基于无线传感器网络的治污设备的监控系统及其方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统及其方法，其中该系统由PC机、协调器、无线传感器节点、连接在治污设备上的电能表和若干水质参数检测传感器组成，水质参数检测传感器分别安装在治污管道前端和后端，用来检测治污管道中处理前和处理后的水质信息；无线传感器节点分为A类无线传感器节点和B类无线传感器节点，A类无线传感器节点实时监测电能表的信息，B类无线传感器节点实时监测水质信息，并且这两类节点将所监测的数据发送给协调器，协调器分析处理接收到的数据，与预设的电能表值以及治污效果预定范围值同时进行比较，判断治污设备是否发生故障或该治污区域编造虚假数据的情况，最后协调器将判断结果发送至PC机。
【专利说明】基于无线传感器网络的治污设备的监控系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统及其方法。
技术背景
[0002]无线传感器网络，Wireless Sensor Networks,简称为WSN,是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
[0003]无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
[0004]水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。此外，有时需进行流速和流量的测定。随着我国现代化的发展，淡水资源越来越紧缺，这使得我国资源性缺水问题日益严重，水污染问题又造成我国存在着水质性缺水，为了及时有效的了解掌握水质情况，我国自20世纪70年代起，逐步发展了水质在线监测装置，并在实践中建立了相应的水质自动监测站。
[0005]随着经济的快速发展，水污染情况不断加剧，使得污水处理和再生行业受到空前的关注。现在的去污设备最主要的有以下几种:离心机、污泥脱水机、曝气机、微滤机、气浮机、臭氧发生器等。由于这些设备用电量较大，有一部分污水处理厂关闭了全部或者部分治污设备，编造虚假数据应付检查，以此来减少电费，获取更高的利润。因此设计一种监测装置来监测治污设备的运行状态，可以将用电量与治污效果进行比对分析，更有利于规范污水处理行业的治污及收费标准。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于防止污水治理企业关闭部分治污设备，并编造虚假数据，套取高额的污水处理费等情况，同时监测设备的是否出现故障，而提供的一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统及其方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统，它由PC机、协调器、无线传感器节点、连接在治污设备上的电能表和若干水质参数检测传感器组成，水质参数检测传感器分别安装在治污管道前端和后端，用来检测治污管道中处理前和处理后的水质信息；
[0009]所述无线传感器节点分为A类无线传感器节点和B类无线传感器节点，A类无线传感器节点实时监测电能表的信息，B类无线传感器节点实时监测水质信息，并且这两类节点将所监测的数据发送给协调器，协调器分析处理接收到的数据，与预设的电能表值以及治污效果预定范围值同时进行比较，判断治污设备是否发生故障或该治污区域编造虚假数据的情况，最后协调器将判断结果发送至PC机。
[0010]所述水质参数检测传感器包括COD传感器、BOD传感器、DO传感器、PH值传感器、厌氧菌传感器、耗氧菌传感器、混浊度传感器和水位传感器，用来检测治污管道中的水质信肩、O
[0011]所述无线传感器节点，包括微控制器模块、射频单元和电源单元，所述微控制器与射频单元通过SPI通信接口互相通信；所述微控制器还设有编程接口，电源单元为供电模块。
[0012]所述A类无线传感器节点和B类无线传感器节点分别与协调器之间的拓扑结构采用星型网络拓扑模式，构建自组无线传感器网络。
[0013]所述构建的自组无线传感器网络的协议栈遵循IEEE802.15.4标准，网络层的协议格式符合Zigbee标准。
[0014]一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统的监测方法，该方法的步骤包括:
[0015]步骤1:将无线传感器节点分成A类无线传感器节点和B类无线传感器节点，A类无线传感器节点与各治污设备的电能表连接，用来获取电能表数值类无线传感器节点与各水质参数检测传感器连接，用来获取水质治理前和水质治理后的参数值；
[0016]步骤2:A类无线传感器节点实时监测连接在治污设备上的电能表信息，B类无线传感器节点实时监测水质信息，并且这两类节点将所监测的信息发送给协调器；
[0017]步骤3:协调器接收A类无线传感器节点和B类无线传感器节点所监测的数据，协调器分析处理接收到的数据，与预设的电能表值以及治污效果预定范围值同时进行比较，判断治污设备是否发生故障或该治污区域编造虚假数据的情况，最后协调器将判断结果发送至PC机。
[0018]所述步骤I中的水质参数检测传感器包括COD传感器、BOD传感器、DO传感器、PH值传感器、厌氧菌传感器、耗氧菌传感器、混浊度传感器和水位传感器，用来检测治污管道中的水质信息。
[0019]所述步骤3中的协调器进行数据分析判断的标准为:
[0020]若电能表的读数在若干次检测周期内没有变化，则治污设备没有运行或出现故障，此时A类无线传感器节点向协调器发送故障命令，再经协调器发送至PC机；
[0021]若电能表的用电量小于预设值，且治污效果超出预定范围值时，则该区域编造虚假数据，此时协调器向上位机发送报警命令。
[0022]本发明的有益效果为:
[0023](I)在治污设备部署无线传感器节点监测用电量信息，能够防止出现相关企业为避免高额电费而关闭设备等情况的发生，在监控用电量的同时也为治污收费提供了一定的依据；
[0024](2)在监测用电量的同时，还可将用电量与治污效果进行相关性分析，不仅能够便于环保局等相关部门制定治污标准及治污收费标准，还可以根据分析结果进行相关的治污研究，提出更高效的治污流程及方法；
[0025](3)采用低功耗的无线传感器网络，实时、快捷、有效的获知治污设备的运行状态和用电信息，更有利于及时发现治污设备故障的产生。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的结构示意图；
[0027]图2为无线传感器节点硬件结构图。
【具体实施方式】
[0028]下面具体结合附图详细说明:
[0029]如图1所示，一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统，它由PC机、协调器、无线传感器节点、连接在治污设备上的电能表和若干水质参数检测传感器组成，水质参数检测传感器分别安装在治污管道前端和后端；
[0030]所述无线传感器节点分为A类无线传感器节点和B类无线传感器节点，其中，A类无线传感器节点与各治污设备的电能表连接，获取电能表数值出类无线传感器节点与各水质参数检测传感器连接，获取水质治理前和水质治理后的参数值；
[0031]A类无线传感器节点实时监测连接在治污设备上的电能表信息，B类无线传感器节点实时监测水质信息，并且这两类节点将所监测的信息以无线方式发送给协调器，协调器分析处理接收到的数据，与预设的电能表值以及治污效果预定范围值同时进行比较，判断治污设备是否发生故障或该治污区域编造虚假数据的情况，最后协调器将判断结果发送至PC机。
[0032]所述水质参数检测传感器包括COD传感器、BOD传感器、DO传感器、PH值传感器、厌氧菌传感器、耗氧菌传感器、混浊度传感器和水位传感器，用来检测治污管道中的水质信肩、O
[0033]所述A类无线传感器节点和B类无线传感器节点分别与协调器之间的拓扑结构采用星型网络拓扑模式，构建自组无线传感器网络。
[0034]所述构建的自组无线传感器网络的协议栈遵循IEEE802.15.4标准，网络层的协议格式符合Zigbee标准。
[0035]如图2所示，无线传感器节点，包括微控制器模块、射频单元和电源单元，所述微控制器与射频单元通过SPI通信接口互相通信；所述微控制器还设有编程接口，电源单元为供电模块。
[0036]射频单元通过标准4线制SPI接口，其中，分别为SCLK，SI, S0, CS，与微控制器实现数据通信。利用SPI通信接口，微控制器可以访问和控制射频单元CC2500的基本寄存器，发送各种工作指令，写入发送数据，读取接收数据等，实现传感器节点之间的网络通信。
[0037]编程接口单元主要是为了方便系统的仿真调试和程序。本设计采用JTAG接口，通过仿真器可以把程序写入到微控制器中，并进行程序调试、观察程序的运行状态，查找程序的 BUG。
[0038]电源单元为系统供电，供电电压为3.3V。在硬件电路中，微控制器使用PIC24系列的 PIC24FJ64GA002 芯片。
[0039]无线传感器节点中采用美国Microchip公司生产的PIC24系列微控制器和CC2500射频通信模块，无线传感器节点使用的射频通信模块为低功耗设备，其工作频段为2400.0MHz?2483.5MHz，最高可设置为+IdBm的发射功率，支持1.2kbps?500kbps的数据传输速率，工作电压范围:1.8V?3.6V，待机模式下电流仅为400nA。
[0040]本发明利用无线传感器网络技术设计的一种低成本、低功耗的WSN网络传感器节点，实现了数据采集、通信和处理功能。在该系统中，传感器节点采用电池供电，具有体积小，安装方便以及防破坏能力强等特点。
[0041]该监控系统的监测方法的步骤包括:
[0042]步骤1:将无线传感器节点分成A类无线传感器节点和B类无线传感器节点，A类无线传感器节点与各治污设备的电能表连接，用来获取电能表数值类无线传感器节点与各水质参数检测传感器连接，用来获取水质治理前和水质治理后的参数值；
[0043]步骤2:A类无线传感器节点实时监测连接在治污设备上的电能表信息，B类无线传感器节点实时监测水质信息，并且这两类节点将所监测的信息以无线方式发送给协调器；
[0044]步骤3:协调器接收A类无线传感器节点和B类无线传感器节点所监测的数据，协调器分析处理接收到的数据，与预设的电能表值以及治污效果预定范围值同时进行比较，判断治污设备是否发生故障或该治污区域编造虚假数据的情况，最后协调器将判断结果发送至PC机。
[0045]所述步骤I中的水质参数检测传感器包括COD传感器、BOD传感器、DO传感器、PH值传感器、厌氧菌传感器、耗氧菌传感器、混浊度传感器和水位传感器，用来检测治污管道中的水质信息。
[0046]所述步骤3中的协调器进行数据分析判断的标准为:
[0047]若电能表的读数在若干次检测周期内没有变化，则治污设备没有运行或出现故障，此时A类无线传感器节点向协调器发送故障命令，再经协调器发送至PC机；
[0048]若电能表的用电量小于预设值，且治污效果超出预定范围值时，则该区域编造虚假数据，此时协调器向上位机发送报警命令。
【权利要求】
1.一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统，其特征在于，它由PC机、协调器、无线传感器节点、连接在治污设备上的电能表和若干水质参数检测传感器组成，水质参数检测传感器分别安装在治污管道前端和后端，用来检测治污管道中处理前和处理后的水质信息； 所述无线传感器节点分为A类无线传感器节点和B类无线传感器节点，A类无线传感器节点实时监测电能表的信息，B类无线传感器节点实时监测水质信息，并且这两类节点将所监测的数据发送给协调器，协调器分析处理接收到的数据，与预设的电能表值以及治污效果预定范围值同时进行比较，判断治污设备是否发生故障或该治污区域编造虚假数据的情况，最后协调器将判断结果发送至PC机。
2.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统，其特征在于，所述水质参数检测传感器包括COD传感器、BOD传感器、DO传感器、PH值传感器、厌氧菌传感器、耗氧菌传感器、混浊度传感器和水位传感器，用来检测治污管道中的水质信息。
3.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统，其特征在于，所述无线传感器节点，包括微控制器模块、射频单元和电源单元，所述微控制器与射频单元通过SPI通信接口互相通信；所述微控制器还设有编程接口，电源单元为供电模块。
4.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统，其特征在于，所述A类无线传感器节点和B类无线传感器节点分别与协调器之间的拓扑结构采用星型网络拓扑模式，构建自组无线传感器网络。
5.如权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统，其特征在于，所述构建的自组无线传感器网络的协议栈遵循IEEE802.15.4标准，网络层的协议格式符合Zigbee标准。
6.一种基于无线传感器网络的治污设备的监控系统的监测方法，其特征在于，该方法的步骤包括: 步骤1:将无线传感器节点分成A类无线传感器节点和B类无线传感器节点，A类无线传感器节点与各治污设备的电能表连接，用来获取电能表数值出类无线传感器节点与各水质参数检测传感器连接，用来获取水质治理前和水质治理后的参数值； 步骤2:A类无线传感器节点实时监测连接在治污设备上的电能表信息，B类无线传感器节点实时监测水质信息，并且这两类节点将所监测的信息发送给协调器； 步骤3:协调器接收A类无线传感器节点和B类无线传感器节点所监测的数据，协调器分析处理接收到的数据，与预设的电能表值以及治污效果预定范围值同时进行比较，判断治污设备是否发生故障或该治污区域编造虚假数据的情况，最后协调器将判断结果发送至PC机。
7.如权利要求6所述的基于无线传感器网络的治污设备的监控系统的监测方法，其特征在于，所述步骤1中的水质参数检测传感器包括COD传感器、B0D传感器、DO传感器、PH值传感器、厌氧菌传感器、耗氧菌传感器、混浊度传感器和水位传感器，用来检测治污管道中的水质信息。
8.如权利要求6所述的基于无线传感器网络的治污设备的监控系统的监测方法，其特征在于，所述步骤3中的协调器进行数据分析判断的标准为: 若电能表的读数在若干次检测周期内没有变化，则治污设备没有运行或出现故障，此时A类无线传感器节点向协调器发送故障命令，再经协调器发送至PC机； 若电能表的用电量小于预设值，且治污效果超出预定范围值时，则该区域编造虚假数据，此时协调器向上位机发送报警命令。
【文档编号】G05B19/418GK104407590SQ201410704378
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】杜晓通, 王伟, 张焕水 申请人:山东大学