Design of a Water Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks

Peng Jiang ^1,*, Hongbo Xia ¹, Zhiye He ¹ and Zheming Wang ²

1

Institute of Information and Control, Hangzhou Dianzi University, 310018, Zhejiang Province, China; E-mails: sink@stu.hdu.edu.cn (H.X.), endyriver@tom.com (Z.H.)

2

Environmental Science Research amp; Design Institute of Zhejiang Province, 310007, China; E-Mail: wzhem@sohu.com (Z.W.)

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: pjiang@hdu.edu.cn; Tel.: 86-571-869 191 31-512; Fax: 86-571-868 785 66

Received: 5 May 2009; in revised form: 10 August 2009 / Accepted: 10 August 2009 / Published: 19 August 2009

Abstract: A water environmental monitoring system based on a wireless sensor network is proposed. It consists of three parts: data monitoring nodes, data base station and remote monitoring center. This system is suitable for the complex and large-scale water environment monitoring, such as for reservoirs, lakes, rivers, swamps, and shallow or deep groundwaters. This paper is devoted to the explanation and illustration for our new water environment monitoring system design. The system had successfully accomplished the online auto-monitoring of the water temperature and pH value environment of an artificial lake. The system#39;s measurement capacity ranges from 0 to 80 °C for water temperature, with an accuracy of plusmn;0.5 °C; from 0 to 14 on pH value, with an accuracy of plusmn;0.05 pH units. Sensors applicable to different water quality scenarios should be installed at the nodes to meet the monitoring demands for a variety of water environments and to obtain different parameters. The monitoring system thus promises broad applicability prospects.

Keywords: water environment monitoring; wireless sensor networks; data monitoring nodes; data base station; remote monitoring center

1. Introduction

The water environment, consisting of the surface water environment and underground water environment, can be differentiated to water bodies like rivers, lakes, reservoirs, oceans, swamps, glaciers, springs, and shallow or deep underground waters. The water environment, as well as other environmental elements like soil, organism and atmosphere, etc, constitute an organic complex. Once a change or damage to the water environment is observed in this complex, changes to other environmental elements inevitably occurs [1]. Due to the speed of Chinarsquo;s economic development, we can also see the resulting speeding-up of contamination and damage to the water environment. In this sense, water environment monitoring, as one of the major methods for water resource management and water contamination control, is found to be more and more indispensable.

At present there are mainly four methods for monitoring water environments, each of which has its advantages and disadvantages:

1. Artificial sampling with portable water quality detecting devices and subsequent lab analysis. This method applies only to samplings on cross-sections of river and lakes with a sampling frequency ranging from several times a day to monthly.
2. Automatic and continuous monitoring of water environment parameters by an automatic monitoring system consisting of monitors amp; control centers, as well as several monitoring sub-stations. Data can be remotely and automatically transferred. Each station provides its real-time water environment parameters. These systems can be costly and have a great influence on the surrounding ecological environment.
3. Water environment monitoring with remote sensing technology, namely detecting the spectrum specifics of an electromagnetic wave (radiation, reflection and scattering) in a non-contacting method with respect to the water body. After the processing of the information from the collection of illustrative spectra, its physics and chemical characteristics are to be identified. However this method can only provide a low accuracy, and it is also hard to perform real-time monitoring.
4. Water quality monitoring technology realized using some sensitivity of aquatic organisms to the presence of poisonous substances in water bodies by measuring or analyzing the change of activities of different organisms in different water environments, then coming to a qualitative evaluation report of the water quality. Basic measuring methods of this type being practiced include Fish Measuring and Beach Louse Measuring. Still, these methods can by no means be expected to reach high accuracy for water environment monitoring.

It is obvious that in a country like China, which has such an enormous water area, so diverse water bodies, so scattered spots on a water monitoring network, it will be insufficient to rely on the present numbers of monitoring stations and traditional monitoring technologies to satisfy the current monitoring needs, which emphasizes the fact that water environment monitoring must be continuous, dynamic, macro-scale, and swift; the water quality forecast must be prompt and accurate. In this sense, research and development on dynamic water environment monitoring technology, meeting the abovementioned needs, must be conducted urgently, in order to achieve accuracy and comprehensiveness in reports of the changing situation of the water environment and finally reduce water contamination.

Compared with the present water detecting methods, constructing a monitoring system based on the WSNs (wireless sensor networks) would present us with several advantages such as low cost, convenient monitoring arrangements, collection of a variety of parameters, high detection accuracy and high accountability of the monitoring network, etc.

A WSN (wireless sensor ne

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翻译文献

基于无线传感器网络的水环境监测系统设计

摘要：本文提出了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统。它由三部分组成：数据监控节点，数据基站和远程监控中心。该系统适用于水库，湖泊，河流，沼泽，浅水或深层地下水等复杂的大型水环境监测。本文致力于解释和说明我们新的水环境监测系统设计。该系统成功完成了人工湖水温和pH值的在线自动监测。该系统的测量能力范围为0至80°C（水温），精度为plusmn;0.5°C; pH值从0到14，准确度为plusmn;0.05 pH单位。应该在节点处安装适用于不同水质情况的传感器，以满足各种水环境的监测需求并获得不同的参数，监测系统因此具有广泛的适用前景。

关键词：水环境监测; 无线传感器网络; 数据监控节点; 数据基站; 远程监控中心

1. 介绍

由地表水环境和地下水环境组成的水环境可区分为河流，湖泊，水库，海洋，沼泽，冰川，泉水和浅水或深水地下水体。水环境以及土壤，有机体和大气等其他环境因素构成了一个有机的复合体。一旦在这个综合体中观察到水环境的变化或破坏，就不可避免地发生其他环境因素的变化。由于中国经济发展的速度，我们也可以看到由此带来的污染加速和水环境的破坏。从这个意义上说，作为水资源管理和水污染控制的主要方法之一，水环境监测被发现越来越不可或缺。

目前主要有四种监测水环境的方法，每种方法都有其优点和缺点：

1）使用便携式水质检测设备进行人工取样并随后进行实验室分析。这种方法仅适用于河流和湖泊的横断面采样，采样频率从一天几次到每月一次。

2）通过由监测和控制中心组成的自动监测系统以及多个监测分站自动和持续监测水环境参数，数据可以远程自动传输，每个站提供其实时水环境参数。这些系统成本高昂，对周围的生态环境影响很大。

3）利用遥感技术进行水环境监测，即以非接触方式对水体进行电磁波（辐射，反射和散射）的光谱特征检测。在处理来自说明性光谱集合的信息之后，其物理和化学特性将被识别。但是，这种方法只能提供较低的准确性，而且很难执行实时监控。

4）水质监测技术通过测量或分析不同水环境中不同生物体活动的变化，利用水生生物对水体中有毒物质的敏感性，实现水质的定性评估报告。这种类型的基本测量方法正在实施，包括鱼类测量和海滩虱子测量。尽管如此，这些方法决不能期望达到水环境监测的高精度。

显然，在像中国这样一个水域如此巨大，水体多样，水情监测网络上的分散点等中国的国家，依靠目前监测站和传统监测技术的数量来看，满足当前的监测需求，强调水环境监测必须持续，动态，宏观，快速;水质预测必须及时准确。从这个意义上说，要实现水环境动态监测技术的研究和开发，要满足上述需求，就要在水环境变化情况报告中做到准确和全面，最终减少水污染。

与现有的水体检测方法相比，构建基于WSN（无线传感器网络）的监测系统具有成本低，监测布置方便，采集参数多样，检测准确率高，监控网络等

无线传感器网络是一种由大量微型低成本低功耗感知节点组成的自组织网络系统，能够感知、计算和传输数据。它也是一个智能系统，可根据不断变化的环境自动完成各种监控任务。基于国外无线传感器网络的典型实时水环境监测系统有EMNET（美国Heliosware公司），Fleck（澳大利亚CSIRO），LakeNet（美国Notre Dame大学）和SmartCoast等系统，这些系统由研究人员设计。中国也一直在研究基于无线传感器网络的水环境实时监测系统的关键技术。

本文研究开发了一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，应用于人工湖水质监测，实现了对湖水pH和温度的远程自动在线监测。本文的第二部分描述了监控系统的全面结构设计。第三部分更具体地讨论了数据监控节点的硬件和软件设计。第四部分说明数据基站的硬件和软件设计。第五部分描述了远程监控中心的软件设计。第六部分分析了该系统如何应用于人工湖中的pH监测。

1. 监控系统的设计

基于无线传感器网络的水环境监测系统可以分为三个部分：数据监测节点，数据基站和被检测水域的远程监测中心。大量的数据监测节点分布在待检测的水域中，动态地构成一个监测网络，每个节点只能采集pH，溶解氧量，电导率和温度等参数，而且能够运行线性化和温度补偿，数据封装，收集参数记忆和路由到数据基站;来自监控节点的数据通过GPRS网络由基站传送到远程监控中心;监测中心对水质参数进行分析和处理，对水污染等紧急情况发出警报，并对水质发生突然变化提供警报，并为预防和治理水污染的决策提供支持;最终用户还可以通过互联网在目标水域实现全天候检测。整个水环境监测系统具有网络容量大，配置灵活，功耗低，成本低，对自然环境影响小等特点。

1. 数据监控节点的硬件和软件设计

监测节点作为水环境监测区域的基本单元，是实现监测功能的基本单元、目前监控节点的主要功能是：

1）收集待监。域的温度和pH数据。监测节点上安装的pH和温度传感器可以满足上述需求，实现对采集数据的线性化和温度补偿。

2）建立基于ZigBee协议的无线网络。大量的监测节点和基站a基于ZigBee协议动态地组装到无线网络中，通过该协议，pH和温度数据等应该被路由到基站。数据监控节点的系统架构如图1所示。

图1 数据监控节点的系统架构

图1显示了监测节点的系统结构，它可以分为五个模块：处理模块，pH发送器，感应模块，电源模块和ZigBee射频模块。除传感模块之外，所提及的模块通常被放置在漂浮在水面上的防水舱中，并具有掉落的锚。感应模块在水中，通过电缆连接防水舱。所有五个模块都经过了防水处理。电源模块为pH发送器，处理模块和ZigBee射频模块提供电力。连接到pH和温度传感器后，pH传感器收集目标水域中的pH和温度。发送器可以将pH和温度信号转换为标准的4-20mA信号。处理模块处理并存储pH和温度信号并采集标准信号，然后通过ZigBee模块将其传送到基站。每个节点通过ZigBee通信协议与基站连接并由其控制。

处理器主程序的操作可以分为五个部分：（1）设置系统，包括初始化时钟，LED，KEY，RTC，串口，ADC;设置ZigBee模块并关闭。（2）处理器进入低功耗模式并等待从串口切断。（3）串口输入的数据将询问其中断并唤醒处理器恢复正常工作;它也可以识别和操作串口上的数据。 （4）确定串口收到的数据是否有用。否则，处理器返回低功耗模式并继续等待串口数据;如果有用，处理器应解码并识别它们并决定订单的内容。（5）根据订单内容，通过控制外围设备，处理器设定时间，测量水参数或在一定时间上传水质参数。操作之后，处理器返回低功耗模式并等待串口数据。

系统软件的开发环境是IAR Embedded Workbench for MSP430，编程语言是C。系统软件可分为两个模块：负责处理传感器采集的水环境参数的主处理器程序，以及用于接收和发送水环境参数的ZigBee无线通信程序。 两个模块的集成使节点能够感知，收集，处理和传输水参数。

1. 数据基站的硬件和软件设计

数据基站的硬件采用MSP430F1611作为主处理器来控制数据基站; CC2430作为协处理器，用于在数据基站和数据监控子网之间传输基于ZigBee协议的监控数据; GPRS模块用于实现数据监控中心与数据基站之间的远程数据通信; AT45DB081D被用作系统的固态存储器来存储历史数据，按钮和LCD作为人机界面被补充。 系统硬件框图如图10所示。数据基站软件采用嵌入式操作系统作为MSP430F1611的软件平台，以提高系统的实时性能; 成都无线龙信息技术公司的ZigBee2004协议栈被用作CC2430模块的软件平台。

ZigBee模块设计采用成都无线龙科技的CC2430模块。

CC2430包含8K SRAM和64K闪存，因此不再需要增加内存。 CC2430通过串口与MSP430连接。为确保两个模块具有相同的参考电压，需要接地以连接两个模块。

GPRS是通用分组无线业务的缩写，它提供中速数据传输。 GPRS通过串口与MSP430F1611连接，MSP430F1611向GPRS Modem发送AT指令控制数据传输。当GPRS Modem开始与GPRS网络连接时，GPRS模块的瞬时峰值电流约为2A，因此电源模块必须为GPRS模块提供大于A的电流。此外，需要接地以连接GPRS模块和MSP430F1611。连接GPRS模块和MSP430F1611的UART 0接口电路如图2所示。

良好的功率模块是可靠系统的基础。由于GPRS模块的峰值电流较高，并且在GPRS模块处于无线通信状态时与其他模块的干扰较大，因此电源模块的设计必须包括高功率隔离芯片以减少这种干扰。电源模块使用LM2596和TPS79533电源芯片。 LM2596是一款电源管理集成电路，其最大输出电流为3A，同时它具有良好的线性和负载调节特性。 TPS79533是一款具有固定电压（3.3 V）的单输出LDO。由于数据基站在室外工作，因此外部电源可以是带有6节镍氢电池（7.2 V）或两节锂电池（7.4 V）的电池组。

在CC2430中使用BSP的主要目的是完成封装硬件，并为上层ZigBee协议栈和应用程序提供广泛的功能调用。ZigBee协议栈使用成都无线龙ZigBee 2004。协议栈是一个轻量级的协议栈，由两部分组成：一个是IEEE802.15.4定义的物理层和MAC层协议;其他的是由ZigBee联盟定义的网络层，安全层和应用程序编程接口。 ZigBee协议栈根据其功能定义三个对象：网络协调器，路由器和半功能节点。为了控制整个ZigBee网络，数据基站的ZigBee模块应该具有网络协调器的功能。

CC2430模块应用的主要任务是调用ZigBee协议栈和BSP提供的应用编程接口来构建和维护网络，并承担MSP430和ZigBee网络之间的数据传输任务。当节点加入网络时，网络将为该节点分配一个网络号码，并且将向数据基站的MSP430模块发送一条消息，通知它更新其节点状态表。如果网络丢失了一个节点，则会发送一条消息给MSP430以通知它更新其节点状态表。同时负责监控数据基站和数据监控节点。 CC2430模块不处理任何数据，只负责传输数据。

数据处理任务主要是分析来自数据监控中心的命令和来自数据监控节点的监控数据，并激活相应的任务来处理这些消息。 它可以通过GPRS接收中断子程序和ZigBee通过邮箱信息接收中断子程序来激活。来自数据监控中心的命令可以分为两类：第一类是建立数据基站的命令;另一种类型是控制数据监控节点的命令。其中，控制监控节点的命令主要有建立监控节点采样通道和读取这些通道当前采样值的功能。

GPRS模块的通信任务是负责建立GPRS网络并通过该模块与数据监控中心通信。 GPRS模块由MSP430通过串口驱动，并由AT命令控制。 GPRS任务的数据传输是透明的，据说GPRS模块只是被动的执行来自数据监控中心的命令，所以应该给GPRS模块打电话来激活它。串口接收器中断服务子程序在电话呼叫后检测激活并建立GPRS网络。如果GPRS模块没有数据传输超过一分钟，它将自动进入睡眠状态。因此，如果数据基站未从数据监控中心收到与GPRS的断开请求，则需要定期（例如，每隔50秒）向数据监控中心发送心跳包以保持GPRS连接。

五、远程监控中心软件的设计

远程监控中心由两部分组成：GPRS网关和数据中心。 GPRS网关负责接收水环境参数，数据中心通过串口与GPRS网关连接。 另外，远程监控中心还包括数据库和监控软件。监控软件提供完整的监控界面，实现历史数据查询，实时数据显示，数据分析和非正常状态报警。远程监测中心负责监测水环境变化，控制和管理现场实施，实时发现污染突发事件和快速环境变化。

1. 系统性能
2. 时间同步

时间同步在无线传感器网络中是一个重要的表现，因为它是被称为数据融合过程的关键因素[14]。在这个系统中，我们使基站成为监控区域的主时钟。监控区域是一个集群，并且与集群中主时钟最近的节点将被选择为与主时钟时间同步。靠近该节点的其他节点将在监视区域中选择它作为它们的同步源，并且远离主时钟的其余节点将选择最近的节点作为它们的同步源。这种时间同步方法类似于NTP。使用25 Kb/s无线电，可以在1ms内传输16位数据，因此，如果监测区域中有100个节点，两个节点之间的最大时延将小于0.1 s。在这个监控系统中，最小采样频率为1分钟，远大于最大时延，因此该系统可以很好地适应这种时间同步。

1. 数据分析

由于监控系统是一个低功耗的系统，采样周期通常超过半个小时，数据存储在本地节点上，因此系统在数据采样过程中没有大量的数据流处理。只有当数据监控中心向监控系统请求历史数据时，系统的节点才会将其历史数据存储在本地存储在基站中，然后基站将所有数据传输到数据监控中心。

在节点存储监控数据之前，他们将对收集到的数据进行线性化和温度补偿。 总而言之，我们传输存储在节点上的所有监控数据，但它是一种被动传输，并且不会经常发生。系统的通信压力并不是很大，所以我们暂时不需要处理数据压缩。

1. 网络通信的可靠性

在这个监控系统中，我们使用ad-hoc多跳路由来支持ZigBee

无线通信。它使用具有单个目标节点和主动双向链路估计的最短路径优先算法。多跳路由器对我们来说基本上是透明的，并且易于移植到我们的系统中。通过帧检查和重新发送机制，我们可以确保所有命令和监控数据将成功发送到目标设备。综上所述，我们的监控系统在无线通信可靠性领域表现出色。

1. 总结

开发无线传感器网络是为了解决缺乏实用环境监测系统的问题。该监控系统由三部分组成：数据监控节点，数据基站和远程监控中心。它给我们带来了诸如大监控范围，灵活配置，低功耗，对自然环境的小损害和低成本等有用功能

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