CN102149221B - 一种用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统。其技术方案是：该系统包括n个节点和一个基站(4)，n个节点由一个协调器(3)、至少一个终端(1)和至少一个路由器(2)组成；节点的分布是先将路由器(2)和协调器(3)分别固定在湖泊中的某一监测区域，再将终端(1)部署在路由器(2)和协调器(3)附近；节点均通过无线自组织方式构成无线传感网络。节点的结构除了微处理器控制模块(14)的ROM中写入的控制软件不同外，其余均相同。本发明具有实时动态监测、成本低廉、能耗小、监测区域大、监测简便易行等优点。本发明在实际环境中的应用，能扩充、优化、完善国内现有环境监测技术和系统，为实时动态监测水环境质量提供强有力的技术保障。

Description

一种用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统

技术领域

本发明属于无线传感网络技术领域。具体涉及一种用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统。

背景技术

目前，随着人们对水环境保护的意识增强，水环境的保护和实时监测也受到重视，其实时监测的相关技术的应用倍受关注。研究智能化自动化监测技术有利于节省大量人力成本和保护水资源，而且实时动态监测已经成为水环境监测市场的迫切需求，同时也是相关部门重视的技术领域。

无线传感网络作为一种新型的传感网络技术，具有极佳的实际应用前景。基于ZigBee的无线传感器网络，具有自组网络、网络自愈和网络维护等强大功能，能通过无线多跳中继方式扩大通信距离，扩大网络监测范围。通过软件设置网络类型为Mesh网络，能扩大网络的容量，提高网络的健壮性。在ZigBee联盟推出新的ZigBee 2007规范中，网络通信信道活跃，能有效抵抗复杂环境中的电磁干扰，有效的保证通信质量，提高网络的生存能力。

无线传感网络作为一种新的无线传感网络，在智能家居、智能建筑、医疗护理和环境监测等相关领域得到越来越广泛的应用。现有的水环境监测技术主要有如下三种方式：

第一种方式为人工监测，主要由人工采样、样品实验室分析、实验数据分析和得出结论组成；

第二种方式为自动监测，主要由测定系统、传输系统以及数据分析处理系统组成；

第三种为遥感遥测，经过资源卫星对水域的遥测，分析卫星测绘数据或是航天平台上的多光谱扫描仪及成像光谱仪遥测数据，分析水域质量。

第一种方式属于传统的监测方式，采样周期较长，采样时间受水域地形、天气等诸多因素影响较大。第二种方式，虽然在一定程度上克服了第一种方式采样周期长，采样困难的缺点，但是采用的是有线传输的方式，电缆以及电缆铺设的成本较高，同时监测区域也仅仅限于靠岸水域。第三种方式，在遥测时受地形地貌的影响较大，适合海洋、湖泊大型水域的监测，且在操作过程需要多部门之间相互协调合作，过程往往冗长复杂，并不简便易行。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种实时动态监测、成本低廉，监测区域大、监测简便易行的用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该系统包括n个节点和一个基站，n个节点由一个协调器、至少一个终端和至少一个路由器组成；节点的分布是先将路由器和协调器分别固定在湖泊中的某一监测区域，再将终端部署在路由器和协调器附近；节点均通过无线自组织方式构成无线传感网络。

终端由电源控制模块、数据采集控制模块和主控制模块相互连接组成。

电源控制模块由太阳能充电电路、充电锂电池和电压转换电路组成，在电源控制模块中，充电锂电池分别与太阳能充电电路和电压转换电路连接；电源控制模块中的电压转换电路分别与主控制模块和数据采集控制模块连接。

数据采集控制模块由传感器组、采集电路和信号处理电路组成；在数据采集控制模块中，传感器组中的每个传感器分别与采集电路连接，采集电路与信号处理电路连接；采集电路和信号处理电路分别与电源控制模块中的电压转换电路和主控制模块连接。

主控制模块由微处理器控制模块、ZigBee无线模块和主控制模块天线组成；在主控制模块中，ZigBee无线模块分别与微处理器控制模块和主控制模块天线相互连接，微处理器控制模块的ROM中写入终端控制软件；微处理器控制模块与电源控制模块中的电压转换电路连接，微处理器控制模块分别与数据采集控制模块中的采集电路和信号处理电路连接。

路由器除微处理器控制模块的ROM中写入的软件为路由器控制软件外，其余结构均与终端相同。

协调器除微处理器控制模块的ROM中写入的软件为协调器控制软件外，其余结构均与终端相同。

基站由ZigBee无线模块、基站天线和上位机组成；在基站中，ZigBee无线模块分别与基站天线和上位机连接，上位机中装入上位机控制软件。

所述的传感器组为水体温度传感器、PH值传感器、电导率传感器、浊度传感器、溶氧量传感器中的一种以上，针对湖泊环境和监测要求，选取实际需要的传感器。

所述的协调器控制软件的主流程是：

S-101、初始化；

S-102、执行协调器程序；

S-103、开始任务调度；

S-104、有无系统命令；

S-105、若有系统命令，执行S-106；若无系统命令，执行S-107；

S-106、广播命令，执行S-104；

S-107、有无数据向基站发送；

S-108、若有数据向基站发送，执行S-109；若无数据向基站发送，执行S-104；

S-109、向基站发送数据，执行S-104。

所述的路由器控制软件的主流程是：

S-201、初始化；

S-202、开始任务调度；

S-203、执行路由器程序；

S-204、有无广播命令；

S-205、若有广播命令，执行S-206；若无广播命令，执行S-207；

S-206、转发广播命令，执行S-204；

S-207、有无数据转发；

S-208、若有数据转发，执行S-209；若无数据转发，执行S-204；

S-209、转发数据，执行S-207。

所述的终端控制软件的主流程是：

S-301、初始化；

S-302、开始任务调度；

S-303、执行终端程序；

S-304、有无广播命令；

S-305、若有广播命令，执行S-306；若无广播命令，执行S-309；

S-306、执行广播命令；

S-307、建立新的采集参数表；

S-308、建立新的采集任务；

S-309、有无采集任务；

S-310、若有采集任务，执行S-311；若无采集任务，执行S-314；

S-311、采集水质参数一种以上；

S-312、分布式优化采集数据；

S-313、发送数据；

S-314、休眠；

S-315、等待命令或任务唤醒；

S-316、唤醒，执行S-304。

所述的上位机控制软件的主流程是：

S-401、初始化；

S-402、有无任务；

S-403、若有任务，执行S-404；若无任务，执行S-402；

S-404、判定任务类型；

S-405、有无数据接收任务；

S-406、若有数据接收任务，执行S-407；若无数据接收任务，执行S-409；

S-407、接收数据；

S-408、处理数据；

S-409、有无数据发送任务；

S-410、若有数据发送任务，执行S-4011；若无数据发送任务，执行S-4013；

S-411、将命令数据传给ZigBee无线模块；

S-412、向协调器发送命令；

S-413、有无查看分析任务；

S-414、若有查看分析任务，执行S-4015；若无查看分析任务，执行S-402；

S-415、将数据经过算法分析；

S-416、得出结论，执行S-402。

由于采用上述技术方案，本发明的监测数据实时传送到协调器，再由协调器传往基站。基站中的上位机控制软件具有接收、发送和处理分析数据的功能。上位机控制软件能接收协调器发送的监测数据，对数据进行容错处理，并将数据存储。当上位机需要发送控制命令时，能通过上位机向ZigBee无线模块发送控制命令，然后向协调器发送控制命令。此外，能通过上位机控制软件对监测的数据进行算法分析，然后给出结论，并提示水域质量等级指标。克服了人工采样方式采样周期长的缺陷。整个监测过程中数据通过无线方式自动传送，能实时实地监测水体变化，体现水体质量状况，有效实现了监测数据实时动态变化。

本发明采用数字芯片，同时采用ZigBee无线传感网络技术和太阳能供电，节点能长时间低功耗工作，有效延长节点生存时间，降低节点整体成本，故系统成本低廉。此外，网络节点容量大，能提高网络监测区域，有效克服了有线传输网络成本高和监测区域小的缺点。

由于本发明节点体积小，便于移动，能方便部署于被监测的水域中，且部署的水域不受当地的地形地貌地理条件的限制，部署的过程也简单易行，能克服遥感遥测过程冗长复杂的缺点。系统监测简便易行。

因此，本发明与现有的水环境监测系统相比，具有实时动态监测、成本低廉、能耗小、监测区域大、监测简便易行等优点。本发明在实际环境中的应用，能扩充、优化、完善国内现有环境监测技术和系统，为实时动态监测水环境质量提供强有力的技术保障。

附图说明

图1为本发明的一种分布式无线传感网络系统示意图；

图2为图1中的终端1的结构示意图；

图3为图1中的基站4的结构示意图；

图4为图1中的协调器控制软件的主流程图；

图5为图1中的路由器控制软件的主流程图；

图6为图1中的终端控制软件的主流程图；

图7为图3中的上位机控制软件的主流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，并非对保护范围的限制。

实施例

一种用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统。该系统如图1所示，由15个节点和一个基站4组成，15个节点由1个协调器3、5个路由器2和9个终端1组成；节点的分布是先将路由器2和协调器3分别固定在湖泊中的某一监测区域，再将终端1部署在路由器2和协调器3附近；节点均通过无线自组织方式构成无线传感网络。

终端1的结构如图2所示，由电源控制模块11、数据采集控制模块7和主控制模块13相互连接组成，各个模块的结构分别是：

电源控制模块11由太阳能充电电路10、充电锂电池9和电压转换电路12组成，在电源控制模块11中，充电锂电池9分别与太阳能充电电路10和电压转换电路12连接；电源控制模块11中的电压转换电路12分别与主控制模块13和数据采集控制模块7连接。

数据采集控制模块7由传感器组8、采集电路6和信号处理电路5组成；在数据采集控制模块7中，传感器组8中的每个传感器分别与采集电路6连接，采集电路6与信号处理电路5连接；采集电路6和信号处理电路5分别与电源控制模块11中的电压转换电路12和主控制模块13连接。

本实施例中，传感器组8由水体温度传感器、PH值传感器、电导率传感器、浊度传感器、溶氧量传感器中组成。传感器组8的上述传感器对湖泊的水体温度，水中的PH值，电导率，浊度，溶氧量的数据分别进行采集。

水体温度传感器主要是用于监测热污染源，水体温度异常可能是存在热污染源，热污染可能引起生物繁殖增快而使水体产生生物性污染。

PH值传感器主要是用于监测水体的酸碱度，清洁天然水的pH值为6.5～8.5，pH值异常偏高或偏低，表示水体受到污染。

电导率传感器主要是用于监测水体的电离的离子浓度，当水体中离子浓度急剧上升时，说明水体中电离的离子浓度发生异常，可能是由于大量污染物的排放造成的。

浊度传感器主要是用于监测水体的浑浊度，浑浊度过高表明水体受到胶体物质污染。

溶氧量传感器主要是用于监测水体的含氧量，溶氧量是评价水体自净能力的指标，当水体中溶氧量较低时，水体中氧化物不易被氧化分解，厌氧细菌类会大量繁殖，使水体发臭。

传感器组8将采集的信号传送给采集电路6，采集电路6再传送给信号处理电路5，信号处理电路5与主控制模块13的微处理器连接，控制数据的收发、湖泊多种参数的采集速率和处理简单数据。

主控制模块13由微处理器控制模块14、ZigBee无线模块16和主控制模块天线15组成；在主控制模块13中，ZigBee无线模块16分别与微处理器控制模块14和主控制模块天线15相互连接，微处理器控制模块14的ROM中写入终端控制软件；微处理器控制模块14与电源控制模块11中的电压转换电路12连接，微处理器控制模块14分别与数据采集控制模块7中的采集电路6和信号处理电路5连接。

微处理器控制模块14中的微处理器CC2530F256内嵌ZigBee协议，微处理器控制模块14通过天线15接收和发送数据，实现节点之间的通信，并对所采集到的湖泊环境参数做简单的分布式分析处理。

本实施例中：路由器2的结构除微处理器控制模块14的ROM中写入的软件为路由器控制软件外，其余均与终端1相同。

本实施例中：协调器3的构均除微处理器控制模块14的ROM中写入的软件为协调器控制软件外，其余结与终端1相同。

基站17的结构如图3所示，由ZigBee无线模块20、基站天线19和上位机18组成；在基站17中，ZigBee无线模块20分别与基站天线19和上位机18连接，上位机18中装入上位机控制软件。

终端控制软件、路由器控制软件、协调器控制软件和上位机控制软件均在Z-Stack协议栈的嵌入式操作系统的基础上，对其进行开发利用，添加用户自己的任务，使用户事件和协议栈的系统事件相协调，防止用户自身事件和系统事件相冲突。

本实施例所述的协调器控制软件的主流程如图4所示：

S-101、初始化；

S-102、执行协调器程序；

S-103、开始任务调度；

S-104、有无系统命令；

S-105、若有系统命令，执行S-106；若无系统命令，执行S-107；

S-106、广播命令，执行S-104；

S-107、有无数据向基站发送；

S-108、若有数据向基站发送，执行S-109；若无数据向基站发送，执行S-104；

S-109、向基站发送数据，执行S-104。

本实施例所述的路由器控制软件的主流程如茹所示：

S-201、初始化；

S-202、开始任务调度；

S-203、执行路由器程序；

S-204、有无广播命令；

S-205、若有广播命令，执行S-206；若无广播命令，执行S-207；

S-206、转发广播命令，执行S-204；

S-207、有无数据转发；

S-208、若有数据转发，执行S-209；若无数据转发，执行S-204；

S-209、转发数据，执行S-207。

本实施例所述的终端控制软件的主流程如图6所示：

S-301、初始化；

S-302、开始任务调度；

S-303、执行终端程序；

S-304、有无广播命令；

S-305、若有广播命令，执行S-306；若无广播命令，执行S-309；

S-306、执行广播命令；

S-307、建立新的采集参数表；

S-308、建立新的采集任务；

S-309、有无采集任务；

S-310、若有采集任务，执行S-311；若无采集任务，执行S-314；

S-311、采集水质参数一种以上；

S-312、分布式优化采集数据；

S-313、发送数据；

S-314、休眠；

S-315、等待命令或任务唤醒；

S-316、唤醒，执行S-304。

本实施例所述的上位机控制软件的主流程如图7所示：

S-401、初始化；

S-402、有无任务；

S-403、若有任务，执行S-404；若无任务，执行S-402；

S-404、判定任务类型；

S-405、有无数据接收任务；

S-406、若有数据接收任务，执行S-407；若无数据接收任务，执行S-409；

S-407、接收数据；

S-408、处理数据；

S-409、有无数据发送任务；

S-410、若有数据发送任务，执行S-4011；若无数据发送任务，执行S-4013；

S-411、将命令数据传给ZigBee无线模块；

S-412、向协调器发送命令；

S-413、有无查看分析任务；

S-414、若有查看分析任务，执行S-4015；若无查看分析任务，执行S-402；

S-415、将数据经过算法分析；

S-416、得出结论，执行S-402。

本实施例的监测数据实时传送到协调器3，再由协调器3传往基站17。基站1中的上位机18控制软件具有接收、发送和处理分析数据的功能。上位机控制软件能接收协调器3发送的监测数据，对数据进行容错处理，并将数据存储。当上位机需要发送控制命令时，能通过上位机18向ZigBee无线模块20发送控制命令，然后向协调器3发送控制命令。此外，能通过上位机控制软件对监测的数据进行算法分析，然后给出结论，并提示水域质量等级指标。本实施方式克服了人工采样方式采样周期长的缺陷。整个监测过程中数据通过无线方式自动传送，能实时实地监测水体变化，体现水体质量状况，有效实现了监测数据实时动态变化。

本实施例采用数字芯片，同时采用ZigBee无线传感网络技术和太阳能供电，节点能长时间低功耗工作，有效延长节点生存时间，降低节点整体成本，故系统成本低廉。此外，网络节点容量大，能提高网络监测区域，有效克服了有线传输网络成本高和监测区域小的缺点。

由于本实施例节点体积小，便于移动，能方便部署于被监测的水域中，且部署的水域不受当地的地形地貌地理条件的限制，部署的过程也简单易行，能克服遥感遥测过程冗长复杂的缺点。系统监测简便易行。

因此，本实施例与现有的水环境监测系统相比，具有实时动态监测、成本低廉、能耗小、监测区域大、监测简便易行等优点。本发明在实际环境中的应用，能扩充、优化、完善国内现有环境监测技术和系统，为实时动态监测水环境质量提供强有力的技术保障。

Claims (2)

1.一种用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统，特征在于该系统包括n个节点和一个基站(4)，n个节点由一个协调器(3)、至少一个终端(1)和至少一个路由器(2)组成；节点的分布是先将路由器(2)和协调器(3)分别固定在湖泊中的某一监测区域，再将终端(1)部署在路由器(2)和协调器(3)附近，基站(4)与协调器(3)相连接；节点均通过无线自组织方式构成无线传感网络；

终端(1)由电源控制模块(11)、数据采集控制模块(7)和主控制模块(13)相互连接组成；

电源控制模块(11)由太阳能充电电路(10)、充电锂电池(9)和电压转换电路(12)组成，在电源控制模块(11)中，充电锂电池(9)分别与太阳能充电电路(10)和电压转换电路(12)连接；电源控制模块(11)中的电压转换电路(12)分别与主控制模块(13)和数据采集控制模块(7)连接；

数据采集控制模块(7)由传感器组(8)、采集电路(6)和信号处理电路(5)组成；在数据采集控制模块(7)中，传感器组(8)中的每个传感器分别与采集电路(6)连接，采集电路(6)与信号处理电路(5)连接；采集电路(6)和信号处理电路(5)分别与电源控制模块(11)中的电压转换电路(12)和主控制模块(13)连接；

主控制模块(13)由微处理器控制模块(14)、ZigBee无线模块(16)和主控制模块天线(15)组成；在主控制模块(13)中，ZigBee无线模块(16)分别与微处理器控制模块(14)和主控制模块天线(15)相互连接，微处理器控制模块(14)的ROM中写入终端控制软件；微处理器控制模块(14)与电源控制模块(11)中的电压转换电路(12)连接，微处理器控制模块(14)分别与数据采集控制模块(7)中的采集电路(6)和信号处理电路(5)连接；

路由器(2)除微处理器控制模块(14)的ROM中写入的软件为路由器控制软件外，其余结构均与终端(1)相同；

协调器(3)除微处理器控制模块(14)的ROM中写入的软件为协调器控制软件外，其余结构均与终端(1)相同；

基站(4)由ZigBee无线模块(20)、基站天线(19)和上位机(18)组成；在基站(4)中，ZigBee无线模块(20)分别与基站天线(19)和上位机(18)连接，上位机(18)中写入上位机控制软件；

终端(1)采集的监测数据被实时传送到协调器(3)，再由协调器(3)传往基站(4)；基站(4)中的上位机控制软件具有接收、发送、处理和分析数据的功能；上位机控制软件接收协调器(3)发送的监测数据，对数据进行容错处理，并将数据存储；此外，能通过上位机控制软件对监测数据进行算法分析，给出结论，提示水域质量等级指标；当基站的上位机需要发送控制命令时，通过上位机向基站的ZigBee无线模块(20)发送控制命令，然后控制命令被发送向协调器(3)；

所述的协调器控制软件的主流程是：

S-101、初始化；

S-102、执行协调器程序；

S-103、开始任务调度；

S-104、有无系统命令；

S-105、若有系统命令，执行S-106；若无系统命令，执行S-107；

S-106、广播命令，执行S-104；

S-107、有无数据向基站发送；

S-108、若有数据向基站发送，执行S-109；若无数据向基站发送，执行S-104；

S-109、向基站发送数据，执行S-104；

所述的路由器控制软件的主流程是：

S-201、初始化；

S-202、开始任务调度；

S-203、执行路由器程序；

S-204、有无广播命令；

S-205、若有广播命令，执行S-206；若无广播命令，执行S-207；

S-206、转发广播命令，执行S-204；

S-207、有无数据转发；

S-208、若有数据转发，执行S-209；若无数据转发，执行S-204；

S-209、转发数据，执行S-207；

所述的终端控制软件的主流程是：

S-301、初始化；

S-302、开始任务调度；

S-303、执行终端程序；

S-304、有无广播命令；

S-305、若有广播命令，执行S-306；若无广播命令，执行S-309；

S-306、执行广播命令；

S-307、建立新的采集参数表；

S-308、建立新的采集任务；

S-309、有无采集任务；

S-310、若有采集任务，执行S-311；若无采集任务，执行S-314；

S-311、采集水质参数一种以上；

S-312、分布式优化采集数据；

S-313、发送数据；

S-314、休眠；

S-315、等待命令或任务唤醒；

S-316、唤醒，执行S-304；

所述的上位机控制软件的主流程是：

S-401、初始化；

S-402、有无任务；

S-403、若有任务，执行S-404；若无任务，执行S-402；

S-404、判定任务类型；

S-405、有无数据接收任务；

S-406、若有数据接收任务，执行S-407；若无数据接收任务，执行S-409；

S-407、接收数据；

S-408、处理数据；

S-409、有无数据发送任务；

S-410、若有数据发送任务，执行S-411；若无数据发送任务，执行S-413；

S-411、将命令数据传给ZigBee无线模块；

S-412、向协调器发送命令；

S-413、有无查看分析任务；

S-414、若有查看分析任务，执行S-415；若无查看分析任务，执行S-402；

S-415、将数据经过算法分析；

S-416、得出结论，执行S-402。

2.根据权利要求1所述的用于湖泊水质监测的分布式无线传感网络系统，其特征在于所述的传感器组为水体温度传感器、PH值传感器、电导率传感器、浊度传感器、溶氧量传感器中的一种以上。

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