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基于物联网的水质在线监测系统设计

2015-04-20   来源:互联网   点击:
摘要:针对传统水质监测方案布线困难、成本高等不足,设计了一种基于物联网的水质在线监测系统,实现了对溶解氧、PH值、温度等多参数的采集、传输、处理。该方案便于远程监测,适用于饮用水及养殖业水质监测等领

摘要:针对传统水质监测方案布线困难、成本高等不足,设计了一种基于物联网的水质在线监测系统,实现了对溶解氧、PH值、温度等多参数的采集、传输、处理。该方案便于远程监测,适用于饮用水及养殖业水质监测等领域。
关键词:传感器;水质监测;ZigBee;GPRS

0 引言
   
为了彻底解决传统人工水质监测及DCS、现场总线方式在管理及应用上存在的布线困难、成本高等不足,本文提出了以智能水质传感器、无线传感器网络、专家库数据库为核心的物联网水质在线监测系统。本系统通过分布式动态组网,可实现大范围、24 h不间断的监测,同时通过布设在水源地具有定位功能的无线传感器节点,能够侦测到饮用水源的污染情况,从而提高管理效率、保障供水安全,解决饮用水及养殖业水质在线监测和管理问题。

1 系统结构及工作过程
   
本系统的组成图如图1所示。系统在水源地布置多个水上节点(水质参数采集节点、远程视频采集节点、水质参数调节节点、ZigBee+GP RS无线网关),然后通过水质参数采集节点实时采集PH值、水温、水位、溶氧量等水质参数,并通过ZigBee Endpoint上传给无线网关的Zig Bee Coor dinator,再由后者经串口送入GPRS传送到服务器;同时通过IPCamera(网络摄像机)采集水面视频信息,由3G方式送入(移动)服务器。运行于服务器上的信息管理系统将对数据进行统计、分析,并根据饮用水用水管理要求实时预警、告警,自动下发控制指令到GPRS无线网关,然后由ZigBee网络下发指令到水质参数调节节点,启动增氧机或PH值调节设备、水泵等,实时调节用水参数。管理人员则可通过PC、平板电脑或PDA等方式获取实时水质数据,并对设备进行远程控制。

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2 硬件电路设计
2.1 水质传感器选型
   
以养殖用水为例,一般需要对水环境中的PH值、浊度、水位、溶氧量、温度等五项基本参数进行监测。本系统选用北京联创与中国农大开发的、具有测温和温度补偿功能的PH10、TS10、WL10、DO10四类智能传感器来对水的PH值、浊度、水位、溶氧量、温度等五项参数进行监测。四类传感器均可通过RS485总线接收来自外部MCU的控制指令,然后返回测量原始值、温度值、工程值等三个参数,因而可以大大简化感知层的设计工作。
2.2 CC2530节点的接口电路设计
   
本系统的ZigBee节点选用成都感智信息技术有限公司的CC2530节点,该类节点带有CC2591增益放大模块,最远通汛距离可达1 km。由于CC2530不支持RS485通讯,因而需要设计RS485转3.3 V TTL电路,图2所示就是CC2530无线节点与RS485传感器的接口电路。其中,5.0 V直流电压主要为传感器供电,3.3 V直流电压为CC2530节点供电。通讯接口转换芯片选择MAXIM公司的MAX13487,光耦T1、T2用于CC2530与RS485总线的隔离,R8、R9用于采样电源电压以便服务器端能实时判断节点的供电情况,R5、R6、R7、C5、C6、D1、D2、D3、L1、L2等为RS485总线匹配电路。

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2.3 增氧机控制电路设计
   
系统中的增氧机控制电路如图3所示,CC2530节点通过P0.1控制光耦T1,并驱动Q1控制继电器J1,从而控制增氧机电源的通断,达到启动/停止增氧机的目的。

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    另外,还需要设计系统传输层无线网关,一般的传输层无线网关应当内置有CC2530通信模块、S3C2440控制器、MG323 GPRS通信模块,并设计有存储、电源管理,以及以太网接口。

3 软件设计
   
本系统的软件由感知层WSN软件子系统、传输层ZigBee/GPRS软件子系统和应用层水质信息管理系统等三部分构成。
3.1 感知层WSN软件子系统
   
感知层WSN软件子系统是根据表1所示的通讯协议,基于ZigBee 2007Pro开发的具有自组网功能的星型网络。其中,帧类型主要有节点入网、获取网络参数、获取传感器参数、调节水质参数等。表1所列是系统的WSN数据帧格式。表2和表3所列是其水质传感器的通讯帧格式。只要在下行链路中下发指定格式的指令,便可通过上行链路获取到如表3所列的返回数据,进而提取出原始值、温度值、工程值等参数。

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3.2 传输层ZigBee/GPRS无线网关软件子系统
    ZigBee/GPRS无线网关用于完成管理控制、协议转换以及数据转发功能,可以支持WSN网络数据协同和汇聚,并支持ZigBee及GPRS接入,从而桥接WSN与互联网。
3. 3 应用层水质监控信息管理系统
   
应用层水质监控信息管理系统采用B/S架构设计,通过WebService提供面向ZigBee/GPRS网关和用户的服务。WebService服务接口提供的主要服务接口如表4所列。

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    应用层数据决策由专家数据库系统实现,它由知识库、推理机、解释器、人机界面、数据库管理系统等组成。主要子系统包括水质环境监控子系统、专家决策及知识查询子系统、系统配置子系统、在线技术支持子系统等。

4 结语
   
本文基于水质传感器、GPRS、ZigBee等技术手段设计了一套水质实时监测系统,能对大范围水面进行PH值、浊度、水位、温度、溶解氧等水质参数的监测。在感知层中,本系统提供有开放的协议进行扩展,只要在CC2530节点上配置以不同的传感器,便可对系统的监测进行扩展;而在传输层,则利用3G网络和ZigBee/GPRS网关的开放性,来实现数据的透明传输;在应用层中,系统通过WebService提供面向ZigBee /GPRS网关和用户的服务,同时,本系统还可以方便地进行传感器的配置、增减和数据展示。

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