基于無線傳感網絡的水質在線移動監測系統①

劉燕娜,屠德展,潘曉曼,高學江,王 瑞,洪 榛

1(浙江理工大學 機械與自動控制學院,杭州 310018)

2(加利福尼亞大學洛杉磯分校 電氣與計算機工程系,洛杉磯 CA 90095-1594)

3(浙江工業大學 網絡空間安全研究院,杭州 310023)

我國水資源總量2.8 萬億立方米,居世界第4 位,但我國人均水資源量只有世界平均水平的1/4,屬于水資源緊缺的國家[1].隨著社會經濟的迅速發展,水污染形勢愈發嚴重.水污染已由局部發展到全流域,由下游蔓延到上游,由城市擴散到農村,由地表延伸到地下[2].2013年浙江省提出“五水共治”的理念,人們對水質健康的關注日益增加,水質安全監測研究成為廣受關注的研究領域.為更好地發揮科技在“五水共治”中的支撐引領作用,在2015年浙江省科技廳也發布了《2015年“五水共治”科技專項行動計劃》通知.2015年4月16日,國務院正式發布《水污染防治行動計劃》,到2030年消除城市臭水,將拉動萬億投資.早發現,早解決,從源頭解決水質污染是一種有效途徑.

國內外的眾多研究機構都在積極地對水質監測系統進行研究.國外高校在這方面已走在了前列,如印度普納大學開發了基于水下無線傳感網的太陽能板供電的水質在線監測系統[3];澳大利亞墨爾本大學設計了低功耗的水質自動監測系統[4];英國埃塞克斯大學研究將機器魚用于泰晤士運河的水質監測[5];波蘭克拉科夫工業大學設計仿生水下機器人用于執行情報、偵察和監視(ISR)任務[6].國內高校近年來也加快了對水質監測系統的研究與開發,如西北工業大學研發了低功耗的水下傳感器節點[7];北京航空航天大學利用機器魚對太湖進行水質檢測[8].基于國內外的研究現狀,存在采樣誤差大、監測頻次低、監測數據分散以及無法實時反饋水質狀況的連續動態變化等問題.綜合實際情況,針對水質監測系統,研發設計了可移動的水質在線監測系統,提出了多個水下監測器編隊檢測的方法,采用GPS 與慣性導航組合定位方式進行協同驅動控制,實現了多個水下監測器編隊檢測,監測范圍大、效率高.

1 系統架構

本系統采用可移動的水下監測器在線監測水質狀況及采集水體樣本.系統結構框圖如圖1所示,水下監測器裝配有動力模塊,能在淺水域以一定的速度移動,采集水環境數據,并利用頻率170 MHz的無線射頻模塊或水聲通信模塊將水環境數據傳輸至浮標節點;浮標節點安放在水面浮標上,接收、處理及融合附近多個水下監測器上傳的水環境數據,并通過ZigBee 將處理后的數據包以多跳的方式傳輸至陸地基站;基站布設在被監測水域附近的陸地上,負責接收和處理浮標節點上傳的數據,并通過基站將采集到的信息傳遞到數據終端;數據終端包含數據分析與可視化處理,最終將數據以圖表的形式反饋被監測水域的水環境參數.

圖1 系統結構框圖

水下監測器主要負責水環境在線移動監測,浮標節點主要負責接收、處理、中繼及轉發來自多個水下監測器的數據;基站負責整個被監測水域的水環境參數匯聚及上傳至數據終端,多個水下監測器與附近的浮標節點形成點對點單跳星型網絡,多個浮標節點與基站形成多跳自組織網絡;數據終端將得到的數據通過分析進行可視化處理,其可視化終端主要包含計算機和手機.計算機通過與基站的有線連接獲取水環境參數,將數據做整理分析,最后將整理后的數據做可視化處理;另外,整理后的數據也將被發送至云端服務器,手機可以通過應用程序軟件訪問云端服務器獲取水環境信息,并做可視化處理.

2 系統硬件設計

2.1 水下檢測器硬件設計

水下監測器硬件結構如圖2所示.

圖2 水下監測器硬件結構圖

水下監測器作為一個水下可移動節點,其外殼是防水防腐的密封艙.開啟電源后,浸于水中的傳感器探頭采集水環境參數,其模擬信號經過控制處理單元中的微弱信號調理模塊放大后,再經自帶數模轉換的微控制器單元進行AD 轉換.最終,得到的水環境數據通過170 MHz 無線射頻模塊或水聲通信模塊發送至浮標節點.其中,水下監測器裝配有溫度、濁度、pH 值和電導率等傳感器,用于監測水的溫度、濁度、pH 值與電導率等多種參數值;采用陀螺儀與加速度計獲取水下監測器的游動姿態,依靠尾部的無刷電機發動螺旋槳,利用方向舵與升降舵配合控制改變方向;另外,控制處理單元是整個水下監測器執行操作的處理中心,控制電機1 驅動氣泵抽水入水袋或排出水袋內的水,實現水下監測器的上下沉浮;當水下監測器位于水下時,采用慣性導航系統實現導航定位;當其浮出水面時,采用GPS 實現導航定位并進行位置校正和時間校準.

2.2 浮標節點硬件設計

浮標節點(結構如圖3所示)固定在水面,采用太陽能供電方式,可以長時間工作,通過170 MHz 無線射頻模塊接收水下監測器傳輸的數據,采用GPS 模塊獲得被監測水域的地理位置信息,不同于水下監測器的GPS 模塊,其主要用于基于地理位置的數據轉發以及基于可視化界面的水域地理信息顯示.

圖3 浮標節點結構圖

3 系統軟件設計

數據終端采用PC和移動終端實現.PC 通過無線串口模塊實現與浮標節點的通信,按照自定義的通信協議接收并解析數據,利用Matlab 軟件建立時間-水質和位置-水質的數學模型,最終實現水質數據的實時反饋與可視化反饋;另外,將處理后的數據導入數據庫與云端服務器.Android 手機的APP 通過訪問云端服務器實時查看水質信息.數據流圖如圖4所示.

圖4 數據流圖

3.1 通信協議設計

通信協議設計實際上在任何系統中都發揮了不可替代的作用,因為只有合適的通信協議才能交互數據.根據相關的約定,綜合考慮實驗的實際情況,根據各類實驗制定了總體格式類似、局部卻有所不同的通信協議格式.如針對水質參數傳遞,定制的協議格式如圖5所示.

圖5 通信協議描述

該命令以“#”作為開始,后面接著地址、坐標、各類水質參數,“…”代表可擴展的水質參數,不同的參數用“|”間隔,最后同樣以“#”結束該條命令.

定制特定的協議格式,在很大程度上滿足了本系統的需要,具有一定的動態性、實時性.而且,嚴格的通信協議格式也為區分不同的命令和參數傳遞提供了保障.

3.2 編隊控制

為了防止多個水下監測器的碰撞及脫離浮標節點通信范圍等問題,采用多個水下監測器編隊控制方式,若干個水下監測器與浮標節點形成一簇,浮標節點以廣播的方式告知水下監測器隊形信息,同時匯聚水下監測器采集的水質參數信息,并與其他浮標節點實現通信.水下監測器接收隊形信息后以一定的幾何構型在浮標節點附近移動,其編隊控制算法采用分布式模糊編隊控制.

如圖6所示為編隊控制系統的運動模型,(Px0,Py0)代表主監測器,(Px1,Py1)、(Px2,Py2)代表從監測器.通過上述分布式模糊PID 控制算法,從監測器可在(Px2,Py2)附近扇形區域內跟隨前行,追蹤主監測器運行軌跡.

圖6 編隊運動模型

程序流程如圖7所示.由圖7(a)可知,主監測器點以水聲廣播的方式告知從監測器隊形信息,同時收集從監測器采集的水質參數信息,并與岸上基站實現通信;由圖7(b)可知,從監測器初始化后依次經過水質參數采集、自身位置姿態采集和無線發送信息,同時接收主監測器的位置,經過算法設計,獲取相對位置信息,經模糊控制器輸出控制從監測器跟隨主監測器移動.

圖7 程序流程圖

3.3 PC 端軟件設計

PC 端上位機軟件功能如圖8所示,具有數據監控、水下監測器控制、實時消息推送、數據統計以及閾值設置等功能.軟件采用基于Web的JavaScript 開發,JavaScript是一種屬于網絡的腳本語言,已經被廣泛用于Web 應用開發,常用來為網頁添加各式各樣的動態功能,提供更流暢美觀的瀏覽效果.

圖8 PC 端軟件功能圖

3.4 PC 移動端軟件設計

APP和上位機間使用Socket 通信機制進行通信,通過Socket 實時進行數據交互,可以同時接收多個浮標節點的數據.APP為Socket的客戶端,主要用于顯示水域水質參數信息.上位機端作為Socket的服務器端,用于處理數據和對數據進行分發.移動端功能圖如圖9所示.

圖9 移動端功能圖

系統采用XMPP 協議,上位機端可以推送水質信息,當濁度小于預先設定閾值時,上位機就會向APP推送一條消息,提醒用戶檢測到污染.

4 系統實現及實驗測試

4.1 實驗平臺

為了驗證系統設計的可行性,搭建了水質在線移動監測平臺(圖10).目前,水下監測器裝載GPS/INS系統,可檢測溫度、濁度、pH 值和電導率等水質參數,已實現兩個移動節點編隊檢測,但還未能完全自主航行.

圖10 水下監測器編隊監測

4.2 實驗內容與結果

實驗對水下監測器、浮標節點和可視化軟件整個平臺監測性能進行了測試.

4.2.1 水下檢測器性能測試

如圖11(a)所示,水下監測器外觀模仿魚的流線型設計,內部電路模塊與外部環境通過防水接口隔離,達到防水效果.圖11(b)中為水下監測器內部結構圖,各個電路模塊、電源、水質傳感器、動力系統均包含在內,其中水質檢測探頭位于水下監測器頭部.

圖11 水下監測器結構圖

經過實驗測試,水下監測器的各項技術參數指標如表1.

表1 水下監測器技術參數

4.2.2 軟件系統性能測試

圖12為實驗時上位機的截圖,A 區域為功能模塊,包括監控、命令、管理、地圖等,B 區域為可視化界面,不同功能模塊對應一個可視化界面,實現友好的人機交互.

圖12 PC 端上位機

水下監測器通過無線傳感網絡將自身地址、位置、水質參數等信息發送至上位機軟件,再導入數據庫與服務器.手機移動端通過訪問數據庫獲取相關信息.圖13為實驗時手機端APP 顯示界面,圖13(a)為水質參數信息與當前監測器的位置信息,包括經度和緯度;圖13(b)為實際定位地圖,能夠更加直觀地觀測到多個監測器所處的位置;圖13(c)為水質歷史數據,供后期查看;圖13(d)為水下監測器模擬遙控手柄,當需要回收監測器可選擇遠程遙控的方式控制監測器返回岸邊.

圖13 手機APP 界面

上位機軟件將采集到的數據,經處理后自動生成圖表,以直觀的形式展示不同水域濁度信息.如圖14所示.

圖14 某水域濁度信息

從上述實驗可以看出,基于無線傳感網絡的水質在線移動監測系統可檢測某水域任一點的水質環境.

5 結論

本文提出一種面向大范圍水質監測的新方法.與傳統方法相比,本方法提高了設備利用率,實時性更高.適用于池塘、運河、湖泊以及近海的水質在線監測,為日常水質管理提供指導,對污染水域進行報警.下一步的重點是降低系統功耗,提升水下監測器的續航能力,完善被測水域不同時間、不同位置水質數據地圖測繪工作.