CN205300638U - 基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水质检测和定位系统，特别涉及基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统。本实用新型通过ZigBee技术实现小范围水域的自组网和数据传输，降低成本；同时基于GPS和ZigBee网络中的RSSI实现终端节点定位；然后通过移动通信技术扩大检测范围，实现广域的数据传输；最后通过以太网将数据传输给服务器，在服务器端进行数据处理和存储，同时将数据传递给前台界面，以图表的形式呈现给用户。本实用新型降低了水域检测的成本、扩展了水域监测范围；同时本系统每个节点功耗小、配置灵活、可根据节点任务需要增减模块。

Description

基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统

技术领域

本实用新型涉及一种水质检测和定位系统，特别涉及基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统。

背景技术

近年来，水质问题开始受到人们的重视。据2013年数据统计，全国十大水系一半水质已被污染，六成地下水水质差。随着人口增加、经济发展和城市化进程加快，水资源短缺、水环境污染、水生态受损情况触目惊心，水安全正在成为新时期经济社会发展的基础性、全局性和战略性问题。

为实现水质保护，除了从源头上抑制对水质的污染行为外，另一个重要措施是实现对水质的实时监测，在出现小范围的污染时可以进行及时的治理，并能根据长期的观测数据制定水质防护模型。传统的水质检测方法包括：现场采集水样带回实验室检测；利用固定或移动监测站进行中长期监测；根据水体光谱特性和水质参数浓度之间的关系，利用卫星遥感技术和相关算法渲染技术获得反映水质参数的图像等。然而我国水域分布广，传统的检测手段存在检测时间长、数据非实时、价格昂贵、一次检测范围小等缺陷，随着无线传感网技术和传感器智能化、微型化、低成本化的发展，水质在线实时检测得以实现，传统水质检测手段的弊端得以避免。

得益于MEMS、SoC、低功耗嵌入式和无线通信技术等的飞速发展，无线传感网以其低功耗、低成本、分布式及自组织的特点被广泛应用于各种工业、军事、环境、家居、医疗等领域。由IEEE组织和ZigBee联盟提出的IEEE802.15.4/ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低复杂度、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，并因其精简的协议栈，可适用于多种嵌入式设备，因此十分适用于无线传感网的组网。

为扩大我国水域的检测范围，将无线传感网技术和移动通信网络技术进行了结合。我国移动通信网发展迅速，技术成熟，成本较低，基站覆盖范围广，因此可实现偏远地区的数据实时传输。

GPS定位可为地球绝大部分地区(98％)提供准确的定位，其使用低频讯号，纵使天气不佳仍能保持相当的讯号穿透性，具有定位精度高(<1m)、快速、省时、高效率等优点。但是对于无线传感网来说，节点巨多，若给每个节点配备GPS模块，将极大地增加成本和功耗，而且对于水质监测系统来说，并不需要特别高的定位精度，所以可以采用基于GPS和ZigBeeRSSI的技术方案。

基于web技术的数据访问和交互应用更简易，且具有实时性。MySQL数据库拥有体积小、速度快、适应所有平台、支持多种语言并可处理拥有上千万条记录的大型数据库等优点。

发明内容

为解决传统水质检测不及时、检测范围小、成本投入大、数据显示不直观、水域无法及时定位等缺陷，本实用新型提出了一种基于无线传感网、移动通信、web技术和GPS的新型水质检测和定位系统，该系统可完成水质的温度、PH、氨氮含量、浊度、电导率和溶解氧的指标测量，并通过ZigBee技术实现小范围水域的自组网和数据传输，降低成本；同时基于GPS和ZigBee网络中的RSSI实现终端节点定位；然后通过移动通信技术扩大检测范围，实现广域的数据传输；最后通过以太网将数据传输给服务器，在服务器端进行数据处理和存储，同时将数据传递给前台界面，以图表的形式呈现给用户。

本实用新型的技术方案是：一种基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，包括负责水质信息采集和短距离传输的传感网络，其特征在于：所述的负责水质信息采集和短距离传输的传感网络为WSN网络(1)，WSN网络(1)包括协调节点(11)、路由节点(12)和终端节点(13)，所述的终端节点(13)基于ZigBee组网，每个ZigBee网络由一个ZigBee网络协调节点(11)、若干路由节点(12)和多个ZigBee终端节点(13)组成；其中协调节点(11)为ZigBee网络协调器，所述的ZigBee网络协调器设置GSM模块和GPS模块；ZigBee终端节点(13)利用携带的传感器及探头获取水质信息，再通过ZigBee网络路由节点(12)传输给协调节点(11)；协调节点(11)将收集到的所有节点信息进行整合之后发送给接入节点(3)，接入节点(3)通过以太网(4)将信息传输给服务器(5)，在服务器(5)内部进行信息处理。

根据如上所述的基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，其特征在于：所述的ZigBee终端节点(13)和路由节点(12)由ATMega-328微控制器、温度传感器、ISFETPH微传感器、氨敏电极、浊度探头、电导率电极、溶解氧探头以及XBee模块组成；所述的ZigBee协调节点(11)由ATMega-328微控制器、XBee模块、GSM模块和GPS模块等组成。

根据如上所述的基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，其特征在于：所述的接入节点(3)由arduino开发板、以太网扩展板、SD存储卡、GSM模块组成。

根据如上所述的基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，其特征在于：所述的的服务器(5)用于进行数据处理、存储及发布的web系统基于客户端和服务器模式，采用MySQL数据库进行数据存储，客户端通过网页形式将数据以表格或图形方式呈现给用户。

与现有技术相比，本实用新型提出的水质传感监测系统具有以下优点：

(1)采用ZigBee和GSM结合的方式，降低了成本、扩展了水域监测范围；

(2)本系统每个节点功耗小、配置灵活、可根据节点任务需要增减模块，合理的任务分配可降低节点的功耗，延长其使用时间；

(3)采用某个主节点配备GPS模块，终端节点采用基于ZigBeeRSSI的定位算法，获得全部节点的定位坐标，一方面提高精确度，同时降低成本和功耗；

(4)基于web技术的数据处理和查询方式更灵活、更及时、更易于用户使用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

图1是水质检测系统的整体架构示意图。

图2是ZigBee网络拓扑示意图。

图3是ZigBee网络内终端节点和协调节点的模块组成示意图。

图4是终端节点的程序流程图.

附图标记说明：WSN网络1、GSM2、接入节点3、以太网4、服务器5、以太网WIFI6、客户端7、协调节点11、路由节点12、终端节点13。

具体实施方式

名词解释：ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

GSM：(GlobalSystemforMobilecommunications)是全球移动通信系统的简称。

WSN:(WirelessSensorNetworks)无线传感器网络,是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器

以下结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型的基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，包括负责水质信息采集和短距离传输的传感网络。如图1和图2所示，本实用新型的负责水质信息采集和短距离传输的传感网络为WSN网络1。如图2所示，WSN网络1网络包括协调节点11、路由节点12和终端节点13。WSN网络1网络中的终端节点13基于ZigBee组网，为扩展检测范围系统拥有多个ZigBee网络，每个ZigBee网络由一个ZigBee网络协调节点11、若干路由节点12和多个ZigBee终端节点13组成。

其中协调节点11为ZigBee网络协调器，该ZigBee网络协调器安装了GSM模块和GPS模块，可与其它ZigBee网络的协调器及接入节点远程通信，并能进行自定位；ZigBee终端节点13利用携带的传感器及探头获取水质信息，再通过ZigBee网络路由节点12传输给协调节点11，同时通过接收其他协调节点11的RSSI值，以协调节点11为参考节点实现定位；协调节点11将收集到的所有节点信息进行整合之后发送给接入节点3，接入节点3通过以太网4将信息传输给服务器5；在服务器5内部进行信息处理，并存储到数据库，然后通过前台界面呈现给用户直观的水质信息，如通过发布的web系统基于客户端和服务器模式，采用MySQL数据库进行数据存储，客户端通过网页形式将数据以表格、图形等方式呈现给用户，同时接受用户的查询指令，可进行实时查询，本实用新型的客户端7可以通过以太网WIFI6对服务器5中的内容进行访问。此外通过长期的历史数据分析和建模，建立一个水质预警系统。

本实用新型的ZigBee终端节点13和路由节点12由ATMega-328微控制器、温度传感器、ISFETPH微传感器、氨敏电极、浊度探头、电导率电极、溶解氧探头以及XBee模块组成；所述的ZigBee协调节点11由ATMega-328微控制器、XBee模块、GSM模块和GPS模块等组成。

本实用新型的接入节点3由arduino开发板、以太网扩展板、SD存储卡、GSM模块等组成。

本实用新型的服务器5用于进行数据处理、存储及发布的web系统基于客户端和服务器模式，采用MySQL数据库进行数据存储，客户端通过网页形式将数据以表格、图形等方式呈现给用户，同时接受用户的查询指令，可进行实时查询。

本实用新型包括多个负责水质信息采集和短距离传输的传感网络，即WSN网络1，每个WSN网络1由若干精简功能(RFD)的终端节点13和若干完整功能(FFD)的路由节点12及一个完整功能的协调节点11组成。在WSN网络1上电硬件初始化后，节点开始启动ZigBee网络建立的过程：其中FFD节点既可以扫描其他主节点的网络选择加入，也可以作为主节点自行组织网络，并接受其他节点的入网请求；RFD节点只能向其它主节点发送入网请求，直到其被某个主节点允许加入。ZigBee网络中FFD节点都可以有路由功能，作为路由节点和协调节点需要维护路由表，并协调其他节点进行路由选择。

如图4所示，ZigBee网络建立后，各终端节点13首先确认是否有来自上层节点的查询请求，若有，则立即进行一次水质检测；反之进入水质自动检测的循环程序。如图3、4所示，终端节点13利用传感器测得水质的温度、PH、氨氮浓度、浊度、电导率和溶解氧的原始数据，再通过信号调理电路最数据进行放大、修正等处理，然后在MCU控制下进行D/A转换得到实际参数值。待完成水质参数测量后，启动定位算法，得到每个节点的定位坐标。

如图4所示，微控制器获得由传感器测得的数据后，还需对数据进行判断是否超出正常值，若是则需要设置一个警告标志，将警告标志、水质参数、测量时间和节点定位坐标值和节点序号作为ZigBee数据帧的有效载荷，连同帧控制、目的地址、源地址、广播半径域、广播序列号、IEEE目的地址和源地址、多点传送控制和源路由帧组成网络数据包，通过ZigBee网络传递。当终端节点13完成了水质监测和数据发送以后，就进入休眠模式，若无实时查询命令到来，终端节点将休眠4小时，之后进行下一次水质检测。

当协调节点11收到其所管辖区域内节点的数据包后，需要将这些数据包重新拆分出来，检查有效载荷区的水质参数是否有节点测得超标，若无，则可将所有节点测得的参数取3组平均值表征这一片水域的水质状况，作为检测数据组成一条短信以GSM方式发给AP接入节点3；若收到的数据有告警标志，证明水质存在问题，需重新设置一个告警标识，并将出现水质异常节点的网络标识号、节点坐标、协调节点本身的标识号和水质参数数据作为一组数据，其他节点的参数数据取平均值，一起作为检测数据组成短信内容发送给AP接入节点3。

如图1所示，AP接入节点3通过以太网将所有数据传输到服务器端，通过脚本程序获取数据，并将数据按协调节点分类，截取温度、PH、氨氮浓度值、浊度、电导率和溶解氧浓度、节点坐标、检测时间、告警标识等，依据检测时间为主键值存入数据库，就能刷新各个协调节点不同时刻测得的水质参数值及是否超标等。另一方面通过脚本程序将各个协调节点的数据传送到前台页面程序，通过图表的形式反馈给用户。用户可获得每个水域的水质信息，并且根据坐标，快速找到水质存在问题的水域，进行及时的治理。

如果用户希望得到某个协调节点11的历史数据，可单击节点序号，即可返回所有历史数据。此外，用户还可以通过页面下达实时检测指令，该指令将通过脚本处理后传送给AP接入节点3，AP接入节点3再通过短信将命令下发给协调节点11，协调节点11给其所管辖的ZigBee网络内节点广播检测命令，所有终端节点13收到该广播后，进入中断程序，执行一次水质检测任务，然后依照前述传递路径将数据返回到客户端。

在获得大量的水质数据和位置信息后，通过数据分析和建模，可建立一个水质预警系统。用户可使用这个预警系统对水质的变化进行预测，实现水质的动态监管；根据每块水域的水质状况，针对渔业养殖提供技术支持；依据预警系统，实现对于水华、浮萍等爆发的及时预防等。

Claims (4)

1.一种基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，包括负责水质信息采集和短距离传输的传感网络，其特征在于：所述的负责水质信息采集和短距离传输的传感网络为WSN网络(1)，WSN网络(1)包括协调节点(11)、路由节点(12)和终端节点(13)，所述的终端节点(13)基于ZigBee组网，每个ZigBee网络由一个ZigBee网络协调节点(11)、若干路由节点(12)和多个ZigBee终端节点(13)组成；其中协调节点(11)为ZigBee网络协调器，所述的ZigBee网络协调器设置GSM模块和GPS模块；ZigBee终端节点(13)利用携带的传感器及探头获取水质信息，再通过ZigBee网络路由节点(12)传输给协调节点(11)；协调节点(11)将收集到的所有节点信息进行整合之后发送给接入节点(3)，接入节点(3)通过以太网(4)将信息传输给服务器(5)，在服务器(5)内部进行信息处理。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，其特征在于：所述的ZigBee终端节点(13)和路由节点(12)由ATMega-328微控制器、温度传感器、ISFETPH微传感器、氨敏电极、浊度探头、电导率电极、溶解氧探头以及XBee模块组成；所述的ZigBee协调节点(11)由ATMega-328微控制器、XBee模块、GSM模块和GPS模块组成。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，其特征在于：所述的接入节点(3)由arduino开发板、以太网扩展板、SD存储卡、GSM模块组成。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee和GSM网络的水质检测和定位系统，其特征在于：所述的服务器(5)用于进行数据处理、存储及发布的web系统基于客户端和服务器模式，采用MySQL数据库进行数据存储，客户端通过网页形式将数据以表格或图形方式呈现给用户。