CN102944656A

CN102944656A - 一种在线水质监测系统

Info

Publication number: CN102944656A
Application number: CN2012104061293A
Authority: CN
Inventors: 马赛; 张唯易; 赵康; 鲍星合; 赵鲁阳; 尹达; 余宁; 王晓东; 朱文越; 王静
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-10-23
Also published as: CN102944656B

Abstract

本发明涉及一种在线水质监测系统，包括飘浮在水面上的可移动水质监测节点和中继监测节点，以及岸上基站和数据中心，所述可移动水质监测节点和中继监测节点用于监测水质参数，并将得到的水质参数上传至簇头节点；所述簇头节点把收到的数据进行融合，并按照规定的格式上报至岸上基站；所述岸上基站根据数据中心的监测查询命令上传数据；所述数据中心用于重构监测数据；所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机采样策略对水质进行采样监测。本发明可以使得现有的水质监测方法的生命周期可以延长。

Description

一种在线水质监测系统

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，特别是涉及一种在线水质监测系统。

背景技术

水体质量对生态环境，生产和生活非常关键。当前水质监测方法存在很多问题。经验检测法很不可靠；实验室检测虽然精度高但实时性差，过程复杂，准确度不够，且容易造成二次污染；随着传感器和电子技术的发展，出现了湖泊等水体的现场水质分析仪，虽然具有精度高，探头可拆卸组合等特点，可以实时检测水质，但使用时需由人携带检测仪器到检测现场，耗费大量人力。随着无线传感器网络的发展，人们提出了基于无线传感器网络的在线实时水质监测系统。布设在监测水域的节点自组织成无线网络，节点采集水质数据，通过无线或GPRS方式传回数据中心。已有的水质监测网络，采样周期通常为15分钟，降低采样频率会影响监测效果，但提高采样频率网络流量会以指数级别增长，大大降低网络生命周期。由于野外水质监测节点不易维护，需要满足长期无人值守，现有的水质监测网络不能很好解决该问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在线水质监测系统，使得现有的水质监测方法的生命周期可以延长。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种在线水质监测系统，包括飘浮在水面上的可移动水质监测节点和中继监测节点，以及岸上基站和数据中心，所述可移动水质监测节点和中继监测节点用于监测水质参数，并将得到的水质参数上传至簇头节点；所述簇头节点把收到的数据进行融合，并按照规定的格式上报至岸上基站；所述岸上基站根据数据中心的监测查询命令上传数据；所述数据中心用于重构监测数据；所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机采样策略对水质进行采样监测。

所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机周期采样策略对水质进行采样监测；其中，实际采样周期为

第一个采样时刻从

随机选取，以后的采样时刻则按照实际采样周期进行采样，N为常规监测节点在某段时期的采样次数；M为正整数，表示该种节点节省的采样倍率。

所述可移动水质监测节点和中继监测节点在前S个周期每次都采样，在以后的周期根据随机周期采样策略对水质进行采样监测。

所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机个数采样策略对水质进行采样监测；其中，从监测节点{1,2,…,N}中随机选取M个数，由小到大排列为{K₁,K₂,…,K_M},K₁<K₂<…K_M，则采样时刻为{K₁T，K₂T，…,K_MT}，其中，K为选取的监测节点，T为采样周期。

所述可移动水质监测节点和中继监测节点在前S个周期每次都采样，在以后的周期根据随机个数采样策略对水质进行采样监测。

所述可移动水质监测节点和中继监测节点在采样后上传采样数据转入睡眠状态，在下一次采样时由睡眠状态醒来采样。

所述数据中心根据以下方式重构监测数据，令构造矩阵为

且

其中

N为常规监测节点在某段时期的采样次数；S为第一次采样时刻，H为周期采样策略时的采样周期；p为第一次采样时刻；矩阵

数据中心根据收到的每个节点的监测数据确定节点的每N个正常采样周期，D=[d₁,d₂,...,d_M]_M×1；subject toD=ΦΨ^-1α，则监测结果为I=Ψα，其中D为节点在监测时期内的监测数据。

为数据中心根据公式求得的与常规监测方法相同数量的水质数据。

所述数据中心根据以下方式重构监测数据，令构造矩阵为

且其中i=1,2,...,M；矩阵

数据中心根据收到的每个节点的监测数据确定节点的每N个正常采样周期，

D=[d₁,d₂,...,d_M]_M×1；subject to D=ΦΨ^-1α，则监测结果为I=Ψα，其中D为节点在监测时期内的监测数据。

所述可移动水质监测节点包括水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块，电源部分，GPS模块，浮体部分；所述水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块，电源部分，GPS模块安装在浮体部分上；所述水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块依次连接；所述GPS模块与MSP430F5438微处理器相连；所述电源部分为各个模块进行供电。

所述岸上基站包括依次连接的CC2430无线收发模块，MSP430F5438微处理器和RS232接口模块。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可大大降低节点的水质采样频率，提高网络数据量和生命周期。同时水质监测节点体积小，功耗低，成本低，便于布设和回收，无需在水中打桩，可自由移动，装有GPS模块，可以精确获取某位置的水质数据，特别适用于水库、湖泊、湿地、河流、水产养殖等水体水质的实时在线监测。水域范围内的节点能够自行协调并迅速组建成通信网络,节点采集的数据以多跳中继的方式传送到岸上汇聚节点。岸上汇聚节点连接传感器网络与外部网络,通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信,把收集到的数据信息经过处理存储在数据库中，供外部网络用户访问，同时发布管理节点提交的任务。现有的常规规水质监测为周期采样水质（间隔通常为15-30分钟），本发明提出了两种新的采样策略，即周期采样（采样间隔大大增加）和随机时刻采样。采样数据在数据中心根据算法求得与常规采样相同采样周期的数据。两种策略都可以大大降低采样次数，从而增加节点生命周期，减少网络数据量。

附图说明

图1是可移动水质在线监测系统总体框架图；

图2是可移动水质监测节点的硬件框图；

图3是可移动水质监测节点工作流程图；

图4是岸上汇聚基站的硬件框图；

图5是岸上汇聚基站工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种在线水质监测系统，如图1所示，包括飘浮在水面上的可移动水质监测节点和中继监测节点，以及岸上基站和数据中心，所述可移动水质监测节点和中继监测节点用于监测水质参数，并将得到的水质参数上传至簇头节点；所述簇头节点把收到的数据进行融合，并按照规定的格式上报至岸上基站；所述岸上基站根据数据中心的监测查询命令上传数据；所述数据中心用于重构监测数据；所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机采样策略对水质进行采样监测。

可移动水质监测节点，如图2所示，包括水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块，电源部分，GPS模块，浮体部分。所述水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块，电源部分，GPS模块安装在浮体部分上；所述水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块依次连接；所述GPS模块与MSP430F5438微处理器相连；所述电源部分为各个模块进行供电。所述水质传感器测量水体的参数，可测量水温、pH值、溶解氧(DO)、电导率、浊度等。所述微处理器采用MSP430F5438型号，具有丰富的存储和接口资源，控制水质传感器的数据采样，节点的工作状态，数据处理等。所述CC2430无线收发模块，符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz直序扩频无线收发。其中，天线为采样全向天线。所述GPS模块，测量节点的地理位置信息。所述电源部分由蓄电池和太阳能电池板组成，给水质传感器、微处理器、无线收发单元、GPS提供能量，太阳能电池先将太阳能转换为电能，再将电能储存在蓄电池中。保证在连续阴雨天时仍可正常工作。

图3所示的可移动水质监测节点的工作流程图。首先节点布设完成后，上电初始化，接收到组网命令后，节点根据规则，确定是否划分为簇头节点。若划分为簇头节点则发送建簇请求命令。普通节点根据收到的所有簇头信号强度加入最近的簇头中。

新布设的节点，上电初始化后会发送请求加入网络，簇头节点收到后，发送同意命令，节点根据接收到信号强度选择加入最近的簇头中。发送请求加入某簇，对应簇头把新节点加入其簇成员列表中。

水质监测节点进入休眠阶段。

到周期采样定时，触发中断，节点被唤醒，在前S个（如前10个）采样周期正常采样。以后的时刻节点根据随机周期采样策略或随机个数采样策略确定本次时刻是否采样。

节点收到采样命令后，被唤醒，立即采集水质数据。

采样完成后发送水质参数和节点GPS数据（若未采样则不发送数据），由簇头节点路由上传至岸上汇聚基战。

数据发送完成再次进入休眠阶段。

其中，随机周期采样策略是：实际采样周期为第一个采样时刻从

随机选取，以后的采样时刻则按照实际采样周期进行采样，N为常规监测节点在某段时期的采样次数；M为正整数，表示该种节点节省的采样倍率；随机个数采用策略是：从监测节点{1,2,…,N}中随机选取M个数，由小到大排列为{K₁,K₂,…,K_M},K₁<K₂<…K_M，则采样时刻为{K₁T，K₂T，…,K_MT}，其中，K为选取的监测节点，T为采样周期。

岸上汇聚基站，如图4所示，包括依次连接的CC2430无线收发模块，MSP430F5438微处理器和RS232接口模块，以及电源部分。所述微处理器采用MSP430F5438型号，具有丰富的存储和接口资源，控制节点的工作状态，数据处理等。所述CC2430无线收发模块，符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz直序扩频无线收发。天线可以是采样全向天线。所述电源部分，为交流220V转化为直流5V，给岸上汇聚节点提供电源。

图5所示的是岸上汇聚基站的工作流程图。首先上电初始化，发送组网命令，布设到水中的水质监测节点收到组网命令后，根据节点数量和距离随机选取若干数目的节点作为簇头，簇头广播建簇命令。节点根据信号强度大小加入最近的簇头中，建立起分簇的网络。基站进入监听阶段。若收到水质监测节点数据，则发送至数据管理中心。若收到新节点加入请求，则为其分配网络地址。

数据管理中心主要任务有数据接收、数据分析处理、数据存储、超限报警和数据共享等。管理中心可以查询和自动监测2种方式获得监测数据。数据管理中心从RS232串口接收岸上基站传来的采集数据,按照系统设计的通信协议进行解析,并对数据进行处理,最后存入数据库并实现数据共享。

数据中心按照采样数据重构方法，利用实际采样数据，计算得到所有时刻的采样数据。

当采用随机周期采样策略时，所述数据中心根据以下方式重构监测数据，令构造矩阵为

且

其中

请给出N为常规监测节点在某段时期的采样次数；S为第一次采样时刻，H为周期采样策略时的采样周期，H>T；p为第一次采样时刻；矩阵

当采用随机个数采样策略时，所述数据中心根据以下方式重构监测数据，令构造矩阵为

且

其中i=1,2,...,M；矩阵数据中心根据收到的每个节点的监测数据确定节点的每N个正常采样周期，

不难发现，采用本发明的随机采样方式能够使得实际采样数量远小于正常采样数量，从而可大大降低节点的水质采样频率，提高网络数据量和生命周期。同时水质监测节点体积小，功耗低，成本低，便于布设和回收，无需在水中打桩，可自由移动，装有GPS模块，可以精确获取某位置的水质数据，特别适用于水库、湖泊、湿地、河流、水产养殖等水体水质的实时在线监测。水域范围内的节点能够自行协调并迅速组建成通信网络,节点采集的数据以多跳中继的方式传送到岸上汇聚节点。岸上汇聚节点连接传感器网络与外部网络,通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信,把收集到的数据信息经过处理存储在数据库中，供外部网络用户访问，同时发布管理节点提交的任务。

Claims

1.一种在线水质监测系统，包括飘浮在水面上的可移动水质监测节点和中继监测节点，以及岸上基站和数据中心，其特征在于，所述可移动水质监测节点和中继监测节点用于监测水质参数，并将得到的水质参数上传至簇头节点；所述簇头节点把收到的数据进行融合，并按照规定的格式上报至岸上基站；所述岸上基站根据数据中心的监测查询命令上传数据；所述数据中心用于重构监测数据；所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机采样策略对水质进行采样监测。

2.根据权利要求1所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机周期采样策略对水质进行采样监测；其中，实际采样周期为

第一个采样时刻从

随机选取，以后的采样时刻则按照实际采样周期

进行采样，其中，N为常规监测节点在某段时期的采样次数；M为正整数，表示该种节点节省的采样倍率。

3.根据权利要求2所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述可移动水质监测节点和中继监测节点在前S个周期每次都采样，在以后的周期根据随机周期采样策略对水质进行采样监测。

4.根据权利要求1所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述可移动水质监测节点和中继监测节点采用随机个数采样策略对水质进行采样监测；其中，从监测节点{1,2,…,N}中随机选取M个数，由小到大排列为{K₁,K₂,…,K_M},K₁<K₂<…K_M，则采样时刻为{K₁T，K₂T，…,K_MT}，其中，K为选取的监测节点，T为采样周期。

5.根据权利要求4所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述可移动水质监测节点和中继监测节点在前S个周期每次都采样，在以后的周期根据随机个数采样策略对水质进行采样监测。

6.根据权利要求1所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述可移动水质监测节点和中继监测节点在采样后上传采样数据转入睡眠状态，在下一次采样时由睡眠状态醒来采样。

7.根据权利要求2所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述数据中心根据以下方式重构监测数据，令构造矩阵为

且

其中

其中，N为常规监测节点在某段时期的采样次数；S为第一次采样时刻，H为周期采样策略时的采样周期；p为第一次采样时刻；矩阵

D=[d₁,d₂,...,d_M]_M×1；subject to D=ΦΨ^-1α，则监测结果为I＝Ψα，其中D为节点在监测时期内的监测数据，

8.根据权利要求4所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述数据中心根据以下方式重构监测数据，令构造矩阵为且

其中i＝1,2，...,M；矩阵

9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的在线水质监测系统，其特征在于，所述可移动水质监测节点包括水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块，电源部分，GPS模块，浮体部分；所述水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块，电源部分，GPS模块安装在浮体部分上；所述水质传感器，MSP430F5438微处理器，CC2430无线收发模块依次连接；所述GPS模块与MSP430F5438微处理器相连；所述电源部分为各个模块进行供电。

10.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的在线水质监测系统，所述岸上基站包括依次连接的CC2430无线收发模块，MSP430F5438微处理器和RS232接口模块。