CN210298094U - 一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，对水质环境进行远程监测，系统中采用了多个传感器节点装置，采集相应区域的水质参数，并采用了一个可移动的汇聚节点船体装置，将多个传感器组网接收采集到的数据发送给远程界面控制端，远程界面控制及显示采集数据界面，根据传感器节点装置采集的数据进行分析，发现水环境异常时，可针对相应区域的节点导航位置，控制汇聚节点船体装置移动到相应区域，利用汇聚节点船体装置上的摄像头以及传感器节点装置采集当前区域的图像信息和水质参数，获取更准确、全面的数据。本实用新型的有益效果是：对水质环境更全面、详细的数据分析，以及在无人值守的情况下对水质异常信息进行实时预警。

Description

一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统

技术领域

本实用新型涉及水环境监测技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统。

背景技术

水质安全问题在水环境问题日益严重的当下备受关注，因此带来的环境水质在线监测仪器的市场潜力巨大。随着工业化、城镇化以及农业化建设的发展，水污染已经严重破坏生态环境，直接威胁人类生存和发展，所以水质异常检测成为了当前的研究热点。目前对于污染泄漏等水质异常问题，通常会由于发现不及时而造成更加严重的后果，而在传统的水质监测中，采用定期现场取样，实验室检测的方法，这种方法虽然精度较高，但是往往会费时费力，而且也不能及时发现水质的变化。

在实现具有信息化和现代化这一目标时，实现水质参数的信息化是其中关键的一步，即采用低成本的信息采集设备，以高效地实现水质参数采集，获得水质参数过程中关键的水环境信息和知识。水环境信息包括水质酸碱度、溶氧量、水温度、电导率等。这些信息为科学的水质环境管理提供原始、可靠的信息支持，而实际水质参数众多，在采集过程中要兼顾采集时同步性、实时性和分布特性，以及可能存在的噪声、异常值等问题，这些挑战给实现水环境管理信息化带来了现实挑战。

在实现水质环境参数信息采集时，可以采用有线的通信方法和无线的通信方式。其中有线的通信方式在早期应用较多，然而存在着成本高、部署繁琐和维护性差等问题。而随着无线通信技术的发展，水质环境参数信息采集系统逐步采用无线通信的方式，然而有些无线通信技术本身的特点，导致了系统也存在一些问题。例如为了采集更多全面的数据，水质环境参数信息采集系统的各个位置的各类型传感器同时分别采集各个位置的数据，这些传感器数量多，因此能量消耗大、维持成本高，这些因素极大地限制了水环境监测系统在生产实际中的推广及其应用。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，包括：多个传感器节点数据采集装置、汇聚节点船体装置及远程界面控制装置；

每个传感器节点数据采集装置包括传感器水质参数采集装置、传感器节点定位模块、电源模块和ZigBee无线通信模块；所述传感器水质参数采集装置和传感器节点定位模块均无线连接于ZigBee无线通信模块，所述电源模块用于给传感器节点数据采集装置供电；所述传感器水质参数采集装置包括酸碱度传感器、温度传感器、溶氧量传感器和电导率传感器；

所述ZigBee无线通信模块采用的是E18-MS1PA1-PCB集成模块，由CC2530芯片和板载天线集成而成，由所述电源模块提供的3.3V的电压进行供电；CC2530芯片的引脚P0_0连接所述电导率传感器，用来接收监测到的水质环境的电导率；引脚P0_1连接所述酸碱度传感器，用来接收监测到的水质环境的酸碱度；引脚P2_0连接所述温度传感器，用来接收监测到的水质环境的温度；引脚P0_2和引脚P0_3分别连接所述传感器节点定位模块中的TX0和RX0串口，用来进行当前传感器节点数据采集装置的实时定位信息传输；引脚P1_3和P1_2分别连接上拉电阻R20和R21，上拉电阻R20和R21 连接到3.3V电压；

所述传感器节点定位模块采用的是L80-R型号的集成天线芯片；所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚4连接3.3V电压，用来给所述传感器节点定位模块供电；所述L80-R 型号的集成天线芯片的引脚6为1PPS脉冲输出，引脚6连接LED灯D5一端，LED灯 D5用于定位指示，当定位成功后，LED灯D5会由熄灭状态变为闪烁状态；所述L80-R 型号的集成天线芯片的引脚1和引脚2为RXD和TXD，引脚1和引脚2分别连接到 CC2530芯片的引脚P0_3和引脚P0_2，引脚1和引脚2用于进行定位信息的传输；电阻R12一端接地，另一端连接LED灯D5另一端，用于控制电流，防止LED灯D5因过流而烧坏；电容C10一端接地，另一端分别连接3.3V电压及所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚4和引脚5，用于过滤电压输出的噪声信号；

所述电导率传感器的型号为DJS-1C；采用的是CD4060BM计数器芯片，所述CD4060BM计数器芯片由所述电源提供的±5V电压供电；CD4060BM计数器芯片的引脚8和引脚12均连接-5V电压作为所述CD4060BM计数器芯片的参考地和复位电压；所述CD4060BM计数器芯片的引脚10和引脚11分别连接电阻R2和电阻R1的一端，电阻R2和电阻R1的另一端均连接电容C5的一端，电容C5的另一端连接所述 CD4060BM计数器芯片的引脚9，用来提供时钟信号；电容C5用来滤波；所述CD4060BM 计数器芯片的引脚16连接+5V电压，所述CD4060BM计数器芯片的引脚7连接电阻 R4的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端和运放1的反向输入端，运放1 的同向输入端接地，运放1的输出端连接电阻R3的另一端和运放7的反向输入端；运放7的同向输入端接地，运放7的反向输入端与运放7的输出端之间连接电阻R8，运放7的输出端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端分别连接运放8反向输入端、电阻R9的一端和电阻R12的一端，电阻R9的另一端分别连接单极性二极管D1的阳极和电阻R6的一端，单极性二极管D1的阴极连接运放8的输出端；运放8的输出端连接单极性二极管D2的阳极，单极性二极管D2的阴极连接运放14的同向输入端；电阻 R12的另一端连接单极性二极管D2的阴极；电阻R6的另一端分别连接运放14的反向输入端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接分别连接电容C14和单极性二极管D3的阴极，电容C14和单极性二极管D3的阳极均接地，电阻R10用于稳定所述电导率传感器的电流，防止电流回流烧坏所述电导率传感器，单极性二极管D3与电容C14起到滤波的作用；运放14输出端输出稳定的信号ADOUT；所述运放14的输出端连接所述CC2530芯片的引脚P0_0，用于传输稳定的信号ADOUT；其中，运放1、运放6、运放7和运放8采用的均是TLC034CD运放芯片，TLC034CD运放芯片由双极性电源供电；

所述酸碱度传感器选用的是E-201-C型号的PH传感器，所述PH传感器的接头为BNC接头，所述BNC接头一端接地，另一端连接电阻R14，电阻R14另一端连接 CA3140AMZ运放的同向输入端，电阻R14用来防止电流过大烧坏电路；所述CA3140AMZ运放6采用的是双极性电压供电，所述CA3140AMZ运放的反向输入端连接电容C23和电位器R19，电容C23用来滤波，电位器R19用来和电阻R17及电阻R18 分压，以便根据水环境的酸碱度来调节电位器R19使得酸碱度的参考点为正常采集值；所述CA3140AMZ运放的输出端连接电阻R15的一端，电阻R15另一端分别连接下拉电阻R16和TL081BCG4运放的引脚2，下拉电阻R16另一端接-5V电压，所述 TL081BCG4运放的同向输入端接地，所述TL081BCG4运放的反向输入端和输出端分别连接电阻R13两端，电阻R13通过分压的作用与所述TL081BCG4运放起到放大作用；所述TL081BCG4运放由所述电源模块提供的正负5V双电源供电，所述TL081BCG4 运放的输出端输出放大信号并传输至所述CC2530芯片的引脚P0_1；

汇聚节点船体装置包括电机驱动船体运动装置、舵机驱动摄像头摆动装置、汇聚节点定位模块、ZigBee协调器模块、树莓派开发板、图像采集单元和无线网络通信单元；树莓派开发板分别单向连接电机驱动船体运动装置、舵机驱动摄像头摆动装置、图像采集单元和无线网络通信单元，汇聚节点定位模块单向连接树莓派开发板，树莓派开发板与ZigBee协调器模块双向连接；

多个传感器节点数据采集装置分别被固定安装在不同的位置，并与汇聚节点船体装置无线通信连接，形成网状组网模式；多个传感器节点数据采集装置通过ZigBee无线通信模块将传感器水质参数采集装置采集的水质参数和传感器节点定位模块得到的各个传感器节点数据采集装置的地理位置信息传输至汇聚节点船体装置，汇聚节点船体装置中的ZigBee协调器模块接收所述水质参数和对应的地理位置信息，并与汇聚节点船体装置中汇聚节点定位模块得到的汇聚节点船体装置的地理位置信息和图像采集单元采集的汇聚节点船体装置所在水域环境的图像信息一起传输至远程界面控制装置。

进一步地，所述传感器节点数据采集装置中，所述电源模块由两个降压芯片ASM1117-5.0及ASM1117-3.3和两个稳压芯片TPS7350及TPS7333组合而成，提供稳定的±5V电压和3.3V电压，所述电源模块由9V锂电池供电。

进一步地，所述水质参数包括当前传感器节点数据采集装置所处水域的氧气含量、当前传感器节点数据采集装置所处水域的温度、当前传感器节点数据采集装置所处水域的酸碱度和当前传感器节点数据采集装置所处水域的电导率。

进一步地，所述电机驱动船体运动装置具有L298N电机驱动模块，经过所述L298N电机驱动模块的驱动进而控制船体的运动。

进一步地，所述舵机驱动摄像头摆动装置通过控制PWM驱动舵机转动速度，实现汇聚节点船体装置的舵机驱动摄像头上下左右摆动，所述PWM驱动舵机安装在所述舵机驱动摄像头摆动装置中。

进一步地，所述图像采集单元通过安装OpenCV连接USB摄像头，实现实时传输视频。

进一步地，所述汇聚节点船体装置能够接收传感器节点数据采集装置发送的数据包和实现该汇聚节点船体装置在水面上的运动；树莓派开发板上固定有摄像头，且随舵机摆动而改变拍摄视野，有利于给远程界面控制装置获取准确的水质参数和图像信息。

进一步地，所述远程界面控制装置具有通信传输模块，树莓派开发板连接所述通信模块，通过HTTP协议将按JSON格式打包好的数据传送至个人服务器下搭建的客户端及网页端进行显示。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：对水质环境更全面、详细的数据分析，以及在无人值守的情况下对水质异常信息进行实时预警。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例中一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统的示意图；

图2是本实用新型实施例中传感器节点数据采集装置的示意图；

图3是本实用新型实施例中ZigBee无线通信模块的电路图；

图4是本实用新型实施例中传感器节点定位模块的电路图；

图5是本实用新型实施例中电导率传感器的的电路图；

图6是本实用新型实施例中酸碱度传感器的电路图；

图7是本实用新型实施例中汇聚节点船体装置的示意图；

图8是本实用新型实施例中远程界面控制装置的示意图；

图9是本实用新型实施例中远程界面控制装置的WEB端登陆界面；

图10是本实用新型实施例中远程界面控制装置的WEB端节点数据显示图；

图11是本实用新型实施例中远程界面控制装置的安卓端登陆界面；

图12是本实用新型实施例中远程界面控制装置的安卓端数据显示图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的实施例提供了一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统。

请参阅图1，本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，包括多个传感器节点数据采集装置1、汇聚节点船体装置2及远程界面控制装置3。由于传感器节点数据采集装置数量多，覆盖面积广，分别固定安装在不同的位置与汇聚节点船体装置2形成网状组网模式，本实施例中多个传感器节点数据采集装置1的节点编号为A～N。汇聚节点船体装置2的数量为1，汇聚节点船体装置2分别与各个传感器节点数据采集装置1无线通信连接。汇聚节点船体装置2通过HTTP协议向远程界面控制装置3传输JSON数据包，即汇聚节点船体装置2将多个传感器节点数据采集装置1和汇聚节点船体装置2本身采集的数据及对应的地理位置信息发送至远程界面控制装置3 中的个人网页WEB端或者安卓客户端，以便用户进行控制操作。

请参阅图2，图2是本实用新型实施例中传感器节点数据采集装置的示意图；传感器数据采集装置1包含ZigBee无线通信模块4、传感器节点定位模块即GPS模块5、9V 锂电池电源模块6、溶氧量传感器7、温度传感器8、酸碱度传感器9以及电导率传感器 10。其中，GPS模块5用于获取当前传感器数据采集装置1所处的地理信息位置；所述 9V锂电池电源模块6由两个降压芯片ASM1117-5.0及ASM1117-3.3和两个稳压芯片 TPS7350及TPS7333组合而成，提供稳定的±5V电压和3.3V电压，所述电源模块由 9V锂电池供电；9V锂电池电源模块6用于将9V锂电池转换成5V和3.3V稳定电压以提供传感器数据采集装置1整个电路中各个部件用电；溶氧量传感器7用于检测当前传感器数据采集装置1所处水域的氧气含量；温度传感器8用于检测当前传感器数据采集装置1所处水域的温度；酸碱度传感器9用于检测当前传感器数据采集装置1所处水域的酸碱度；电导率传感器10用于检测当前传感器数据采集装置1所处水域的电导率； ZigBee无线通信模块4将上述溶氧量传感器7、温度传感器8、酸碱度传感器9、电导率传感器10、9V锂电池电源模块6及GPS模块5连接成一个整体，与此同时ZigBee 无线通信模块4与汇聚节点船体装置2中的ZigBee协调器模块12组成传感器网络，用于发送上述传感器数据采集装置1采集到的数据和GPS模块5采集到的地理位置信息至ZigBee协调器模块12。

请参阅图3，图3是本实用新型实施例中ZigBee无线通信模块的电路图；所述ZigBee 无线通信模块4采用的是E18-MS1PA1-PCB集成模块，由CC2530芯片和板载天线集成而成，由所述电源模块6提供的3.3V的电压进行供电；CC2530芯片的引脚P0_0连接所述电导率传感器，用来接收监测到的水质环境的电导率；引脚P0_1连接所述酸碱度传感器，用来接收监测到的水质环境的酸碱度；引脚P2_0连接所述温度传感器，用来接收监测到的水质环境的温度；引脚P0_2和引脚P0_3分别连接所述GPS模块中的TX0 和RX0串口，用来进行当前传感器节点数据采集装置的实时定位信息传输；CC2530芯片的引脚P1_3和P1_2用于模拟I2C通信中的SDA和SCL，引脚P1_3和P1_2分别连接上拉电阻R10和R8，再连接到3.3V电压；

请参阅图4，图4是本实用新型实施例中传感器节点定位模块的电路图；所述传感器节点定位模块5采用的是L80-R型号的集成天线芯片；所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚4连接3.3V电压，用来给所述传感器节点定位模块供电；所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚6为1PPS脉冲输出，引脚6连接LED灯D5，LED灯D5用于定位指示，当定位成功后，LED灯D5会由熄灭状态变为闪烁状态；所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚1和引脚2为RXD和TXD，引脚1和引脚2分别连接到CC2530芯片的引脚P0_3和引脚P0_2，引脚1和引脚2用于进行定位信息的传输；电阻R12一端接地，另一端连接LED灯D5，用于控制电流，防止LED灯D5因过流而烧坏；电容 C10一端接地，另一端连接3.3V电压、所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚4和引脚5，用于过滤电压输出的噪声信号；

请参阅图5，图5是本实用新型实施例中电导率传感器的电路图；所述电导率传感器10的型号为DJS-1C；采用的是CD4060BM计数器芯片，所述CD4060BM计数器芯片由所述电源提供的±5V电压供电；CD4060BM计数器芯片的引脚8和引脚12均连接 -5V电压作为所述CD4060BM计数器芯片的参考地和复位电压；所述CD4060BM计数器芯片的引脚10和引脚11分别连接电阻R2和电阻R1的一端，电阻R2和电阻R1的另一端均连接电容C5的一端，电容C5的另一端连接所述CD4060BM计数器芯片的引脚9，用来提供时钟信号；电容C5用来滤波；所述CD4060BM计数器芯片的引脚16 连接+5V电压，所述CD4060BM计数器芯片的引脚7连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端和运放1的反向输入端，运放1的同向输入端接地，电阻R4、电阻R3和运放1构成差分放大器，运放1的输出端连接电阻R3的另一端和电导率传感器接头BNC的CT1端；所述电导率传感器接头BNC将采集的信号输入CT2 端，CT2端连接运放7的反向输入端，运放7的同向输入端接地，运放7的反向输入端与运放7的输出端之间连接电阻R8，运放7的输出端连接电阻R11的一端，电阻R11 的另一端分别连接运放8反向输入端、电阻R9的一端和电阻R12的一端，电阻R9的另一端分别连接单极性二极管D1的阳极和电阻R6的一端，单极性二极管D1的阴极连接运放8的输出端；运放8的输出端连接单极性二极管D2的阳极，单极性二极管D2 的阴极连接运放14的同向输入端；电阻R12的另一端连接单极性二极管D2的阴极；电阻R6的另一端分别连接运放14的反向输入端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接分别连接电容C14和单极性二极管D3 的阴极，电容C14和单极性二极管D3的阳极均接地，电阻R10用于稳定所述电导率传感器的电流，防止电流回流烧坏所述电导率传感器，单极性二极管D3与电容C14起到滤波的作用；运放14输出端输出稳定的信号ADOUT；所述运放14的输出端连接所述 CC2530芯片的引脚P0_0，用于传输稳定的信号ADOUT；其中，运放1、运放6、运放 7和运放8采用的均是TLC034CD运放芯片，TLC034CD运放芯片由双极性电源供电；从CT2端输入的信号经过两个反向运放7和运放8，与电阻R8、电阻R11、电阻R9及电阻R12组成两级运放电路，然后再经过由运放14与电阻R6、电阻R7及电阻R10组成的差分输入放大电路，使得从CT2端输入的信号得到放大；D1、D2和D3均为单极性二极管，防止电流回流烧坏电路。

请参阅图6，图6是本实用新型实施例中酸碱度传感器的电路图；所述酸碱度传感器9选用的是E-201-C型号的PH传感器，所述PH传感器的接头为BNC接头，所述 BNC接头一端接地，另一端连接电阻R14，电阻R14另一端连接CA3140AMZ运放的引脚3，电阻R14用来防止电流过大烧坏电路；所述CA3140AMZ运放采用的是双极性电压供电，所述CA3140AMZ运放的引脚2连接电容C23和电位器R19，电容C23用来滤波，电位器R19用来和电阻R17及电阻R18分压，以便根据水环境的酸碱度来调节电位器R19使得酸碱度的参考点为正常采集值；所述CA3140AMZ运放的引脚6连接电阻R15，电阻R15另一端分别连接下拉电阻R16和TL081BCG4运放的引脚2，下拉电阻R16另一端接-5V电压，所述TL081BCG4运放的引脚3接地，所述TL081BCG4 运放的引脚2和引脚6分别连接电阻R13两端，电阻R13通过分压的作用与所述TL081BCG4运放起到放大作用；所述TL081BCG4运放由正负5V双电源供电，所述 TL081BCG4运放的引脚6输出放大信号并传输至所述CC2530芯片的引脚P0_1；

GPS模块5采用的是低功耗、高效率和定位准的L80-R型号的集成天线芯片，需要3.3V的电压供电，且有一个LED运行指示灯；ZigBee无线通信模块4由CC2530芯片和板载天线集成而成，需要3.3V的电压供电，其中P0_0引脚连接电导率传感器10， P0_1引脚连接酸碱度传感器9，P2_0引脚连接温度传感器8，P0_2引脚和P0_3引脚分别连接GPS模块5中的TX0和RX0串口；由于酸碱度传感器9和电导率传感器10都运用到了双电源供电的运放芯片TLC034CD、CA3140AMZ和TL081BCG4，但是提供的电源电压9V有限，所以采取反降压芯片来处理此情况，将9V锂电池电源模块6经过降压后得到+5V电压，再经过MAX660芯片将+5V电压转换成-5V电压，并且酸碱度传感器9和电导率传感器10都是选用的航空接头，这样做使采集的数据的噪音、干扰比较低。

请参阅图7，图7是本实用新型实施例中汇聚节点船体装置的示意图；汇聚节点船体装置2包括树莓派开发板11、ZigBee协调器模块12、汇聚节点定位模块即GPS模块 13、电机驱动船体运动装置14、舵机驱动摄像头摆动装置15、图像采集单元16及无线网络通信单元17，树莓派开发板11分别单向连接电机驱动船体运动装置14、舵机驱动摄像头摆动装置15、图像采集单元16和无线网络通信单元17，GPS模块13单向连接树莓派开发板11，树莓派开发板11与ZigBee协调器模块12双向连接。ZigBee协调器模块12是一个与ZigBee无线通信模块4功能相同的模块，ZigBee协调器模块12用于接收传感器节点数据采集装置1中的ZigBee无线通信模块4发送过来的水质参数和对应的地理位置信息；所述水质参数包括当前传感器节点数据采集装置所处水域的氧气含量、当前传感器节点数据采集装置所处水域的温度、当前传感器节点数据采集装置所处水域的酸碱度和当前传感器节点数据采集装置所处水域的电导率；GPS模块13用于获取当前汇聚节点船体装置2所处的地理信息位置；树莓派开发板11下发控制命令控制 L298N控制电机驱动运行，进而控制电极驱动船体运动装置14工作，使得汇聚节点船体装置2可以进行移动，比如汇聚节点船体装置2前进或后退等；舵机驱动摄像头摆动装置15可在树莓派开发板11的控制PCA9685芯片上修改PWM占空比从而控制舵机上摄像头上下左右摆动的速率；图像采集单元16及无线网络通信单元17以树莓派开发板11为载体进行图像采集和数据传输操作，图像采集单元16是树莓派开发板11自身集成的功能，OpenCV库，将树莓派开发板11上自适应安装库文件OpenCV库和图像采集单元16集合起来，开启汇聚节点船体装置2上的摄像头进行图像采集，获取汇聚节点船体装置2所在水域环境的图像信息。无线网络通信单元17基于WIFI通信模块、 3G通信模块、4G通信模块或5G通信模块进行相关数据的传输。将树莓派开发板11作为客户端，采用HTTP协议与远程界面控制装置3进行网络连接，实现远程无线网络通信，将传感器节点数据采集装置1与汇聚节点船体装置2所采集的数据上传至远程界面控制装置3，其中上传至远程界面控制装置3的数据有：传感器节点数据采集装置1中的各个传感器采集的相应数据和GPS模块5获取的当前传感器节点数据采集装置1的地理位置信息，汇聚节点船体装置2中的GPS模块13获取的当前汇聚节点船体装置2 的地理位置信息和图像采集单元16采集的所处水域的图像信息。

请参阅图8，图8是本实用新型实施例中远程界面控制装置的示意图；远程界面控制装置3包括个人网页WEB端和Android手机端；请参阅图9、10、11和12，图9是本实用新型实施例中远程界面控制装置的WEB端登陆界面，图10是本实用新型实施例中远程界面控制装置的WEB端节点数据显示图；图11是本实用新型实施例中远程界面控制装置的安卓端登陆界面，图12是本实用新型实施例中远程界面控制装置的安卓端数据显示图；远程界面控制装置可用来显示传感器节点数据采集装置1与汇聚节点船体装置2所采集的相关数据。在远程界面控制装置3中可以设置各个水质参数合格的最大阈值和最小阈值，一旦测定的对应数据超过设定的最大阈值或者是最小阈值则该水质参数出现异常，当某个节点的传感器节点数据采集装置1采集的水质参数出现异常时，汇聚节点船体装置2自动移动到该节点所处位置，进行拍照和传输新的数据，以便以更有效、更智能化方法的对水质监测的实时监测；如若管理人员没能及时看到数据的变化，可以查看历史数据，从而分析出是哪个节点的传感器节点数据采集装置1出现了异常情况；并且可以对各个节点处传感器节点数据采集装置1进行启停和工作运行频率管理，以降低能耗，方便管理人员远程获取更准确直观的水质参数的数据。

本实用新型提供的一种基于无线传感器的水质监测系统工作流程如下：

传感器节点数据采集装置1通过水质酸碱度传感器、溶氧量传感器、水温度传感器、电导率传感器采集到相应的水质参数以及GPS定位模块采集的该传感器节点数据采集装置1的地理位置信息；

各个传感器节点数据采集装置1采集的数据通过ZigBee无线通信模块4将每8bit数据包传输给汇聚节点船体装置2的无线传感器接收模块ZigBee；

汇聚节点船体装置2中的ZigBee协调器模块12接收ZigBee无线通信模块4发送的数据包，并将数据包传输至树莓派开发板11，经过Python语言在Linux运行环境下，将二进制数据包经过模数转换得到相应的水质参数的数据，水质参数的数据再以JSON 格式储存的数据包，无线网络通信单元17的串口传输与树莓派开发板11的串口相连，树莓派开发板11将以JSON格式储存的数据包传输至无线网络通信单元17；然后通过 HTTP协议传输至指定URL的远程界面控制处理装置3；

汇聚节点船体装置2中的电机驱动船体运动装置14具有L298N电机驱动模块，经过控制L298N电机驱动模块的一个电机使能驱动从而控制船体的运动。

汇聚节点船体装置2的舵机驱动摄像头摆动装置15在PCA9685芯片通过连接树莓派软件模拟IIC通信协议来控制PWM驱动舵机转动速度，且此芯片能够控制多舵机使用，实现汇聚节点船体装置的舵机驱动摄像头上下左右摆动。

汇聚节点船体装置2的图像采集单元通过树莓派开发板11上固定安装的OpenCV库自适应USB摄像头即可获得图像信息及视频，实现实时传输视频；摄像头且随舵机摆动而改变拍摄视野，有利于给远程界面控制装置获取准确的水质参数和图像信息。

所述汇聚节点船体装置2能够接收传感器节点数据采集装置1发送的数据包和实现该汇聚节点船体装置2在水面上的运动。

所述远程界面控制装置具有通信传输模块，树莓派开发板11连接所述通信模块，通过HTTP协议将按JSON格式储存的数据包传送至个人服务器下搭建的客户端及网页端进行显示。

所述远程界面控制装置3具有数据分析及远程操控功能，通过手机端或网页端以折线的形式实时显示传感器节点数据采集装置采集的数据，如若发生数据异常，通过节点的编号可以准确的找到该节点定位信息，并根据采集到异常数据的相应节点的编号的传感器节点数据采集装置的定位信息和汇聚节点船体装置的定位信息快速的规划出两点的路线，然后在远程界面控制装置中下发控制命令控制船体运动的方向和行径速度，当船体到达采集到异常数据的传感器节点数据采集装置处时，可通过摄像头对该处的水质进行拍照获取图像信息传至远程界面控制装置，进行更准确的分析数据异常问题，从而达到监测水质环境、提前预警的目的。

远程界面控制装置3是用来实现人机交互的功能，通过远处的多个传感器节点采集数据装置采集的数据最终上传至远程界面控制装置，从而显示采集的数据和控制汇聚节点船体装置的移动及传感器采集节点的启停，以便获得更加准确和全面的水质环境监测信息。

本实用新型的有益效果是：对水质环境更全面、详细的数据分析，以及在无人值守的情况下对水质异常信息进行实时预警。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：包括：多个传感器节点数据采集装置、汇聚节点船体装置及远程界面控制装置；

每个传感器节点数据采集装置包括传感器水质参数采集装置、传感器节点定位模块、电源模块和ZigBee无线通信模块；所述传感器水质参数采集装置和传感器节点定位模块均无线连接于ZigBee无线通信模块，所述电源模块用于给传感器节点数据采集装置供电；所述传感器水质参数采集装置包括酸碱度传感器、温度传感器、溶氧量传感器和电导率传感器；

所述ZigBee无线通信模块采用的是E18-MS1PA1-PCB集成模块，由CC2530芯片和板载天线集成而成，由所述电源模块提供的3.3V的电压进行供电；CC2530芯片的引脚P0_0连接所述电导率传感器，用来接收监测到的水质环境的电导率；引脚P0_1连接所述酸碱度传感器，用来接收监测到的水质环境的酸碱度；引脚P2_0连接所述温度传感器，用来接收监测到的水质环境的温度；引脚P0_2和引脚P0_3分别连接所述传感器节点定位模块中的TX0和RX0串口，用来进行当前传感器节点数据采集装置的实时定位信息传输；引脚P1_3和P1_2分别连接上拉电阻R20和R21，上拉电阻R20和R21连接到3.3V电压；

所述传感器节点定位模块采用的是L80-R型号的集成天线芯片；所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚4连接3.3V电压，用来给所述传感器节点定位模块供电；所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚6为1PPS脉冲输出，引脚6连接LED灯D5一端，LED灯D5用于定位指示，当定位成功后，LED灯D5会由熄灭状态变为闪烁状态；所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚1和引脚2为RXD和TXD，引脚1和引脚2分别连接到CC2530芯片的引脚P0_3和引脚P0_2，引脚1和引脚2用于进行定位信息的传输；电阻R12一端接地，另一端连接LED灯D5另一端，用于控制电流，防止LED灯D5因过流而烧坏；电容C10一端接地，另一端分别连接3.3V电压及所述L80-R型号的集成天线芯片的引脚4和引脚5，用于过滤电压输出的噪声信号；

所述电导率传感器的型号为DJS-1C；采用的是CD4060BM计数器芯片，所述CD4060BM计数器芯片由所述电源提供的±5V电压供电；CD4060BM计数器芯片的引脚8和引脚12均连接-5V电压作为所述CD4060BM计数器芯片的参考地和复位电压；所述CD4060BM计数器芯片的引脚10和引脚11分别连接电阻R2和电阻R1的一端，电阻R2和电阻R1的另一端均连接电容C5的一端，电容C5的另一端连接所述CD4060BM计数器芯片的引脚9，用来提供时钟信号；电容C5用来滤波；所述CD4060BM计数器芯片的引脚16连接+5V电压，所述CD4060BM计数器芯片的引脚7连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端和运放1的反向输入端，运放1的同向输入端接地，运放1的输出端连接电阻R3的另一端和运放7的反向输入端；运放7的同向输入端接地，运放7的反向输入端与运放7的输出端之间连接电阻R8，运放7的输出端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端分别连接运放8反向输入端、电阻R9的一端和电阻R12的一端，电阻R9的另一端分别连接单极性二极管D1的阳极和电阻R6的一端，单极性二极管D1的阴极连接运放8的输出端；运放8的输出端连接单极性二极管D2的阳极，单极性二极管D2的阴极连接运放14的同向输入端；电阻R12的另一端连接单极性二极管D2的阴极；电阻R6的另一端分别连接运放14的反向输入端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接分别连接电容C14和单极性二极管D3的阴极，电容C14和单极性二极管D3的阳极均接地，电阻R10用于稳定所述电导率传感器的电流，防止电流回流烧坏所述电导率传感器，单极性二极管D3与电容C14起到滤波的作用；运放14输出端输出稳定的信号ADOUT；所述运放14的输出端连接所述CC2530芯片的引脚P0_0，用于传输稳定的信号ADOUT；其中，运放1、运放6、运放7和运放8采用的均是TLC034CD运放芯片，TLC034CD运放芯片由双极性电源供电；

所述酸碱度传感器选用的是E-201-C型号的PH传感器，所述PH传感器的接头为BNC接头，所述BNC接头一端接地，另一端连接电阻R14，电阻R14另一端连接CA3140AMZ运放的同向输入端，电阻R14用来防止电流过大烧坏电路；所述CA3140AMZ运放6采用的是双极性电压供电，所述CA3140AMZ运放的反向输入端连接电容C23和电位器R19，电容C23用来滤波，电位器R19用来和电阻R17及电阻R18分压，以便根据水环境的酸碱度来调节电位器R19使得酸碱度的参考点为正常采集值；所述CA3140AMZ运放的输出端连接电阻R15的一端，电阻R15另一端分别连接下拉电阻R16和TL081BCG4运放的引脚2，下拉电阻R16另一端接-5V电压，所述TL081BCG4运放的同向输入端接地，所述TL081BCG4运放的反向输入端和输出端分别连接电阻R13两端，电阻R13通过分压的作用与所述TL081BCG4运放起到放大作用；所述TL081BCG4运放由所述电源模块提供的正负5V双电源供电，所述TL081BCG4运放的输出端输出放大信号并传输至所述CC2530芯片的引脚P0_1；

汇聚节点船体装置包括电机驱动船体运动装置、舵机驱动摄像头摆动装置、汇聚节点定位模块、ZigBee协调器模块、树莓派开发板、图像采集单元和无线网络通信单元；树莓派开发板分别单向连接电机驱动船体运动装置、舵机驱动摄像头摆动装置、图像采集单元和无线网络通信单元，汇聚节点定位模块单向连接树莓派开发板，树莓派开发板与ZigBee协调器模块双向连接；

多个传感器节点数据采集装置分别被固定安装在不同的位置，并与汇聚节点船体装置无线通信连接，形成网状组网模式；多个传感器节点数据采集装置通过ZigBee无线通信模块将传感器水质参数采集装置采集的水质参数和传感器节点定位模块得到的各个传感器节点数据采集装置的地理位置信息传输至汇聚节点船体装置，汇聚节点船体装置中的ZigBee协调器模块接收所述水质参数和对应的地理位置信息，并与汇聚节点船体装置中汇聚节点定位模块得到的汇聚节点船体装置的地理位置信息和图像采集单元采集的汇聚节点船体装置所在水域环境的图像信息一起传输至远程界面控制装置。

2.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：所述传感器节点数据采集装置中，所述电源模块由两个降压芯片ASM1117-5.0及ASM1117-3.3和两个稳压芯片TPS7350及TPS7333组合而成，提供稳定的±5V电压和3.3V电压，所述电源模块由9V锂电池供电。

3.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：所述水质参数包括当前传感器节点数据采集装置所处水域的氧气含量、当前传感器节点数据采集装置所处水域的温度、当前传感器节点数据采集装置所处水域的酸碱度和当前传感器节点数据采集装置所处水域的电导率。

4.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：所述电机驱动船体运动装置具有L298N电机驱动模块，经过所述L298N电机驱动模块的驱动进而控制船体的运动。

5.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：所述舵机驱动摄像头摆动装置通过控制PWM驱动舵机转动速度，实现汇聚节点船体装置的舵机驱动摄像头上下左右摆动，所述PWM驱动舵机安装在所述舵机驱动摄像头摆动装置中。

6.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：所述图像采集单元通过安装OpenCV连接USB摄像头，实现实时传输视频。

7.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：所述汇聚节点船体装置能够接收传感器节点数据采集装置发送的数据包和实现该汇聚节点船体装置在水面上的运动；树莓派开发板上固定有摄像头，且随舵机摆动而改变拍摄视野，有利于给远程界面控制装置获取准确的水质参数和图像信息。

8.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的水质环境远程监测系统，其特征在于：所述远程界面控制装置具有通信传输模块，树莓派开发板连接所述通信模块，通过HTTP协议将按JSON格式打包好的数据传送至个人服务器下搭建的客户端及网页端进行显示。

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