基于物联网技术成都沙河水质实时监测系统设计

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1、基于物联网技术成都沙河水质实时监测系统设计　　摘要：针对流经成都市的沙河流域传统水质监测取样难、成本高等问题，设计了一种包括无线传感、ZigBee等物联网技术的水质实时监测系统，实现了对水质中重金属、PH值、温度、水位、浊度等多参数的远程监测。该系统可以实时感知到当前的水质数据，并可以在发现污染源后及时提供水质预警。关键词：实时监测；物联网；无线传感；ZigBee中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：2095-1302（2013）06-0016-040引言物联网是在互联网的基础上实现传感信息技术、通信技术和计算机技术三者为一体的智能网络。由于具有这三者的特

2、征，物联网的应用领域非常广泛，如工业、农业、军事、环境、交通、物流、医疗、电网、学校等，且具有成本低和实时监测功能等优势。沙河是流经成都市的主要河道，属岷江水系，起于成都市北郊洞子口，向东南流约3km又分洗瓦堰、砖头堰。洗瓦堰是沙河干流。1954—1957年，在原有小沙河的基础上改造和扩建而成了全长22.223km，河道最窄处15.69m，最宽处55m，平均水深4m的穿城河。该河现有11座水闸，3座跌水坝及3座小型发电站。近几年，岷江中游及沱江支流水质污染仍然严重。特别是沱江、岷江流经成都部分断面水质较差，以Ⅴ类（较差）和劣Ⅴ类（污染严重）为主。在近几年治理沙河的

3、过程中，传统的水质监测取样也凸显出不足的地方。事实上，传统的水质监测取样是在监测点水体中进行人工取样，装瓶加入试剂固定后送实验室进行分析，因而耗时长、步骤复杂、样品不易保存。如遇到上游水体被污染的情况，传统的水质监测手段往往不能及时监测到污染情况，使得下游的农业用水以及城市用水面临水源短缺的情况。水质监测的实时性有待提高。1系统总体设计9由于传统水质监测存在取样难、不能实时监测、费时费力等不足，本设计在河段关键点（如闸门、工厂等）布置多个水上节点（水质参数采集节点、远程视频采集节点、ZigBee+GPRS无线网关）。对于本设计中的流经成都的岷江支流之一的沙河，可在

4、沙河源头北郊洞子口、东郊供水渠道洗瓦堰、中上游的三洞古桥公园、中游的麻石桥和电子科大、下游的塔子山公园和东篱翠湖公园以及河流流经的水闸、水坝、电站、工厂等沿河流布置相应数量的节点。图1所示是沙河中上游的重要节点分布图，图2所示是沙河中下游重要节点分布图。通过水质参数采集节点可实时采集PH值、水温、水位、重金属含量、浊度等水质参数，并通过ZigBeeEndpoint（节点）上传给无线网关的ZigBee协调器，再由后者经串口送入GPRS传送到服务器；同时通过3G视频摄像机采集水面视频信息，由3G方式送入（移动）服务器。运行于服务器上的信息管理系统将对数据进行统计、分析

5、，并根据饮用水用水的管理要求实时预警。管理人员则可通过平板电脑、PC等方式获取实时水质数据。图3所示是基于物联网的沙河水质实时监测系统的设计结构图。2感知层设计方案除了常见的温度、PH值、溶氧、水位等传感器，因为本设计是针对河流水质监测，所以还应有重金属、有机物传感器。9水体污染的化学成分主要有酸碱等无机物、重金属（汞、镉、铬、铅等）、氰化物（如HCN、NaCN）、有机化合物、放射性污染等。这些参数可利用光纤化学传感器来检测。光纤化学传感器是近几年出现的新型器件，它的工作原理如图4所示，光源发出的光经由光纤进入调制区（固定有敏感试剂），被测物质（如重金属离子污染物

6、的水体）与试剂作用会引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学特性发生变化，被调制的信号光经过光纤送入光探测器和一些信号处理装置，最终获得被测物的信息。以水体环境中的镍离子污染检测为例，利用了镍的水合离子在可见光区有3个吸收峰的吸光度值，通过射频单元与其他节点进行无线通信，从而实现镍离子的污染监测。光纤化学传感器操作简便、快速、便携，具有响应快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小、功耗小、耐高温与腐蚀等特点。采用接触式的热电偶温度传感器可与水流直接接触，具有较高的测量精度，相比非接触式温度传感器，成本更低。PH传感器是通过检测被测物中氢离子浓度来达到监测水质PH

7、值的目的，并且转换成可输出的信号。可采用贝尔公司的T255或T335PH传感器，可针对废水污水、电镀废水等多种场合的测量。LC-SW1型水位传感器能将被测点水位参量实时地转变为相应电量信号，具有精度高、稳定性好的特点。WQ750水质浊度传感器使用光学测量法，可靠测量水质浊度。浊度传感器主要布置在闸门等关键地点。本设计采用的PH、水温、浊度、重金属、水位五类传感器均可通过RS485总线接收来自外部MCU的控制指令，然后返回测量原始值、温度值、工程值等三个参数，因而可以大大简化感知层的设计工作。传感器节点结构如图5所示。其中ZigBee媒体接入层采用的是IEEE802

8、.15.4