基于wsns之水环境监测体系构设与实现

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1、基于WSNs之水环境监测体系构设与实现第一章绪论1.1研究背景和意义水是生命之源，通过现代科学技术手段，针对客观环境中的物理、生物和化学特性，间歇或连续地利用各种仪器对水质进行系统性地描述同时对水环境进行定性定量评估做法被称作水环境监测[1]。由于水流域交通边界自然环境适合生存，所以其周围人口密集从而使其周围的生态环境受到人类生产活动的影响大，并且水生态复杂，水质变化发生的时间短但能够长时间影响周边环境，所以很难被人们观察和认识。中国是缺水国家，根据2009年中国水资源评估结果表明，中国水资源总量

2、达2.8万亿立方米，但由于中国人口基数大，人口增长快，个人水资源量不及2200立方米，仅为世界平均水平的1/4，同时由于我国水资源时空上分布不够均衡，形成了一定程度的地域和时域水资源短缺[2]。另一方面，由于大量的水体被废污水污染而造成的淡水资源短缺，我国存在着更为严重的水质性缺水危机，有超过80%的污水没有经过任何处理直接排入河流等水域，这使得有超过1/3以上的河段遭到不同程度的污染且有90%左右的城市水域污染严重[3]。中国将成为严重缺水的国家，这将对中国经济的持续发展有直接影响，并有对人们的

3、身体健康产生危害。随着人们对环境保护的认识不断地提高，对地面水以及工业废水监测日趋重视，同时政府对于水污染治理工作的力度在逐年的加强等一系列的原因使得水环境监测工作的要求越来越高[4]。水质监测在水体污染防治和水环境保护中起着举足轻重的作用，但是，我国目前在水质监测实际工作中所采用的大量监测方法已经不能有效地满足不断发展的环保事业和社会需求，急需将现代的信息技术融入到水质监测当中。如今的水质监测项目一般通过在沿河流域布置不同的水质监测站进行固定的水质监测，这种建站方式使得站点数量少，采样分析时间长

4、，建站的成本比较高。同时由于监测站点成本的制约和点状分布方式等特点使得水质监测的对象通常局限于某一河段的一些重点区域，这种监测方式使得监测对象过度单一从而制约着研究人员对河流体系的整体中各种监测参数进行大规模的收集进而对流域缺乏综合的了解。数据监测的时间连续性方面，由于这种静态点的监测方式只能监测河流时间或空间上某一点的数据，无法多维度、连续、动态地在任何空间和时间尺度全面反映河流水质、水量随时间空间的变化从而也很难使研究人员把握水质与时空相关性的微观尺度和宏观尺度方面的变化。.1.2论文主要工作

5、为了提高水环境监测的自动化，使得水环境监测空间范围更广，时间连续性更强，同时保证监测数据的易于获取和分析。本文采用了无线传感器网络的方法来分析和实现水环境监测，并且充分针对水环境这一背景对无线传感器网络进行研究和设计。本文所做工作具体如下：（1）研究和设计基于CC2430芯片的无线传感器网络节点；（2）建立ZigBee信息传输网络并重点研究了水环境背景下的节点定位（3）建立了水环境监测后台服务系统对水环境监测数据进行存储、展示和分析并和ZigBee网络对接（4）建立了基于Android的水环境数据

6、查询终端（5）搭建水环境监测平台，对基于无线传感器网络的水环境监测系统进行功能验证。.第二章水环境监测系统网络通信技术2.1无线传感器网络体系结构无线传感器网络（bit/s并且两点之间通信距离为50~100m，适用于多媒体应用，但其本身的功耗大，实现成本高且安全性能低，这些特性使其在L的数据传输设计.......414.3水环境监测后台系统.......424.4本章小结......45第五章系统测试与分析.........465.1系统测试环境.....465.2测试步骤与分析........4

7、75.3本章小结......52第五章系统测试与分析5.1系统测试环境本原型系统测试的传感器节点如图5.1所示，为了使得节点能够漂浮在水面上，如图5.2将这些节点安装在底层配重的球壳中同时将传感器节点的通信天线竖直于球体之外以得到较好的通信效果。正如本文第三章中硬件设计所提出的，为了提高传感器节点能耗效率以及平衡器传输功率，基于无线传感器网络的水环境监测系统中传输模块由两块传输芯片组成，分别为CC2430以及CC2591。传感器节点RF测试时利用了来自德州仪器的RF工具套件，如图5.3所示的两幅图

8、分别为CC2430单独工作以及CC2430和CC2591协同工作的两种传输模块在距离1.2米所得到的RSSI值。CC2430单独工作时，RSSI的强度为-38dBm，而和CC2591协同工作时其RSSI强度为-26dBm。实际环境测试时，CC2430单独工作信号可靠，并且能够保证在300m远的距离能够100%的成功传输数据且没有产生丢包现象，CC2591与CC2430协同工作时能够将传输距离提高到600m。.总结针对水环境监测当中监测范围小、监测时间连续性不佳以及监测信息自动化不足