吳 蔣，任崇勛

（1.瓊州學(xué)院電子信息工程學(xué)院，海南 三亞 572022；2.瓊州學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，海南 五指山 572200）

城市作為經(jīng)濟(jì)和生活中心，污水排放量大，城市水環(huán)境面臨的形勢(shì)十分嚴(yán)峻。由于水質(zhì)污染，全國(guó)約有50種疾病與飲用水水源污染直接相關(guān)，加上城市水體供水基礎(chǔ)建設(shè)陳舊和管理不善，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，構(gòu)建針對(duì)水源地水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，將對(duì)國(guó)家的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定意義深遠(yuǎn)[1-2]。

針對(duì)目前實(shí)際使用的各類(lèi)水源地水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在網(wǎng)絡(luò)布線困難、成本高及實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，提出了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水源地水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)GPRS和Internet，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[3-4]。該系統(tǒng)主要由低功耗微小無(wú)線傳感器通過(guò)自組織方式構(gòu)成，可利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低成本無(wú)人連續(xù)在線監(jiān)控。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置密集，對(duì)每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)都有多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，可以通過(guò)數(shù)據(jù)融合提高數(shù)據(jù)精度，而單節(jié)點(diǎn)失效也不致影響測(cè)量效果，這種測(cè)量方式使得系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)。

另外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以進(jìn)行監(jiān)控，還可對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行查詢，這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)在線監(jiān)控系統(tǒng)所不具備的，結(jié)合張穎等提出的水質(zhì)變化趨勢(shì)評(píng)價(jià)體系[5]，對(duì)水質(zhì)變化因子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的通信技術(shù)。ZigBee的名字來(lái)源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，ZigBee技術(shù)就是以此作為新一代無(wú)線通訊技術(shù)的名稱，主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、家庭智能控制、醫(yī)療設(shè)備控制、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、地震災(zāi)區(qū)救援等領(lǐng)域[6]。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建成星狀拓?fù)浜忘c(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等拓?fù)?，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，需要明確的是，無(wú)論是星狀拓?fù)溥€是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?，ZigBee網(wǎng)絡(luò)都是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器（PAN協(xié)調(diào)器）[7]完全不同于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)（AP），它是一個(gè)起網(wǎng)絡(luò)控制中心作用的FFD（全功能設(shè)備），它不單為網(wǎng)絡(luò)控制而存在，還可以有自己的應(yīng)用。就功能而言，ZigBee協(xié)調(diào)器與扮演ZigBee路由器（FFD）和ZigBee終端（RFD）的ZigBee路由器（FFD）沒(méi)有區(qū)別，只是根據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的需要，ZigBee協(xié)調(diào)器這個(gè)ZigBee路由器（FFD）承擔(dān)了控制中心的任務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其他ZigBee路由器（FFD）也能承擔(dān)起ZigBee協(xié)調(diào)器的任務(wù)。

1.2 典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件

隨著ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，世界各大無(wú)線芯片生產(chǎn)廠商陸續(xù)推出了支持ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊?？偨Y(jié)起來(lái)，一個(gè)典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件主要由微處理器、RF收發(fā)器和天線組成，ZigBee單芯片硬件模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目的

為實(shí)現(xiàn)以水源地水質(zhì)基本信息為主的各項(xiàng)基礎(chǔ)信息的快速查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)污染遷移規(guī)律、污染狀況評(píng)價(jià)結(jié)果的圖形化動(dòng)態(tài)演示、為管理部門(mén)即時(shí)提供取水口應(yīng)急預(yù)案等重要管理信息；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，及時(shí)將源水水質(zhì)惡化等危險(xiǎn)信息通過(guò)現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)反饋給相關(guān)制水企業(yè)，最大限度控制水源污染后果。環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理工作人員能結(jié)合本系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息，從而為制定科學(xué)決策、即時(shí)采取措施控制污染、保障安全爭(zhēng)取時(shí)間，減少損失。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)管理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、分析處理等功能。從邏輯結(jié)構(gòu)上將系統(tǒng)劃分為三大子系統(tǒng)：安裝在現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)、服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)子系統(tǒng)、基于WEB的數(shù)據(jù)管理與查詢子系統(tǒng)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)是由從節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和帶有GPRS Modem的采集終端組成。從節(jié)點(diǎn)用于采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)將其發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸給終端模塊，最終通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和INTERNET對(duì)接，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)子系統(tǒng)，由MS SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器平臺(tái)和運(yùn)行在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)程序組成。該部分負(fù)責(zé)偵聽(tīng)指定端口，判斷并識(shí)別數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出的TCP Socket連接請(qǐng)求，如屬于合法數(shù)據(jù)則存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 基于ZigBee技術(shù)的水源地環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of ZigBee based telemonitoring system

基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢子系統(tǒng)，是運(yùn)行在Web服務(wù)器上的一套網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。該系統(tǒng)采用ASP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，采用B/S模式設(shè)計(jì)，用戶只要通過(guò)客戶端瀏覽器即可訪問(wèn)此Web應(yīng)用程序。授權(quán)用戶登錄訪問(wèn)時(shí)自動(dòng)讀取SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)分析等綜合功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)的采集終端主要由一部帶有GPRS Modem的筆記本電腦構(gòu)成，電腦中裝有針對(duì)采集信息的分析軟件，把匯聚節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工融合，通過(guò)GPRS傳輸模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。試驗(yàn)用的硬件平臺(tái)我們采用寧波中科公司的GAINS平臺(tái)，GAINS是典型工作頻率為433 MHz的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件系列開(kāi)發(fā)平臺(tái)（頻率可調(diào)），其通信速率可達(dá) 76.8 kb·s-1。其中GAINS-3的微控制器選用了ATMEL公司的低功耗控制器ATmega128L，無(wú)線收發(fā)器采用了Chipcon公司的低功耗射頻收發(fā)器CC1000，傳感器板被設(shè)計(jì)成可供水質(zhì)質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)（包括溫度、pH值、化學(xué)物質(zhì)濃度、負(fù)離子等）的傳感器，環(huán)境參數(shù)信息通過(guò)分節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集，由原語(yǔ)從應(yīng)用層傳遞到物理層，再由終端與協(xié)調(diào)器間的無(wú)線物理信道通過(guò)ZigBee協(xié)議傳輸?shù)街行膮f(xié)調(diào)器，完成數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)采集[8]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)子系統(tǒng)

在服務(wù)器端運(yùn)行的數(shù)據(jù)接收程序采用VC++開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)，由于其效率高、功能強(qiáng)大、靈活高效，是目前Windows平臺(tái)上的主要開(kāi)發(fā)工具之一。該程序采用B/S（Brower/Server）體系結(jié)構(gòu)，主要功能是偵聽(tīng)Socket請(qǐng)求并建立網(wǎng)絡(luò)連接，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定IP地址的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以通過(guò)客戶端瀏覽器（Brower）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽和下載、提取和更新等操作[9]。

3.3 基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢子系統(tǒng)

通過(guò)采集終端處理后傳回的水質(zhì)信息，被服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)接收、存儲(chǔ)，為方便用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的瀏覽和下載、提取等操作，設(shè)計(jì)基于Web的數(shù)據(jù)管理與查詢系統(tǒng)，以MS SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用ASP網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)制作工具制作查詢界面，在網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速查詢。

4 討論與結(jié)論

本文針對(duì)湖泊型水源地采用低成本無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)水源地各個(gè)水源流入口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)化了設(shè)備安裝布線，提高系統(tǒng)移動(dòng)性和便捷性等方面效果十分顯著，為水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)主管部門(mén)人員無(wú)論身在何處，只要通過(guò)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)均可隨時(shí)了解水源地水質(zhì)因子的時(shí)間變化與空間分布，從而能夠?qū)λ吹刂苓吀鞣N環(huán)境要素的科學(xué)管理提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，對(duì)水源地水質(zhì)和適宜進(jìn)行診斷分析，結(jié)合專(zhuān)家管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理和控制提供遠(yuǎn)程咨詢和信息服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與管理。

通過(guò)研究和應(yīng)用也表明，無(wú)線通信雖比有線通信優(yōu)勢(shì)大，但其在信號(hào)抗干擾、抗屏蔽、抗衰減性等方面仍存在先天不足。基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的是一種低功耗近距離的通信技術(shù)，因信號(hào)相對(duì)較弱，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到在環(huán)境復(fù)雜、障礙物較多時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的有效通信距離等問(wèn)題，例如增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，改進(jìn)通信算法，避免數(shù)據(jù)丟失率過(guò)高等。

飲用水水質(zhì)檢測(cè)過(guò)程非常嚴(yán)格，檢測(cè)的對(duì)象因子多，一般情況下都要求在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，還需配備專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)專(zhuān)家，這對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的水質(zhì)監(jiān)管部門(mén)來(lái)說(shuō)很難辦到，再加上落后的水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備，這很大程度上給人們的健康帶來(lái)了威脅，所以這種人工檢測(cè)方法無(wú)論在空間上、時(shí)間上都有很大的弊端。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要解決了水質(zhì)檢測(cè)在時(shí)間上和空間上的不足，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)Internet把監(jiān)測(cè)結(jié)果傳送到配備先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備和專(zhuān)家的監(jiān)管部門(mén)，有效解決了經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)水質(zhì)檢測(cè)難題。

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