農(nóng)村飲用水源地水質監(jiān)測節(jié)點研制

姜 晟，王衛(wèi)星，李亮斌，陳華強，焦國輝

(1.華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室，廣州 510642；3. 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測工程技術研究中心，廣州 510642；4.國家生豬種業(yè)工程技術研究中心，廣州 510642)

0 引 言

農(nóng)村飲用水安全問題不僅事關農(nóng)民群眾身體健康和生命安全，同時也影響著農(nóng)村經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展[1-3]。在與我國中等發(fā)達的城市相比，農(nóng)村的飲用水安全問題就與之有明顯差距，據(jù)相關數(shù)據(jù)表明，全國農(nóng)村飲用水被檢測為不安全的約占農(nóng)村總人口的35%[4]。水質超標與污染直接影響著飲用水安全，嚴重威脅農(nóng)村居民的身體健康。農(nóng)村飲用水安全的關鍵在于保障飲用水水源地安全，因而加強對農(nóng)村飲用水水源地水質的監(jiān)測可有效降低水源地污染所帶來的各種風險。目前我國農(nóng)村飲用水水源地水質監(jiān)測主要是以人工采樣實驗室分析，衛(wèi)星遙感分析，以及水質自動監(jiān)測站等方法為主[5-9]，但對于一些交通不便或地理條件較差的水源地，需監(jiān)測人員長期駐守管理，花費大量的人力和物力并且存在著實時性差、監(jiān)測范圍小、耗時長和操作復雜等問題[10]，使得農(nóng)村飲用水水源地水質監(jiān)測數(shù)據(jù)延時，無法應對飲用水安全突發(fā)事件，更不能在水源地發(fā)生污染前給予及時有效的警告。

無線傳感器網(wǎng)絡具有智能化程度高、信息時效強、覆蓋區(qū)域廣、支持多路傳感器數(shù)據(jù)同步采集、可擴展性好等特點[11-14]，將其應用于農(nóng)村飲用水水源地水質監(jiān)測領域有著廣闊的應用前景。

目前，研究人員根據(jù)不同應用場合對飲用水水質監(jiān)測需求，設計了多種專用的監(jiān)測系統(tǒng)[15-19]。李亮斌等為解決目前農(nóng)村供水廠水質監(jiān)測所存在的無線通信障礙、監(jiān)測成本高等問題，設計研制了一款農(nóng)村供水廠水質監(jiān)測設備。該設備可通過無線自組網(wǎng)形式組成水質監(jiān)測局域網(wǎng)，將所采集的水質數(shù)據(jù)匯集至水廠監(jiān)測中心。雖然該設備可實現(xiàn)水質數(shù)據(jù)的自動化采集，但數(shù)據(jù)傳輸只是局限于由監(jiān)測設備所組成的局域網(wǎng)內(nèi)，無法實現(xiàn)水質數(shù)據(jù)的遠程在線監(jiān)測[20]。

蘇光云等在調(diào)研農(nóng)用水水源水質監(jiān)測的實際需求基礎上，研究了溫度、電導率、pH值等指標與水質污染的關系，研發(fā)了網(wǎng)絡化、易部署的農(nóng)用水源水質檢測儀，實時監(jiān)測溫度、濁度、酸堿度、溶解氧濃度、電導率等指標，設計并實現(xiàn)了一個農(nóng)用水源水質監(jiān)測平臺，所監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過GPRS網(wǎng)絡上傳至遠程平臺，該平臺的實施對于五水共治工作的開展具有推動作用。但該平臺的每個水質監(jiān)測節(jié)點都需配備GPRS模塊，且每個節(jié)點上傳數(shù)據(jù)都需支付GPRS網(wǎng)絡費用，無形中增加了平臺的應用成本，不利于大面積應用推廣[21]。

謝靜等結合小型無人船設計了水質監(jiān)測硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水上平臺模塊和手持終端模塊構成，手持終端用于控制水上平臺的取樣以及移動,水上平臺模塊固定于小型無人船上，用于采集水質數(shù)據(jù)，并通過nRF2401將數(shù)據(jù)無線傳輸至手持終端模塊在LCD顯示模塊顯示。該系統(tǒng)結合了無人船與水質檢測，簡化了水質定點采樣檢測工作，但由于無線通信芯片nRF2401的通訊距離存在很大的局限性，因此該系統(tǒng)無法實現(xiàn)大面積水質定點采樣檢測[22]。

雖然目前無線傳感器網(wǎng)絡在各類環(huán)境在線監(jiān)測中得到了廣泛應用，但在農(nóng)村飲用水水源地水質在線監(jiān)測的試驗與研究還比較缺乏。本文以農(nóng)村飲用水水源地水質安全監(jiān)測為目標，研制了傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點等監(jiān)測設備，并通過前期試驗驗證了方案可行性，為構建基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)村飲用水水源地水質監(jiān)測系統(tǒng)提供了硬件技術支持。

1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

1.1 傳感器節(jié)點硬件結構

由于水源地水質監(jiān)測存在供電條件差，監(jiān)測周期長等特點，因此在傳感器節(jié)點硬件設計上遵循了模塊化、簡單化和低功耗的設計原則。傳感器節(jié)點主要由處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，為提高網(wǎng)絡的魯棒性與可靠性，傳感器節(jié)點在完成水質數(shù)據(jù)采集的同時也兼具路由節(jié)點的功能，傳感器節(jié)點硬件結構如圖1所示，節(jié)點實物如圖2所示。

圖1 傳感器節(jié)點硬件結構圖Fig.1 Hardware structural diagram of the sensor node

圖2 傳感器節(jié)點實物圖Fig.2 Picture of the node

為滿足節(jié)點性能優(yōu)越、功耗低等設計要求，處理器模塊采用STM32系列單片機STM32F103VET6為主控制芯片，可支持實現(xiàn)設備管理、任務調(diào)度、數(shù)據(jù)融合處理等功能。

無線通信模塊是節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，而農(nóng)村飲用水水源地多為天然湖泊、河流或人工水庫等，具有監(jiān)測面積大、流域長等特點，因此采用具有功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離遠和發(fā)射功率可調(diào)等優(yōu)點的WLK01L39作為射頻芯片，其在空曠環(huán)境下穩(wěn)定傳輸距離達2 km，可實現(xiàn)點對點遠距離穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。

由于農(nóng)村飲用水水源地對多為河流、湖泊和水庫，電源設施較為缺乏，因此考慮到節(jié)點體積、生存周期以及室外部署等需求，電源模塊采用10 Ah、12 V的大容量鋰電池組供電。12 V電源經(jīng)兩組TPS62170降壓電路降壓至5 V和3.3 V分別為傳感器模塊供電、處理器模塊、無線通信模塊供電。傳感器電源由MOS管FDN340P控制輸出，當需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務時，MOS管導通輸出5 V電源；當節(jié)點進入休眠狀態(tài)時斷開MOS管，關閉5 V電源輸出。

對于農(nóng)村飲用水水源地來說，水質指標中的溶解氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽以及重金屬銅離子、鎘離子等指標對飲用水安全至關重要，結合水質指標在線監(jiān)測可行性以及可靠性等因素，采用美國ASI公司的水質離子選擇電極作為傳感器探頭用于采集水體中溶解氧、pH以及溫度指標參數(shù),傳感器實物如圖3所示。傳感器數(shù)據(jù)接口為RS485接口，節(jié)點睡眠喚醒后使傳感器通電，通過RS485串口讀取水質數(shù)據(jù)，為減少發(fā)送數(shù)據(jù)包次數(shù)降低功耗，傳感器節(jié)點將所有水質數(shù)據(jù)壓縮為單個數(shù)據(jù)包傳輸至網(wǎng)關節(jié)點。由于項目進度安排，氨氮含量以及銅、鎘等重金屬傳感器暫未采購，但節(jié)點設計預留了多個RS485接口以備擴展使用。

圖3 傳感器實物圖Fig.3 Picture of the sensor

1.2 網(wǎng)關節(jié)點硬件結構

網(wǎng)關節(jié)點主要負責接收、匯總、遠程傳輸數(shù)據(jù)，由于水源地周邊網(wǎng)絡條件限制，因此選用GPRS網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)遠程上傳媒介。網(wǎng)關節(jié)點主要由處理器模塊、無線通信模塊、串口通信模塊、GPRS模塊、存儲模塊和電源模塊組成。網(wǎng)關節(jié)點硬件結構圖如圖4所示，實物圖如圖5所示。

圖4 網(wǎng)關節(jié)點硬件結構圖Fig.4 Hardware structural diagram of the gateway

圖5 網(wǎng)關節(jié)點實物圖Fig.5 Picture of the gateway

與傳感器節(jié)點相同，網(wǎng)關節(jié)點的處理器模塊和無線通信模塊分別采用STM32F103VET6單片機芯片與WLK01L39射頻芯片完成任務調(diào)度與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信等功能；網(wǎng)關節(jié)點的電源模塊采用與傳感器節(jié)點相同的供電系統(tǒng)，實現(xiàn)GPRS模塊及其他模塊的供電需求，同時通過MOS管控制GPRS模塊5 V電源的導通與斷開，有效延長了網(wǎng)關節(jié)點的壽命。

網(wǎng)關節(jié)點配備了一個存儲模塊，采用普通SD存儲卡作為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲介質，對接收及匯總的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行備份，保證數(shù)據(jù)完整。

GPRS模塊負責網(wǎng)關與Internet網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換和報警短信的發(fā)送，采用北京天同誠業(yè)科技有限公司的WG-8010作為GPRS通信模塊，該模塊具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、價格低廉、易開發(fā)等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 傳感器節(jié)點應用程序設計

水源地監(jiān)測面積廣，節(jié)點間距離遠，因此各節(jié)點需轉發(fā)其他節(jié)點數(shù)據(jù)才能保證網(wǎng)絡覆蓋面積，因此本文的傳感器節(jié)點應用程序包括調(diào)用底層的各個驅動程序、數(shù)據(jù)采集與處理、發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包等任務。傳感器節(jié)點應用程序流程圖如圖6所示，節(jié)點周期性地采集數(shù)據(jù)，到達定時時間后，節(jié)點采集本地數(shù)據(jù)并廣播至網(wǎng)絡，隨后進入接收模式，此時當節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)包后，首先根據(jù)本地登記表判斷是否進行轉發(fā)，如需轉發(fā)則在本地登記表內(nèi)登記流水號后轉發(fā)，反之不做處理繼續(xù)等待接收。在接收到同步信息包時，節(jié)點設置本地定時參數(shù)并將其轉發(fā)，最后進入休眠狀態(tài)，直至休眠定時時間到，再進行新一輪數(shù)據(jù)采集工作。

圖6 傳感器節(jié)點應用程序流程圖Fig.6 Application program flowchart of the sensor node

2.2 網(wǎng)關節(jié)點應用程序設計

網(wǎng)關節(jié)點應用程序的設計主要用于調(diào)用硬件驅動程序，整合數(shù)據(jù)轉發(fā)協(xié)議，異常報警，文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份，時間同步協(xié)議等，實現(xiàn)傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點的同步收發(fā)，數(shù)據(jù)轉發(fā)與備份，以及數(shù)據(jù)異常時發(fā)送報警短信。網(wǎng)關節(jié)點應用程序流程圖如圖7所示。

圖7 網(wǎng)關節(jié)點應用程序流程圖Fig.7 Application program flowchart of the GPRS gateway

系統(tǒng)啟動后，網(wǎng)關節(jié)點首先向網(wǎng)絡廣播同步數(shù)據(jù)包，使節(jié)點與網(wǎng)關同時進入休眠。到達預定時間網(wǎng)關節(jié)點喚醒后設置定時器，立刻進入接收狀態(tài)，每接收到一個數(shù)據(jù)包后首先將數(shù)據(jù)緩存至SD卡中，直到定時器時間到。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收完畢后，網(wǎng)關節(jié)點將本輪網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通過GPRS模塊接入至Internet網(wǎng)絡并傳輸至遠程數(shù)據(jù)管理平臺，當水質重金屬數(shù)據(jù)異常時網(wǎng)關節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送中文報警短信至用戶手機。所有任務執(zhí)行完畢后網(wǎng)關節(jié)點再次向網(wǎng)絡發(fā)送同步數(shù)據(jù)包使網(wǎng)絡休眠，等待下一輪網(wǎng)絡喚醒。

3 節(jié)點性能分析與試驗結果

在實驗室和校園環(huán)境下分別對節(jié)點進行了性能測試，測試項目包括傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點功耗測試、通信距離測試、遠程采集精度測試以及組網(wǎng)測試。從測試結果表明，節(jié)點可以實現(xiàn)農(nóng)村飲用水水質在線采集和遠程傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.1 節(jié)點功耗測試

節(jié)點硬件性能測試主要從低功耗性能測試出發(fā)，通過利用高精度電流表接入至節(jié)點電路，檢測傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點在系統(tǒng)不同工作模式下的工作電流，從而進行硬件性能測試。傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點經(jīng)過多次功耗測試數(shù)據(jù)記錄取平均值記錄，測試結果如表1所示，系統(tǒng)采用喚醒休眠機制，有效延長了節(jié)點的生命周期，實現(xiàn)了低功耗設計要求。

表1 功耗測試數(shù)據(jù)表 mA

3.2 通信距離測試

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信距離是節(jié)點硬件性能的一項重要指標，直接影響著網(wǎng)絡覆蓋連通性能。飲用水水源地通?？諘缜颐娣e較大，由于節(jié)點間部署距離遠，需具有較遠的通信距離才能保證網(wǎng)絡連通性。在校園環(huán)境下測試了節(jié)點的有效通信距離。設置天線距離地面高度為1.5 m，發(fā)射功率為10 dBm，發(fā)射測量的節(jié)點有效通信距離平均值見表2。

表2 校園環(huán)境下節(jié)點的通信距離 m

3.3 遠程采集精度測試

節(jié)點遠程數(shù)據(jù)采集精度是指觀察者獲取信息的精確度，若要準確地掌握水源地水質信息，則要求節(jié)點具有較高的遠程數(shù)據(jù)采集精度。該測試分別對節(jié)點的溶解氧遠程采集精度、pH遠程采集精度以及溫度遠程采集精度進行測量。測試采用哈希DREL1900多參數(shù)水質分析儀與本文所使用的傳感器同時放置在湖水樣本中進行測量，當場記錄DREL1900分析儀讀數(shù)，傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)關遠程傳輸至系統(tǒng)后臺，對兩組測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，得出本文所設計傳感器節(jié)點的pH遠程采集誤差范圍為0.63%～1.67%，溶解氧遠程采集誤差范圍為1.10%～2.20%，溫度遠程采集誤差范圍為2.23%～2.27%(見表3)。

3.4 組網(wǎng)測試

為模擬在水庫對水質指標進行在線監(jiān)測，在華南農(nóng)業(yè)大學洪澤湖部署了2個傳感器節(jié)點與1個網(wǎng)關節(jié)點進行了WSN組網(wǎng)測試，測試時間為2016年11月22日至2017年1月3日，設定傳感器節(jié)點每隔30 min采集、發(fā)送一次數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)包發(fā)送后進入接收模式，在接收到網(wǎng)關節(jié)點的同步信息后進入休眠狀態(tài)，網(wǎng)關節(jié)點將數(shù)據(jù)遠程發(fā)送至系統(tǒng)后臺。對43 d的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，2個傳感器節(jié)點應分別發(fā)送數(shù)據(jù)包2 064個，遠程接收到1號節(jié)點2 029個，2號節(jié)點2 013個，網(wǎng)絡平均丟包率為2.08%，測試結果如表4所示，節(jié)點部署衛(wèi)星圖如圖8所示，測試現(xiàn)場圖如圖9所示，2016年12月13日00∶24-23∶56的遠程監(jiān)測溫度、pH和溶解氧變化圖分別如圖10～圖12所示。

4 結 語

表3 湖水樣本水質遠程采集精度測試

注：DREL1900分析儀的pH鈉誤差為-0.6pH；溶解氧測量誤差為±0.2 mg/L；溫度測量誤差為±0.3 ℃。

表4 網(wǎng)絡丟包率統(tǒng)計

圖8 節(jié)點部署衛(wèi)星圖Fig.8 Satellite map of nodes deployment

圖10 溫度變化圖Fig.10 Changes of water temperature

圖11 pH值變化圖Fig.11 Changes of pH value

圖12 溶解氧濃度變化圖Fig.12 Changes in the concentration of dissolved oxygen

為解決傳統(tǒng)農(nóng)村飲用水安全監(jiān)測中所存在的工作量大、實時性差等問題，本文探討了利用無線傳感網(wǎng)絡技術應用于農(nóng)村飲用水安全監(jiān)測的可行性，設計研制了農(nóng)村飲用水安全監(jiān)測傳感器節(jié)點與GPRS網(wǎng)關節(jié)點，并開展了相關性能測試，測試結果表明：

(1)通過元件選型、硬件電路設計與程序設計，研制了面向農(nóng)村飲用水安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點，可實現(xiàn)對水質數(shù)據(jù)的實時采集與遠程傳輸。

(2)傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點在監(jiān)測過程中功耗低，傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點在系統(tǒng)休眠時的電流消耗平均為0.026 mA，傳感器節(jié)點在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收時的電流消耗分別為32.82、27.35與23.24 mA，網(wǎng)關節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)上傳時的電流消耗分別為34.47、30.12和57.43 mA。

(3)在為期43 d的組網(wǎng)測試中，網(wǎng)絡平均丟包率為2.08%。網(wǎng)絡丟包率與節(jié)點部署位置、天線高度等因素緊密相關，在實際的監(jiān)測過程中，可通過改變無線模塊發(fā)射功率、調(diào)整天線高度、增加路由節(jié)點等手段降低網(wǎng)絡丟包率。

(4)通過傳感器節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點的設計和研制，可為農(nóng)村飲用水水源地水質在線監(jiān)測提供高效、科學的信息支持，為構建基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)村飲用水水源地水質安全監(jiān)測系統(tǒng)提供技術支撐。

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