一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，主要由無線傳感器、無線網(wǎng)絡、溶解氧分析儀組成；本實用新型通過在水面放置無線傳感器節(jié)點，自動組網(wǎng)，達到對水質污染中PH值、含氧量、水溫、重金屬離子進行全天候在線實時監(jiān)控與采集，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，進行數(shù)據(jù)分析，自動查找異常數(shù)據(jù)，自動追綜污染源，為質檢部門提供原始資料；對工業(yè)廢水進行檢測，達到實時排污監(jiān)控；在高精農作物區(qū)對水域進行營養(yǎng)元素的檢測，為農業(yè)發(fā)展提供基礎，此外本實用新型操作方便，簡單實用，具有很好的應用價值。
【專利說明】一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于水環(huán)境監(jiān)測領域，尤其涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]水環(huán)境監(jiān)測是水資源管理與保護的重要手段，目前，我國的水環(huán)境問題既多又突出，特別是嚴重的水污染公害和河道功能衰退的情勢嚴峻，不僅制約著這些地方的經濟發(fā)展，還威脅到百姓的生存環(huán)境，我國的水污染問題中，重金屬、五毒局限于少數(shù)水域，有機污染呈加重勢頭，近期的趨勢分析評價表明，水污染總體呈加重趨勢，其演變趨勢為由支流向干流延伸，由城市向農村蔓延，由地表向地下滲漏，由地區(qū)向流域擴展，在一些地區(qū)的水環(huán)境問題已由單一型演變?yōu)閺秃闲图春闈骋蝗彼晃廴竟豢棸l(fā)生，協(xié)同作用，水環(huán)境監(jiān)測面臨的問題更為復雜開展監(jiān)測的難度也更大，在水體污染防治工作中，水質監(jiān)測工作是污染預警、持續(xù)性污染物監(jiān)測和治理效果評定的重要手段，已受到有關部門的重視，作為連續(xù)性監(jiān)測工具的水質在線監(jiān)測儀器承擔著提供準確監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測報告的責任，在環(huán)境監(jiān)測工作中發(fā)揮著越來越重要的作用；在水環(huán)境自動化監(jiān)測的需求與指標日益提高，監(jiān)測環(huán)境日益復雜的背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術的引入成為解決水環(huán)境自動化監(jiān)測的一種理想方案，物聯(lián)網(wǎng)由大量低成本、低功耗的具有傳感、計算與通信能力的微小傳感器節(jié)點構成的自治網(wǎng)絡系統(tǒng)，能根據(jù)環(huán)境自主完成各種監(jiān)測任務的“智能"系統(tǒng)，并能通過云計算對海量數(shù)據(jù)進行分析處理，配備有多種水環(huán)境監(jiān)測傳感器的物聯(lián)云可以與遠程無線通信方式相結合完成對多目標監(jiān)測水域的實時動態(tài)監(jiān)測；從國外環(huán)保監(jiān)測的發(fā)展趨勢和國際先進經驗看，水質的在線自動監(jiān)測已經成為有關部門及時獲得連續(xù)性的監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效手段，只需經過幾分鐘的數(shù)據(jù)采集，水源地的水質信息就可發(fā)送到環(huán)境分析中心的服務器中，一旦觀察到有某種污染物的濃度發(fā)生異變，環(huán)境監(jiān)管部門就可以立刻采取相應的措施，取樣具體分析，可見，水質在線分析系統(tǒng)最大的優(yōu)勢便在于可快速而準確地獲得水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動水質監(jiān)測系統(tǒng)的應用，有助于環(huán)保部門建立大范圍的監(jiān)測網(wǎng)絡收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，以確定目標區(qū)域的污染狀況和發(fā)展趨勢，隨著監(jiān)測技術和儀器儀表工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境水質監(jiān)測工作更開始向自動化、智能化和網(wǎng)絡化為主的監(jiān)測方向發(fā)展，例如基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，國外比較典型的代表有澳大利亞CSIRO的Fleck系統(tǒng)和美國Helios, ware公司的CSOnet系統(tǒng)，縱觀我國的環(huán)境水質在線監(jiān)測體系建設，經過多年發(fā)展，已初步建成具有我國特色的環(huán)境連續(xù)自動監(jiān)測管理和技術體系，并已逐漸形成網(wǎng)絡；隨著物聯(lián)網(wǎng)的新興及發(fā)展，針對水環(huán)境具有的多樣性、多變性、以及偏僻分散等特點，提出了一種以開放式、模塊化系統(tǒng)結構的多參數(shù)水質監(jiān)測采集器為基礎、以無線移動通信及互聯(lián)網(wǎng)通信為信息傳遞介質、通過實時監(jiān)測采集器適配器軟件模塊，實現(xiàn)不同水環(huán)境監(jiān)測儀與監(jiān)測軟件平臺互聯(lián)的異構水環(huán)境監(jiān)測平臺的解決方案，達到遠程水質數(shù)據(jù)實時接收與處理、智能分析、即時預警；并通過構建水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘平臺，通過對數(shù)據(jù)挖掘算法的優(yōu)化應用，建立適應于水質檢測的數(shù)據(jù)挖掘算法建模，為相關職能部門提供準確即時的決策支持；傳統(tǒng)的環(huán)境水質監(jiān)測工作主要以人工現(xiàn)場采樣、實驗室儀器分析為主，雖然在實驗室中分析手段完備，但實驗室監(jiān)測存在監(jiān)測頻次低、采樣誤差大、監(jiān)測數(shù)據(jù)分散、不能及時反映污染變化狀況等缺陷，難以滿足政府和企業(yè)進行有效水環(huán)境管理的需求，國內已對基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的一些關鍵技術進行了研究；其中杭州電子科技大學信息與控制研究所對于水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關提出了結合視頻監(jiān)測的設計方案，網(wǎng)絡通信采用Zigbee與CDMA結合的方式，TCPIP協(xié)議采用內嵌協(xié)議棧使兩種異構協(xié)議整合到一個控制平臺中，采用雙CDMA模塊的發(fā)送方式，是一種很好的解決方案，但是目前尚處于研發(fā)階段，由于耗電量高、傳輸效率低，同樣無法適應實際應用的需要；此外，上海無線龍，寧波中科等該領域知名的國內公司也給出了基于無線傳感器網(wǎng)絡和遠距離傳輸協(xié)議的監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，并推出了多種配套的實驗開發(fā)平臺、教學系統(tǒng)等，其中寧波中科推出的面向行業(yè)應用解決方案命名為Gmesh，GMesh使用中科院計算所自主研發(fā)的輕量級高效自組織網(wǎng)絡協(xié)議，網(wǎng)絡具有極高的可靠性和可擴展性，可實現(xiàn)成百上千個節(jié)點的大規(guī)模組網(wǎng)，但其產品同樣以教學核試驗開發(fā)平臺為主，并無功能完善的應用產品。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的在于利用一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)的環(huán)境水質監(jiān)測在實驗室中分析監(jiān)測存在的監(jiān)測頻次低、采樣誤差大、監(jiān)測數(shù)據(jù)分散、不能及時反映污染變化狀況的缺陷，難以滿足政府和企業(yè)進行有效水環(huán)境管理需求的問題。
[0004]本實用新型的目的在于提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，所述基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)包括:無線傳感器、無線網(wǎng)絡、溶解氧分析儀；所述無線傳感器在水面放置并自動組網(wǎng)，對水質污染中PH值、含氧量、水溫、重金屬離子進行全天候在線實時監(jiān)控與采集，所述無線網(wǎng)絡連接所述無線傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所述溶解氧分析儀連接所述無線網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)分析，自動查找異常數(shù)據(jù)，自動追綜污染源。
[0005]進一步、所述基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)采用MEGA128單片機自帶的10位AD轉換器。
[0006]進一步、所述基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)還包括溶解氧分析儀內設有溶氧信號調整電路。
[0007]進一步、所述溶氧信號調整電路包括:高精度1-V轉換器、濾波電路、反向二階低通放大器；
[0008]高精度1-V轉換器，用于將TP401PPm電極傳出的nA級電流轉換成mV級電壓，具體的連接方式為:運算放大器U4(0PA128JM)的反相輸入端2與輸入信號VI相連接，同時，反相輸入端2經電容連接到U4的輸出端6，經電容接地，經電容Cl和電阻R2連接到U4的輸出端6，經電阻Rl和電容C2接地；同相輸入端3接地；正電源端7經電容C5接地；負電源端4經滑動變阻器RW8和電容C18接地；輸出端6經電阻R7和電阻R6接到運算放大器U2 (0P07AZ)的同相輸入端。圖中Rl為50M，Cl為Rl的引入而帶來的雜散電容，需要再通過引入C2與R2來消除該雜散電容的影響，可通過R1*C1=R2*C2計算；
[0009]濾波電路，與所述高精度1-V轉換器連接，用于為濾波電路去除其中的50HZ交流干擾(主要為市電干擾)，具體的連接方式為:運算放大器U2(0P707)的反相輸入端2接地；同相輸入端3經電阻R6、R7與放大器U4的輸出端相連接，同時，經電容C17接地；正電源端7經電容接地；負電源端4經電容C16接地，輸出端6經正向連接的二極管Dl和電容C9的并聯(lián)電路接地，同時，輸出端6經電阻R4串聯(lián)電路(電容C13并聯(lián)上R5與C14的串聯(lián)電路)后接地；
[0010]反向二階低通放大器，與所述濾波電路連接，用于進一步去除其中的交流信號干擾，并且放大直流信號方便單片機進行AD采集，具體的連接方式為:運算放大器Ul (0P707)的同相輸入端3經電阻R3接地；反相輸入端2經電路(電容C13并聯(lián)上R5與C14的串聯(lián)電路)接地，同時，反相輸入端2經電阻RlO連接到輸出端6 ;正電源端7經電容C5接地，負電源端4經電容C15和滑動變阻器RW9接地；輸出端6經電容C12、C10、C11的并聯(lián)電路接地，輸出端6將信號輸送到PFD可編程分頻器中。無線傳感器在水面放置并自動組網(wǎng)，對水質污染中PH值、含氧量、水溫、重金屬離子進行全天候在線實時監(jiān)控與采集，無線網(wǎng)絡連接無線傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，溶解氧分析儀連接無線網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)分析，自動查找異常數(shù)據(jù)，自動追綜污染源。
[0011]作為本實用新型實施例的一優(yōu)化方案，基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)采用MEGA128單片機自帶的10位AD轉換器。
[0012]作為本實用新型實施例的一優(yōu)化方案，所述基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)還包括溶解氧分析儀內設有溶氧信號調整電路。
[0013]作為本實用新型實施例的一優(yōu)化方案，溶氧信號調整電路包括:高精度1-V轉換器、濾波電路、反向二階低通放大器；
[0014]高精度1-V轉換器，用于將TP401PPm電極傳出的nA級電流轉換成mV級電壓，具體的連接方式為:運算放大器U4(0PA128JM)的反相輸入端2與輸入信號VI相連接，同時，反相輸入端2經電容連接到U4的輸出端6，經電容接地，經電容Cl和電阻R2連接到U4的輸出端6，經電阻Rl和電容C2接地；同相輸入端3接地；正電源端7經電容C5接地；負電源端4經滑動變阻器RW8和電容C18接地；輸出端6經電阻R7和電阻R6接到運算放大器U2 (0P07AZ)的同相輸入端。圖中Rl為50M，Cl為Rl的引入而帶來的雜散電容，需要再通過引入C2與R2來消除該雜散電容的影響，可通過R1*C1=R2*C2計算；
[0015]濾波電路，與所述高精度1-V轉換器連接，用于為濾波電路去除其中的50HZ交流干擾(主要為市電干擾)，具體的連接方式為:運算放大器U2(0P707)的反相輸入端2接地；同相輸入端3經電阻R6、R7與放大器U4的輸出端相連接，同時，經電容C17接地；正電源端7經電容接地；負電源端4經電容C16接地，輸出端6經正向連接的二極管Dl和電容C9的并聯(lián)電路接地，同時，輸出端6經電阻R4串聯(lián)電路(電容C13并聯(lián)上R5與C14的串聯(lián)電路)后接地；
[0016]本實用新型提供的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，通過在長江流域水面放置無線傳感器節(jié)點，自動組網(wǎng)，達到對水質污染中PH值、含氧量、水溫、重金屬離子進行全天候在線實時監(jiān)控與采集，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，進行數(shù)據(jù)分析，自動查找異常數(shù)據(jù)，自動追綜污染源，為質檢部門提供原始資料；對工業(yè)廢水進行檢測，達到實時排污監(jiān)控；在高精農作物區(qū)對水域進行營養(yǎng)元素的檢測，為農業(yè)發(fā)展提供基礎，本實用新型主要針對于監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的溶解氧檢測節(jié)點，實現(xiàn)對水中的溶解氧值的自動測量，并各節(jié)點能夠自動組網(wǎng)，在原有設計的基礎上，增加了檢測節(jié)點的實用性與適用性，此外本實用新型操作方便，簡單實用，具有很好的應用價值?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型實施例提供的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程圖；
[0018]圖2是本實用新型實施例提供的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)的溶氧信號的調整電路圖。
[0019]圖中:1、高精度1-V轉換器；2、濾波電路；3、反向二階低通放大器。
【具體實施方式】
[0020]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0021]本實用新型實施例提供了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，該基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)包括:無線傳感器、無線網(wǎng)絡、溶解氧分析儀；
[0022]反向二階低通放大器，與所述濾波電路連接，用于進一步去除其中的交流信號干擾，并且放大直流信號方便單片機進行AD采集，具體的連接方式為:運算放大器Ul (0P707)的同相輸入端3經電阻R3接地；反相輸入端2經電路(電容C13并聯(lián)上R5與C14的串聯(lián)電路)接地，同時，反相輸入端2經電阻RlO連接到輸出端6 ;正電源端7經電容C5接地，負電源端4經電容C15和滑動變阻器RW9接地；輸出端6經電容C12、C10、C11的并聯(lián)電路接地，輸出端6將信號輸送到PFD可編程分頻器中。
[0023]以下參照附圖，對本實用新型實施例的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)的作進一步詳細描述。
[0024]如圖1所示，本實用新型的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程如下:首先開啟系統(tǒng)，啟動主程序，系統(tǒng)需要進行初始化的調整，發(fā)出是否需要校準的指令，若需要校準，操作人員通過鍵盤進行校準，若不需要校準，則進行下一步操作，通過溶解氧分析儀上的溶解氧探頭，對被監(jiān)測水環(huán)境的氧濃度和溫度進行測量，對調整子程序和測量參數(shù)子程序反復進行，直到得到準確的數(shù)據(jù)。
[0025]本實用新型的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)的溶解氧探頭的工作過程為；溶解氧(DO)是指溶解于水中的分子狀態(tài)的氧，溶解氧是水生生物生存不可缺少的條件，是水體自凈能力的表現(xiàn)。溶解氧大小能夠反映出水體受到的污染，特別是有機污染的程度，它是水體污染程度的重要指標，也是衡量水質的綜合指標。因此水體溶解氧含量的測量，對于飲用水質量檢測、環(huán)境監(jiān)測、水產養(yǎng)殖、工業(yè)生產的發(fā)展都有重要意義。溶解氧檢測的方法有以下幾種:(I)碘量法:原理在水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀，水中溶解氧將低價錳氧化成高價錳，生成四價錳的氫氧化物棕色沉淀。加酸后，氫氧化物沉淀溶解，并與碘離子反應而釋放出游離碘。以淀粉為指示劑，用硫代硫酸鈉標準溶液滴定釋放出的碘，據(jù)滴定溶液消耗量計算溶解氧含量，(2)熒光法溶解氧儀是基于物理學中特定物質對活性熒光的猝熄原理。傳感器前端的熒光物質是特殊的鉬金屬卟啉復合了允許氣體子通過的聚酯箔片，表面涂了一層黑色的隔光材料以避免日光和水中其它熒光物質的干擾；調制的綠光照到熒光物質上使其激發(fā)，并發(fā)出紅光，由于氧分子可以帶走能量(猝熄效應)，所以激發(fā)紅光的時間和強度與氧分子的濃度成反比。我們采用了與綠光同步的紅光光源作為參比，測量激發(fā)紅光與參比光之間的相位差，并與內部標定值比對，從而計算出氧分子的濃度，經過溫度補償輸出最終值；(3)電極法:溶解氧電極的工作原理溶解氧測量儀采用的傳感器是按照Clark原理制作的極譜型薄膜傳感器，傳感器部分是由金電極(陰極)和銀電極(陽極)及氯化鉀或氫氧化鉀電解液以及氧擴散膜組成，氧通過膜擴散進入電解液與金電極和銀電極構成測量回路；溶解氧電極采用T401PPm極譜式電極，上下都是3 / 4NPT螺紋，塑料外殼，溶解氧測量范圍0-20.0Omg / L0 T401PPm極譜式電極還包含一個2.252K的熱敏電阻，溫度測量范圍:0-80°C。
[0026]
【權利要求】
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)包括:無線傳感器、無線網(wǎng)絡、溶解氧分析儀； 所述無線傳感器通過無線網(wǎng)絡連接所述溶解氧分析儀。
2.如權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)采用MEGA128單片機自帶的10位AD轉換器。
3.如權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述基于無線傳感器網(wǎng)絡水質監(jiān)測系統(tǒng)還包括溶解氧分析儀內設有溶氧信號調整電路； 所述溶氧信號調整電路包括高精度1-V轉換器，具體的連接方式為: 運算放大器U4的反相輸入端2與輸入信號VI相連接，同時，反相輸入端2經電容連接到U4的輸出端6，經電容接地，經電容Cl和電阻R2連接到U4的輸出端6，經電阻Rl和電容C2接地；同相輸入端3接地；正電源端7經電容C5接地；負電源端4經滑動變阻器RW8和電容C18接地；輸出端6經電阻R7和電阻R6接到運算放大器U2的同相輸入端； 與所述高精度1-V轉換器連接的濾波電路，具體的連接方式為:運算放大器U2的反相輸入端2接地；同相輸入端3經電阻R6、R7與放大器U4的輸出端相連接，同時，經電容C17接地；正電源端7經電容接地；負電源端4經電容C16接地，輸出端6經正向連接的二極管Dl和電容C9的并聯(lián)電路接地，同時，輸出端6經電阻R4串聯(lián)電路后接地； 與所述濾波電路連接的反向二階低通放大器，具體的連接方式為:運算放大器Ul的同相輸入端3經電阻R3接地；反相輸入端2經電路接地，同時，反相輸入端2經電阻RlO連接到輸出端6 ;正電源端7經電容C5接地，負電源端4經電容C15和滑動變阻器RW9接地；輸出端6經電容C12、CIO、Cll的并聯(lián)電路接地，輸出端6將信號輸送到PFD可編程分頻器中。
【文檔編號】G01D21/02GK203642958SQ201320146393
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年3月28日 優(yōu)先權日:2013年3月28日
【發(fā)明者】牟向宇, 胡云冰 申請人:重慶電子工程職業(yè)學院