统架构。由于需要长期无人值守工作，污水参数监测采用低功耗的ZigBee无线技术；视处理厂的规模，污水处理过程可以采用ZigBee无线技术或者WLAN技术。在每个进出水口的监测污水参数通过ZigBee模块直接传送到基站，基站具有强大数据处理功能，处理后的数据通过WLAN模块或者CDMA模块传送到本系统外围的现场控制服务器或者远程监控服务器。同样，污水处理厂的污水处理过程数据通过ZigBee模块传送到具有WLAN功能的基站，后者把数据传送到现场控制服务器；现场控制服务器产生控制指令后，通过汇聚节点的中转传递给具有ZigBee模块执行节点。外围的远程监控服务器通过CDMA和Internet网络与多个现场控制服务器层或者汇聚节点连接，获取相关子区域节点采集的污水参数和现场控制过程，对污水参数和处理过程数据进行处理和分析，监测水质状况的变化，实现对现场的有效控制和管理，并对污染等突发事件和环境急剧变化所影响的水环境状况实时报警；远程终端用户通过Internet实现对污水全天候的实时监测。

基于ZigBee无线技术的污水参数监测节点，即无线传感节点，由低功耗MCU、数据采集通道、电池和ZigBee物理层芯片等部分组成，并挂接多个传感器检测水温、PH值、浊度、电导率、溶解氧含量等参数。节点需具有尺寸小、功耗低、适应性强的特点，节点发射功率为0～3.6dbm，通信距离为30～70米，经过功率放大，通信距离可达1 000米左右。节点具有能量检测和链路质量指示功能，根据这些检测结果，可自动调整节点的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最大限度地减少能耗。

本发明中，传感器节点32由无线传感节点、无线执行节点、汇聚节点、现场工业控制服务器、远程专家控制站点几个部分组成。

无线传感节点主要用于污水参数监测，它与污水参数分布和处理工艺相关，主要包括PH值、COD、氨-氮、总磷(TP)、溶解氧(DO)检测等。

无线执行节点：能够接收现场工业控制服务器的控制信息并能执行相应动作来控制格栅除污机、刮砂机、压榨机、潜水搅拌器执行机构等。

汇聚节点：提供无线传感节点和无线执行节点的数据接入功能，具有协调功能以降低无线控制节点和无线传感节点的能量消耗；具有将传感器数据转发到专家控制站点，转发来自专家控制站点的控制数据到无线执行节点以及无线传感节点的功能；汇聚节点同时将经过处理的数据传输到现场工业控制服务器。

传感器节点32为一个微型嵌入式系统，构成无线传感器网络的基础层支持平台，每个传感器节点兼顾传感终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。研究基于嵌入式的传感器/执行器节点、汇聚节点和执行节点的硬件实现方案，主要解决硬件节点的低功耗问题和抗腐蚀问题，同时降低节点硬件的成本和尺寸大小，提高可扩展性。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于无线传感器网络的污水监测网络结构，包括一监测中心，其特征在于，还包括若干个通过无线传感器网络与所述的监测中心相连的且基于ZigBee网络的污水参数监测系统和污水处理过程监测系统，每一污水参数监测系统、每一污水处理过程监测系统均包括一与所述的无线传感器网络通信的通信模块、若干个与所述的通信模块相连的基站、若干个与每一基站相连的传感器节点，其中：

所述的基站接受它所在的污水参数监测系统的每一传感器节点传送来的监控参数或污水处理过程监测系统的每一传感器节点传送来的污水处理过程数据，并将该数据进行融合，输出给所述的通信模块；

所述的传感器节点监测污水的监控参数或污水处理过程，将监测到的监控参数或污水处理过程数据通过ZigBee网络传送至基站，该传感器节点为一微型嵌入式系统，进行本地信息收集和数据处理，还对其它传感器节点转发来的数据进行存储、管理和融合，同时与其它节点协作完成任务，所述的传感器节点包括一ZigBee模块；

所述的传感器节点处于睡眠状态时，电流为30μA，数据通信时，所述的ZigBee模块建立一次连接的时间为20ms；

所述的ZigBee模块实现污水监控参数或污水处理过程数据的传递；

所述的污水参数监测系统中的传感器节点实现对水温、pH值、浊度、电导率、溶解氧含量的测量，并对污水关键进水口和排水口重点区域的流量和水位检测进行实时视频监测；

所述的污水处理过程监测系统中的传感器节点完成各个污水处理池污水处理过程的参数与控制指令传输。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的污水监测网络结构，其特征在于，所述的监测中心包括一远程监控服务器以及与该远程监控服务器相连的应用程序服务器、数据服务器、用户端，所述的用户端与一打印机相连。