CN112578093B - 一种基于wsn的水质监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于WSN的水质监测系统，涉及无线传感技术领域，系统包括监测传感器节点、云服务器和监控中心，多个监测传感器节点分为多组分布在待监测的水域中，每组监测传感器节点包括一个中心传感器节点和多个边缘传感器节点，边缘传感器节点通过无源标签接收中心传感器节点辐射的电磁能量并转换为供传感器组使用的电源，边缘传感器节点采集的数据发送到同组的中心传感器节点，处于中心位置的监测传感器节点组的中心传感器节点将所有数据集合起来后发送给云服务器，云服务器将数据发送到监控中心。本发明中的边缘传感器节点在不需要采集数据时不消耗电能，仅中心传感器节点具有电池，故障数量将会非常少，维护方面的投入也会大大减小。

Description

一种基于WSN的水质监测系统
技术领域
本发明涉及无线传感技术领域，特别是涉及一种基于WSN的水质监测系统。
背景技术
水质监测是水文环境工作的重点内容，水质数据能够反映一个区域内的生态情况，因此对于水质数据的及时、准确获取非常重要。
传统的水质监测工作是人工定时采集水体样本，然后现场或者带回实验室进行水质数据的检测。这种方式无疑非常落后，不但效率低下而且投入非常大。
在无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术被提出后，水质监测工作变得简单了很多。只需要在待监测的水域布设大量监测传感器节点，对监测传感器节点设定工作参数后，检测传感器节点即可自动检测水质数据并将水质数据上传到指定的设备，做到了远程在线监测，大大提高了监测效率。
但是由于采用WSN技术的水质监测系统需要大量的监测传感器节点，而这些传感器节点如果正常工作则需要足够的能量供应，因此监测传感器节点的电能补充变得十分重要。目前大多数供电方式是采用太阳能发电或风能发电技术为电池供电，电池再为监测传感器节点供电，这种方式确实减小了有线供电方面的投入，但是为每一个监测传感器节点都安装发电设备和电池，则维护成本将会比较高，对于系统的正常工作不利。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于WSN的水质监测系统，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种基于WSN的水质监测系统，包括监测传感器节点、云服务器和监控中心，所述监测传感器节点的数量为多个，多个所述监测传感器节点分布在待监测的水域中，所述待监测的水域包括多个区块，每个区块中均布置至少一组监测传感器节点；每组所述监测传感器节点包括一个中心传感器节点和多个边缘传感器节点，多组所述监测传感器节点分为一个中心传感器节点组和多个边缘传感器节点组，所述中心传感器节点组处在水域靠近几何中心的位置；
所述中心传感器节点包括电池和通信装置，所述电池为通信装置供电，所述边缘传感器节点包括无源标签和传感器组；当需要采集水体的数据时，所述中心传感器节点的通信装置发射连续的电磁波，一定距离内的边缘传感器节点的无源标签将电磁波转换为电源并启动传感器组进行水体数据的采集，采集得到的数据由所述无源标签发送到中心传感器节点；
所有的监测传感器节点以所述中心传感器节点组的中心传感器节点为中心，所述边缘传感器节点组中的中心传感器节点通过自组织的方式与所述中心传感器节点组的中心传感器节点组网，每组所述监测传感器节点中的边缘传感器节点在采集得到水体的数据后，发送给同组中的中心传感器节点；所述中心传感器节点根据自组织网络将数据发送到所述中心传感器节点组的中心传感器节点，所述中心传感器节点组中的中心传感器节点再将本组中所有边缘传感器节点采集的数据连同边缘传感器节点组中的中心传感器节点发送的数据一起发送给所述云服务器，所述云服务器将数据发送到监控中心。
优选地，所述中心传感器节点为专用的网关设备。
优选地，所述中心传感器节点还包括控制器和传感器组，所述控制器控制通信装置辐射电磁波的同时也启动传感器组采集水体的数据。
优选地，所述控制器为嵌入式处理器，所述通信装置为4G模块，所述控制器通过RS232接口与所述通信装置连接。
优选地，所述无源标签包括天线、电源电路和主控器，当所述通信装置辐射电磁波时，所述天线接收电磁波由所述电源电路对电磁波进行处理形成直流电源，所述主控器在直流电源的输入下启动传感器组进行水体数据的采集，并将采集的数据通过天线发送到中心传感器节点。
优选地，所述边缘传感器节点采集水体数据的动作由同组中的中心传感器节点定时启动。
优选地，所述边缘传感器节点采集水体数据的动作由所述中心传感器节点组中的中心传感器节点向各个边缘传感器节点组中的中心传感器节点发送启动指令后启动；
所述启动指令由所述中心传感器节点组中的中心传感器节点定时产生，或者由所述监控中心产生该启动指令后，通过所述云服务器发送到中心传感器节点组的中心传感器节点。
优选地，所述中心传感器节点具有为所述电池充电的发电设备。
优选地，所述发电设备包括风力发电设备和/或太阳能发电设备。
优选地，所述监控中心实时对接收的数据进行分析，当发现数据存在异常时发出警告。
本发明中的一种基于WSN的水质监测系统，包括监测传感器节点、云服务器和监控中心，多个监测传感器节点分为多组分布在待监测的水域中，每组监测传感器节点包括一个中心传感器节点和多个边缘传感器节点，边缘传感器节点通过无源标签接收中心传感器节点辐射的电磁能量并转换为供传感器组使用的电源，边缘传感器节点采集的数据发送到同组的中心传感器节点，处于中心位置的监测传感器节点组的中心传感器节点将所有数据集合起来后发送给云服务器，云服务器将数据发送到监控中心。本发明中的边缘传感器节点在不需要采集数据时不消耗电能，因此边缘传感器节点基本上不需要维护，仅中心传感器节点具有电池，故障数量将会非常少，维护方面的投入也会大大减小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于WSN的水质监测系统的整体数据传输路径示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了一种基于WSN的水质监测系统，该系统包括监测传感器节点、云服务器和监控中心，所述监测传感器节点的数量为多个，该多个监测传感器节点分布在待监测的水域中，所述监测传感器节点采集水体的温度、PH值、电导率和浊度等数据后，通过无线通信的方式发送给所述云服务器，所述云服务器再将数据发送给监控中心，所述监控中心实时对接收的数据进行分析，当发现数据存在异常时，则立即发出警告，提示工作人员注意。
所述监测传感器节点在待监测的水域中布置时，根据水域的实际情况将水域划分为多个区块，每个区块中均布置至少一组监测传感器节点。每组所述监测传感器节点中均包括一个中心传感器节点和多个边缘传感器节点，多组所述监测传感器节点按照在水域中的所处位置又分为一个中心传感器节点组和多个边缘传感器节点组，所述中心传感器节点组处在水域的几何中心位置或者靠近几何中心的位置，所述边缘传感器节点组中的监测传感器节点将数据发送到中心传感器节点组，再由所述中心传感器节点组将数据集中发送到所述云服务器。
具体来说，每组所述监测传感器节点中的边缘传感器节点在采集得到水体的数据后，发送给同组中的中心传感器节点。整个监测传感器节点系统以所述中心传感器节点组的中心传感器节点为中心，边缘传感器节点组中的中心传感器节点通过自组织的方式与所述中心传感器节点组的中心传感器节点组网，所有边缘传感器节点组的中心传感器节点将本组中所有监测传感器节点采集的数据发送给所述中心传感器节点组中的中心传感器节点，所述中心传感器节点组中的中心传感器节点再将本组中所有监测传感器节点采集的数据连同边缘传感器节点组中的中心传感器节点发送的数据一起发送给所述云服务器。
所述中心传感器节点组和边缘传感器节点组中的中心传感器节点可以为专用的网关设备，仅用于数据收发，而不具备对于水体数据的采集功能。或者所述中心传感器节点也可以为将网关设备和水体数据采集设备集成在一起的设备，兼具网关和数据采集功能。
本发明中，当所述中心传感器节点兼具网关和数据采集功能时，每组所述监测传感器节点中的中心传感器节点具有电池、控制器、传感器组和通信装置，同时也具有为所述电池充电的发电设备，包括风力发电设备和/或太阳能发电设备等。而边缘传感器节点则具有无源标签和传感器组。
所述边缘传感器节点的无源标签包括天线、电源电路和主控器，当需要采集水体的相关数据时，所述中心传感器节点通过通信装置向外辐射连续的电磁波，一定距离内的边缘传感器节点的天线接收到电磁波后，通过电源电路对电磁波进行处理形成直流电源，所述主控器在直流电源的输入下启动传感器组进行水体数据的采集，并将采集的数据通过天线发送到中心传感器节点。
在向外辐射电磁波的同时，所述中心传感器节点的控制器也启动传感器组采集水体数据。当接收到所有边缘传感器节点发送的数据后，所述中心传感器节点连同自身采集的数据和边缘传感器节点采集的数据一起根据自组织网络直接或者通过其他边缘传感器节点组的中心传感器节点间接发送到所述中心传感器节点组的中心传感器节点。
在本实施例中，所述中心传感器节点组的控制器为嵌入式处理器，所述通信装置为4G模块，所述控制器通过RS232接口与所述通信装置连接。
由于所述边缘传感器节点在不需要采集数据时不消耗电能，因此所述边缘传感器节点基本上不需要维护。而每组所述监测传感器节点中只有中心传感器节点具有电池和发电设备，因此故障数量相对于每个监测传感器节点都安装电池和发电设备来说大大减少，对于维护方面的投入可以大大减小。
对于水体数据采集的动作可以由各个中心传感器节点定时启动，也可以由所述中心传感器节点组中的中心传感器节点向各个边缘传感器节点组中的中心传感器节点发送启动指令，此时所述启动指令可以由所述中心传感器节点组中的中心传感器节点定时产生，也可以由所述监控中心产生该启动指令后，通过所述云服务器发送到中心传感器节点组的中心传感器节点。
本发明中将无源标签技术应用在水质监测中，省去了边缘传感器节点的电池安装和维护投入，大大提高了水质监测系统的维护成本和使用寿命。无源标签技术虽然发展时间比较短，但是因其优越性已经广泛应用在了多个领域中，例如温度监测、故障诊断等，可参考的技术文献如2016年公开的西安电子科技大学硕士研究生论文《基于无源RFID标签的低功耗温度传感器设计》、以及《传感器与微系统》于2018年公开的论文《基于无源振动传感器标签的轴承故障在线诊断技术》。虽然目前尚未有将无源标签应用在水质监测领域的先例，但是对无源标签以及其他电子器件进行防水等保护后，能够使无源标签在水面上或水中正常工作，因此本发明使用无源标签为边缘传感器节点供电是可行的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于WSN的水质监测系统，包括监测传感器节点、云服务器和监控中心，所述监测传感器节点的数量为多个，多个所述监测传感器节点分布在待监测的水域中，其特征在于：
所述待监测的水域包括多个区块，每个区块中均布置至少一组监测传感器节点；每组所述监测传感器节点包括一个中心传感器节点和多个边缘传感器节点，多组所述监测传感器节点分为一个中心传感器节点组和多个边缘传感器节点组，所述中心传感器节点组处在水域靠近几何中心的位置；
所述中心传感器节点包括电池和通信装置，所述电池为通信装置供电，所述边缘传感器节点包括无源标签和传感器组；
所述无源标签包括天线、电源电路和主控器；当所述通信装置辐射电磁波时，所述天线接收电磁波由所述电源电路对电磁波进行处理形成直流电源，所述主控器在直流电源的输入下启动传感器组进行水体数据的采集，并将采集的数据通过天线发送到中心传感器节点；
当需要采集水体的数据时，所述中心传感器节点的通信装置发射连续的电磁波，一定距离内的边缘传感器节点的无源标签将电磁波转换为电源并启动传感器组进行水体数据的采集，采集得到的数据由所述无源标签发送到中心传感器节点；
所有的监测传感器节点以所述中心传感器节点组的中心传感器节点为中心，所述边缘传感器节点组中的中心传感器节点通过自组织的方式与所述中心传感器节点组的中心传感器节点组网，每组所述监测传感器节点中的边缘传感器节点在采集得到水体的数据后，发送给同组中的中心传感器节点；所述边缘传感器节点组中的中心传感器节点根据自组织网络将数据发送到所述中心传感器节点组的中心传感器节点，所述中心传感器节点组中的中心传感器节点再将本组中所有边缘传感器节点采集的数据连同边缘传感器节点组中的中心传感器节点发送的数据一起发送给所述云服务器，所述云服务器将数据发送到监控中心。
2.如权利要求1所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述中心传感器节点为专用的网关设备。
3.如权利要求1所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述中心传感器节点还包括控制器和传感器组，所述控制器控制通信装置辐射电磁波的同时也启动传感器组采集水体的数据。
4.如权利要求3所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述控制器为嵌入式处理器，所述通信装置为4G模块，所述控制器通过RS232接口与所述通信装置连接。
5.如权利要求1所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述边缘传感器节点采集水体数据的动作由同组中的中心传感器节点定时启动。
6.如权利要求1所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述边缘传感器节点采集水体数据的动作由所述中心传感器节点组中的中心传感器节点向各个边缘传感器节点组中的中心传感器节点发送启动指令后启动；
所述启动指令由所述中心传感器节点组中的中心传感器节点定时产生，或者由所述监控中心产生该启动指令后，通过所述云服务器发送到中心传感器节点组的中心传感器节点。
7.如权利要求1所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述中心传感器节点具有为所述电池充电的发电设备。
8.如权利要求7所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述发电设备包括风力发电设备和/或太阳能发电设备。
9.如权利要求1所述的一种基于WSN的水质监测系统，其特征在于，所述监控中心实时对接收的数据进行分析，当发现数据存在异常时发出警告。
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