CN103792330A - 无线传感水质监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感水质监测预警系统，包括无线传感器水质参数采集节点、汇聚节点、水质监控中心，无线传感器水质参数采集节点包括水质参数传感器模块、微处理器模块、ZigBee模块及太阳能供电模块，水质参数传感器模块负责水质参数采集并与微处理器模块连接，水质参数采集节点之间通过ZigBee模块以无线方式进行自行组网，形成水质监测无线传感器网络；汇聚节点通过ZigBee模块与无线传感器水质参数采集节点交换数据，并通过GPRS模块和Internet与水质监控中心交换数据，水质监控中心通过自回归模型算法对该数据进行处理并作出预警。本系统布局灵活、实时上报数据可以实现大范围水域水质的无线监测和预警。

Description

无线传感水质监测预警系统

技术领域

本发明属于水质监测领域，具体涉及大范围水域的水质的无线监测和预警系统。

背景技术

近年来，随着工业发展和人们生活水平不断提高，污水排放量不断增加，已经远远超出了自然净化功能所允许的环境容量，自然界的水质情况不断恶化，严重危及到人类健康、破坏生态系统。为了确保水环境和水资源的清洁，必须对造成水质污染的污染源采取必要的措施，环境水质的在线监测显得非常有必要。

长期以来，我国主要的水质监测系统存在着一些不足：(1)水质监测中心现场采样能力不足，监测频率低，实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡；(2)机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低，灵活性、机动性差；(3)监测数据的可靠性、准确性不高，使得监测数据不具备有效性判断和智能决策等功能。

目前一些水质监测系统只是单纯对水质参数进行监测，虽然能够使相关部门实时了解监测区域内的水质变化情况，但是对环境变化趋势并不能提前做出科学预判，利用先进的科学算法实现对水质变化的预警，将传统的被动监测变为主动预警对于水污染控制乃至环境保护都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对传统的水质监测系统所存在的局限性和弊端，构建了一种基于无线传感器网络的水质多参数监测预警系统，提出了将无线传感器网络和水质监测系统有机结合起来，解决传统有线水质监测技术方法在监测的覆盖性、实时性、扩容性等方面的欠缺。系统采用自回归模型预测方法对采集的水质数据进行分析拟合，进而预测未来时间的参数变化规律，使得系统具有预警的功能，更有利于水质环境的监控。

为了达到上述目的，本发明提供一种无线传感水质监测预警系统，该系统由无线传感器水质参数采集节点、汇聚节点、水质监控中心三大部分组成。

所述的监测区域内的大量无线传感器水质参数采集节点负责采集相应的水质参数，整个监测网络采集到的数据通过汇聚节点连接Internet发送给水质监控中心。监测中心服务器接到数据后对数据进行自动的存档和数据处理，通过相应的应用软件系统对数据进行分析，并实时显示数据和分析处理结果，通过专家系统判断、预测、预警环境水质污染变化趋势，系统具有水质实时采样、数据及时处理以及适时预警的功能，给相应管理部门的决策提供参考依据。

各无线传感器水质参数采集节点包括水质参数传感器模块、微处理器模块、ZigBee模块及太阳能供电电源模块组成，水质参数传感器模块负责PH值、水温、溶氧量、电导率、浊度等水质参数采集并与微处理器模块连接，水质参数采集节点之间通过ZigBee模块以无线方式进行自行组网，形成水质监测无线传感器网络；所述的汇聚节点通过ZigBee模块与无线传感器水质参数采集节点交换数据，并通过GPRS模块和Internet与水质监控中心交换数据，水质监控中心通过自回归模型算法对该数据进行处理并作出预警。

所述的水质参数传感器模块都是一个完整的水质监测仪，通过无线方式进行自行组网，节点不仅负责本地数据传输，还可以转发其他节点数据，即多跳自组网，实现大范围的水环境监测。

所述的通过ZigBee技术形成的无线传感器网络结构是一种多跳的拓扑结构，可以实现网络内节点之间的点对点通信，网络中传感器模块网络节点具有动态组网和自动路由选择功能。

所述的微处理器是MSP430F149单片机。

所述的ZigBee模块采用MSP430+CC2420的方案来搭建节点硬件架构。

所述的水质监控中心主要由计算机以及计算机网络组成；

所述的回归模型预测方法如下：对水质参数时间序{x₁,x₂,x₃,...,x_n}，建立于k阶自回归模型：

式中：

是自回归参数，a_t为表示系统干扰的白噪声序列。

k阶自回归模型矩阵形式为：

对

参数矩阵采用最小二乘法估计有：

根据预测期望公式：

${\stackrel{\mathrm{\Λ}}{x}}_t\left(l\right)=E\left[x_{t+l}\right]$

上式表示的是时间序列{x₁,x₂,x₃,...,x_n}向前第l步最佳预测值

等于t时刻对x_t+l的数学期望。

当l≤n时，t时刻向前第l步的最佳预测结果是：

当l>n时，t时刻向前第l步的最佳预测结果是：

综合整理，有：

可见，水质参数时间序列

的递推计算并不涉及干扰噪声序列{a_t}，即对观测序列进行递推预测时只需要利用x_t,x_t-1,...,x_t+1-n这些过去的观测值演算出最佳预测结果。所以本系统使用自回归模型对水质参数进行最佳预测，实现对环境水质监测预警功能。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的水质监测无线传感器节点电路原理图；

图3是本发明的无线传感网络汇聚节点电路原理图；

图4是本发明的水质监测工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明无线传感水质监测预警系统该系统由无线传感器水质参数采集节点、汇聚节点、水质监控中心三大部分组成。其中水质监测无线传感器网络由大量的无线传感器水质参数采集节点组成，如图2所示所述的无线传感器水质参数采集节点主要有水质传感器模块、微处理模块、无线通信模块以及电源四部分组成，网络内的无线传感器节点分为监测子节点和汇聚节点，监测子节点负责水温、pH值、溶氧量（DO）、电导率、浊度等水质参数采集，汇聚节点负责接收各个监测传感器节点发送过来的数据并通过GPRS网络实时传输到监控中心。各个无线传感器水质参数采集节点都是一个完整的水质监测仪，通过无线方式进行自行组网，节点不仅负责本地数据传输，还可以转发其他节点数据，即多跳自组网，实现大范围的水环境监测。监测中心服务器接到数据后对数据进行自动的存档和数据处理，通过相应的应用软件系统对数据进行分析，并实时显示数据和分析处理结果，通过专家系统判断、预测、预警环境水质污染变化趋势。系统采用分布式结构，在监测区域内不同的位置进行水质参数采集监测。在监测水域内根据实际情况和相关算法部署大量的水质监测传感器节点，无线传感器节点之间自行协调并通过多跳自组通信网络，节点在监测区域信息时要遵循能量利用率优先考虑原则以保证网络的寿命，数据采集节点经过多跳后路由到协调器，将有效地监测数据传输到控制中心，实现实时监测并利用自回归模型预测方法进行水质参数预警。整个网络系统是一个网状结构。基于IEEE802.15.4协议的无线传感网络网状结构是一种多跳的拓扑结构，可以实现网络内节点之间的点对点通信。在该种结构的网络中任意一个节点都可以接受其它节点发来的信息或命令，也可以转发来自其它节点的信息。网络中传感器节点具有动态组网和自动路由选择功能，网络中存在着多条不同的路由途径，假若某条路由出现故障则节点可以自动寻找其他的路由，网络具有较好的抗毁性、较高的可靠性。

如图2所示，所述的无线传感器水质参数采集节点主要有水质传感器模块、微处理模块、无线通信模块以及电源四部分组成。其中，水质传感器模块是负责采集水质监测区域的水温、pH值、溶氧量（DO）、电导率、浊度等水质参数；微处理器模块负责整个节点的数据处理和存储；无线通信模块负责信息的通信，交换控制信号和收发数据；通过太阳能方式对系统供电。

所述的微处理器是MSP430F149单片机，MSP430F149单片机主要硬件性能指标有：闪速存储器容量为60KB+256B、RAM容量为2KB、具有两个16位定时器、一个高速8通道12位A/D转换器、两个USART通用串行同步/异步通信接口，它具有5种省电模式且允许中断事件切换省电模式，非常适合用于电池供电时间较长的工作场合，它采用16位精简指令系统使其从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6μs。

所述的无线通信模块ZigBee模块采用MSP430+CC2420的方案来搭建节点硬件架构。

微处理器主要控制CC2420完成以下操作：通过4线SPI总线配置接口进行读取、写缓存数据、读取状态信息；使用FIFO、FIFOP状态引脚连接接收和发送FIFO；连接到SFD引脚以提供时间信息；连接CCA引脚来清除通道。在本系统中，MSP430F149具有硬件SPI接口，与CC2420的连接非常简单。其中CC2420的SO引脚连接MSP430F149处理器的P5.2引脚，其SI引脚连接MSP430F149处理器的P5.1引脚，其SCLK引脚连接MSP430F149处理器的P5.3引脚，其CSn引脚连接MSP430F149处理器的P5.0引脚，通过这四个引脚便完成了和微处理器MSP430F149的SPI接口连接。

如图3所示，本发明的无线传感网络汇聚节点负责水质监测无线传感器网络与外部网络的异构连接，即把收集到的传感器数据发送到外部网络上。在本系统中汇聚节点主要由无线传感器模块和GPRS模块组成，实现与其它的传感器节点进行数据交换，以及和监控中心进行数据交换。系统的无线传感器模块和GPRS模块分别使用CC2420无线模块和MC55的GPRS模块。所述的MC55与MSP430F149的UART0进行通信连接，即单片机MSP430F149的P3.4引脚连接MC55的RXD0，而P3.5引脚与MC55的TXD0通过1k电阻连接。MC55使用AT命令进行数据的传输，通信速率为9600bps。由于MC55的工作电压范围为3.3～4.8V，为了使电源电路设计简单，用5V的电源串联二极管后作为MC55的工作电压。

如图4所示，本发明的水质监测工作流程是系统上电后进行初始化，初始化完成后，接收信标帧同步后退避，节点立即发出申请加入网络的数据帧。传感器节点加入网络后以一定的周期采集并处理水质数据，如果采集到的数据发生变化，将数据传送给射频模块进行发送，否则，数据丢弃不发送，以降低节点能耗。

Claims (6)

1.一种无线水质监测预警系统，包括无线传感器水质参数采集节点、汇聚节点、水质监控中心，其特征在于：无线传感器水质参数采集节点包括水质参数传感器模块、微处理器模块、ZigBee模块及太阳能供电电源模块组成，水质参数传感器模块负责PH值、水温、溶氧量、电导率、浊度等水质参数采集并与微处理器模块连接，水质参数采集节点之间通过ZigBee模块以无线方式进行自行组网，形成水质监测无线传感器网络；所述的汇聚节点通过ZigBee技术与无线传感器水质参数采集节点交换数据，并通过GPRS模块和Internet与水质监控中心交换数据，水质监控中心通过自回归模型算法对该数据进行处理并作出预警。

2.根据根据权利要求1所述的无线传感水质监测预警系统，其特征在于：所述的水质参数传感器模块都是一个完整的水质监测仪。

3.根据根据权利要求1所述的无线传感水质监测预警系统，其特征在于：

所述的通过ZigBee技术形成的无线传感器网络是一种多跳的拓扑结构，网络中各传感器模块节点具有动态组网和自动路由选择功能。

4.根据根据权利要求1所述的无线传感水质监测预警系统，其特征在于：

所述的微处理器是MSP430F149单片机。

5.根据根据权利要求1所述的无线传感水质监测预警系统，其特征在于：

所述的ZigBee模块采用MSP430+ CC2420的方案来搭建节点硬件架构。

6.根据根据权利要求1所述的无线传感水质监测预警系统，其特征在于：所述的水质监控中心主要由计算机以及计算机网络组成。

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