一种基于无线传感网的水质多参数在线监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水质监测系统及方法，具体涉及一种基于无线传感网的水质多参数在线监测系统及方法，属于无线传感网与智慧水务结合的技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着工业化、区域经济的不断发展和城镇化步伐的加快，水污染问题日益凸显，严重影响城乡居民的饮用水安全，从而进一步加剧城市用水紧张度。据国家环保总局统计，由于城市污水和工业废水的大肆排放，地表水流经大中城市的河段往往污染最为严重。各级政府虽大力推进污染监管与污水治理力度，改善水环境的态势，但总体形势上仍不容乐观。因此，对于水污染的防治，迫切需要先进的水质监测系统对水环境的污染源进行全天候监测。
[0003]传统的水质监测包含采样和分析过程，其监测方法主要有离线和在线两种方式。离线方式是通过人工现场采样，并将采集的水样送往实验室借助专业仪器设备分析。在线方式是将专业监测设备部署于被测水域附近，待系统采集水样进行必要的预处理后直接自动传送至专业分析设备分析，它可进一步细分为连续测量和离散测量。目前，国内运用最广泛的仍是离线监测方式，但这种方式普遍存在采样误差大、劳动强度大、监测频次低、监测数据分散以及无法实时反馈水环境状况的连续动态变化等缺陷，难以满足政府相关部门监管和企业自身监测的需求。
[0004]因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的基于无线传感网的水质多参数在线监测系统及方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明的第一目的在于一种采样误差小、劳动强度低、监测频率高、监测范围广、监测数据集中、可扩展性好、可实时反馈水环境状况的连续动态变化的基于无线传感网的水质多参数在线监测系统。
[0006]本发明的第二目的在于一种基于无线传感网的水质多参数在线监测方法。
[0007]为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为:一种基于无线传感网的水质多参数在线监测系统，其包括至少三个水质多参数监测浮标节点、至少三个汇聚节点、一个网关节点和一个监控中心或数据服务端；其中，所述的水质多参数监测浮标节点形成的多跳自组织网络与所述的汇聚节点连接，所述的汇聚节点形成的多跳自组织网络与所述的网关节点连接，所述的网关节点与所述的监控中心或数据服务端连接。
[0008]为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为:一种基于无线传感网的水质多参数在线监测系统的监测方法，其包括如下步骤:
I)，通过水质多参数监测浮标节点采集水下PH值、电导率、溶解氧、浊度、余氯浓度，通过水质多参数监测浮标节点的第一无线通信单元与汇聚节点的第二无线通信单元以及其它水质多参数监测浮标节点的第一无线通信单元相互通信，以多跳方式传输数据至汇聚节占.V，
2)，汇聚节点将接收到的有效信息进行处理融合并暂存于第一存储单元中，通过汇聚节点的第二无线通信单元与网关节点的第三无线通信单元以及其它汇聚节点的第二无线通信单元相互通信，以多跳方式传输数据至网关节点；
3)，网关节点通过其第三无线通信单元与汇聚节点的第二无线通信单元通信，网关节点的第二以太网接口模块与监控中心或数据服务端连接，将接收到的无线传感数据转换成有线网络数据，监控中心或数据服务端通过Internet网络发布水质状况信息。
[0009]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:本发明的基于无线传感网的水质多参数在线监测系统将无线传感网技术运用到水质监测中，采用低功耗、多功能和部署简易的水质多参数监测浮标节点，多个水质多参数监测浮标节点自组织形成多个多跳分簇网络，每个分簇的簇头通过单跳方式传输数据给附近的汇聚节点，多个汇聚节点自组织形成一个多跳网络，按照最短距离优先原则将数据传输给网关节点，网关节点通过以太网接口模块将无线传感网与有线网络连接，最终实现对大面积水域环境数据的分布式采集、处理和传输。本发明有效解决传统离线水质监测方式存在的问题，具有无需布线、扩展灵活、低功耗、高效率、数据精确、实时性强等特点，为水质监测系统提供一种全新的解决方案，有助于解决水资源紧缺、污染等问题。
【附图说明】
[0010]图1是本发明的水质多参数在线监测系统的工作状态示意图。
[0011]图2是本发明的水质多参数监测浮标节点的结构示意图。
[0012]图3是本发明的汇聚节点的结构示意图。
[0013]图4是本发明的网关节点的结构示意图。
[0014]图5是本发明的传感器模块和信号调理电路模块的电路原理图。
[0015]图6是本发明的第一无线通信单元的电路原理图。
[0016]图7是本发明的第一串口单元的电路原理图。
[0017]图8是本发明的第一微控制器单元的电路原理图。
[0018]图9是本发明的第一太阳能供电单元的电路原理图。
[0019]图10是本发明的第一以太网接口模块的电路原理图。
[0020]图11是本发明的第二无线通信单元的电路原理图。
[0021]图12是本发明的第二串口单元的电路原理图。
[0022]图13是本发明的第一存储单元的电路原理图。
[0023]图14是本发明的第二微控制器单元的电路原理图。
[0024]图15是本发明的第二供电单元的电路原理图。
[0025]图16是本发明的北斗定位模块的电路原理图。
[0026]图17是本发明的水质多参数监测浮标节点的实施方式结构图。
[0027]图18是本发明的自组织分簇网络的通信格式。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0029]参照图1?图18，一种基于无线传感网的水质多参数在线监测系统，包括至少三个水质多参数监测浮标节点1、至少三个汇聚节点2、一个网关节点3和一个监控中心或数据服务端4。所述的水质多参数监测浮标节点形成的多跳自组织网络与所述的汇聚节点连接，所述的汇聚节点形成的多跳自组织网络与所述的网关节点连接，所述的网关节点与所述的监控中心或数据服务端连接。
[0030]如图2所示，所述的水质多参数监测浮标节点1:包括用于处理传感数据的第一微控制器单元；
用于调理微弱电信号的信号调理电路模块；
用于与汇聚节点以及其它水质多参数监测浮标节点相互通信的第一无线通信单元； 用于串口通信、烧录程序和北斗定位模块对接口的第一串口单元；
用于采集物理环境数据的传感器模块；
用于为第一微控制器单元、信号调理电路模块、第一无线通信单元、第一串口单元和传感器模块供电的第一太阳能供电单元。
[0031]所述的传感器模块:包括用于采集水中溶解氧含量的溶解氧传感器；
用于采集水中浊度情况的浊度传感器；
用于采集水中PH值的PH传感器；
用于采集水中余氯浓度的余氯传感器；
用于采集水的电导率情况的电导率传感器。
[0032]当然，也可以包括其他类型的传感器。
[0033]如图3所示，所述的汇聚节点2:包括用于处理接收和发送数据的第二微控制器单元;
用于与水质多参数监测浮标节点、网关节点以及其它汇聚节点相互通信的第二无线通信单元；
用于串口通信、烧录程序和北斗定位模块对接口的第二串口单元；
用于暂存数据的第一存储单元；
用于连接有线网络的第一以太网接口模块；
用于为第二微控制器单元、第二无线通信单元、第二串口单元、第一存储单元以及第一以太网接口模块供电的第二供电单元。
[0034]如图4所示，所述的网关节点3:包括用于处理接收和转换数据的第三微控制器单元;
用于与汇聚节点相互通信的第三无线通信单元；
用于串口通信、烧录程序和北斗定位模块对接口的第三串口单元；
用于暂存数据的第二存储单元；
用于连接有线网络的第二以太网接口模块；
用于为第三微控制器单元、第三无线通信单元、第三串口单元、第二存储单元以及第二以太网接口模块供电的第三供电单元。
[0035]如图5所示，所述的传感器模块和信号调理电路模块:集成运算放大器芯片0PA4342内部包含四个放大器，分别为U8_1A、U8_1B、U8_1C、U8_1D，下面描述用集成运算放大器U8_l代替。同理，U9_1A和U9_1B为集成运算放大器U9_l内部的两个放大器。集成运算放大器U8_l的4脚与+5V直流稳压电压连接，11脚接地，I脚与单片机Ul_l的15脚连接，2脚与其I脚连接，3脚经电容C38_l后接地，3脚与电阻R13_l的一端连接；电阻R13_l的另一端经电阻R14_l后接地，电阻R13_l的另一端经电阻R12_l后与PH值传感器J4_l的2脚连接；PH传感器J4_l的I脚与+12V直流稳压电压连接，2脚经电阻R12_1、R14_1后接地，3脚接地；集成运算放大器U8_l的7脚与单片机Ul_l的16脚连接，6脚与其7脚连接，5脚经电容C33_l后接地，5脚与电阻R17_l的一端连接；电阻R17_l的另一端经电阻R16_l后接地，电阻R17j的另一端经电阻R15_l后与电导率传感器J5_l的2脚连接；电导率传感器J5_l的I脚与+12V直流稳压电压连接，2脚经电阻R15_1、R16_1后接地，3脚接地；集成运算放大器U8_l的8脚与单片机Ul_l的17脚连接，9脚与其8脚连接，10脚经电容C34_l后接地，10脚与电阻R26_l的一端连接；电阻R26_l的另一端经电阻R25_l后接地，电阻R26_l的另一端经电阻R18_l后与溶解氧传感器J6_l的2脚连接；溶解氧传感器J6_l的I脚与+12V直流稳压电压连接，2脚经电阻R18_l、R25_l后接地，3脚接地；集成运算放大器U8_l的14脚与单片机Ul_l的18脚连接，13脚与其14脚连接，12脚经电容C35_l后接地，12脚与电阻R23_l的一端连接；电阻R23_l的另一端经电阻R22_l后接地，电阻R23_l的另一端经电阻R24_l后与浊度传感器J7_l的2脚连接；浊度传感器J7_l的I脚与+12V直流稳压电压连接，2脚经电阻R24_1、R22_1后接地，3脚接地。集成运算放大器U9_l的4脚与+5V直流稳压电压连接，11脚接地，I脚与电阻R28_l的一端连接，电阻R28_l的另一端与单片机Ul_l的33脚连接，电阻R28_的另一端经电阻R29_l后接地；集成运算放大器U9_l的2脚与其I脚连接，3脚经电容C36_l后接地，3脚经电阻R27_l后与余氯传感器J8_l的2脚连接，7脚与电阻R31_l的一端连接；电阻R31_l的另一端与单片机Ul_l的34脚连接，电阻R31_l的另一端经电阻R32_l后接地；集成运算放大器U9_l的6脚与其7脚连接，5脚经电容C37_l后接地，5脚经电阻R30_l后与余氯传感器J8_l的3脚连接；余氯传感器J8_l的I脚与+6V直流稳压电压连接，2脚经电阻R27_l后与U9_l的3脚连接，3脚经