利用无线传感器网络技术监测大型水域水质的系统

本文介绍了一种适用于偏远河流、湖泊、沿海地区等水体的低成本、实时水质监测系统。该系统的主要硬件由现成的电化学传感器、微控制器、无线通信系统和定制浮标组成。它可以在预先设定的时间间隔内检测水温、溶解氧和pH值。开发的原型通过定制的基于web的门户网站和预先注册的移动电话以图形和表格格式传播收集到的信息，以便更好地为相关最终用户服务。为了检验系统的有效性，对浮标在恶劣环境条件下的稳定性、系统能耗、数据传输效率和基于web的信息显示进行了仔细的评估。实验结果表明，该系统具有良好的应用前景，可以为利益相关者提供及时、相关的信息，为决策提供依据。

如今，水被认为是地球上最稀缺的自然资源之一。1］．它对人类、动物和植物都很重要。2］．水可以是生命和健康之源，也可以是疾病和死亡之源，这取决于水的质量。近年来，由于发展、人口增长和气候变化带来的环境恶化日益严重，研究人员需要研究其对环境的负面影响，特别是对水源的负面影响及其影响。海洋、湖泊和河流的水污染日益严重，引发了世界范围内对环境监测系统的更先进方法的需求，特别是在水质监测领域。此外，像菲律宾这样的发展中国家依赖于收集水样和水分析的传统方法。由于缺乏技术知识和初期投资巨大，水质分析通常采用常规程序或使用便携式测试仪进行，这不仅昂贵和费力，而且缺乏实时数据采集、分析和快速传播收集到的信息的能力，而这些对有效的水质监测工作至关重要。

该无线传感器网络(WSN)适用于偏远地区监测水的物理和化学特征，成本较低，并可减少人力需求[3.］．可用于水质监测[4]它有许多优点，如便携性[5]以及接近实时的数据采集和数据记录能力[6］．它在研究团体中广受欢迎，包括环保主义者[7]到嵌入式系统社区[8］．然而，与陆基WSN应用相比，水生区域的WSN应用更具挑战性[9]因为它的电子元件对水甚至潮湿的入侵是零容忍的。

基于wsn的环境监测应用已应用于水质监测等应用[4，10，11，12]、水质化学监测[8]、水动力性能监测[9]，灌溉[13]，以及农业[14］．其他的研究集中在过去几年的应用中增强传输、电力收集和管理以及环境适应性。徐等。[15]指出，以往的传感器网络部署大多集中在室内环境和模拟研究，限制了其利用和应用，特别是在实际应用中。

另一方面，溶解氧(DO)、pH值和温度被认为是最常见的水质参数[16]，被认为是确定某一水域实际物化状况的重要水质参数之一[17］．测量某一地点水的碱性或酸性可以通过测量pH值[18]这使得pH值成为最重要的水质指标之一。pH参数由于涉及极少量的离子浓度，难以精确测量，因此需要灵敏的传感装置进行检测[19］．温度是对水质最常见的物理评估，因为这些参数会对其他参数产生影响，如水生植物的光合作用、这些生物对污染、寄生虫和疾病的敏感性[20.］．溶解氧是评估水质的重要参数，因为它会影响生活在水体中的生物[21］．溶解氧含量过高或过低都会伤害水生生物及影响水质[22］．

因此，本研究将特别覆盖大水域监测，重点利用WSN技术，将DO、pH和温度作为水质指标。此外，全球移动通信系统(GSM)将使用Tseng等人使用的相同方法将感知数据从汇聚节点传输到基站。[23］．我们的目标是开发水质监测系统部署，为没有水质实验室的偏远地区提供可行的解决方案。它的主要优势将是实时监控的能力。我们的目标是部署一个可重复、可扩展、可长期独立运行的系统，并可应用于偏远地区。

为了设计本研究提出的水质监测系统，本节将讨论所使用的传感器和系统设计。

传感器

可用性、可负担性和与基于arduino架构的兼容性是选择Atlas Scientific品牌水质传感器的主要原因。Atlas Scientific是一家美国公司，拥有多年制造高性能水质传感器的经验，广泛应用于科学项目[24，25，26］．温度、pH和DO传感器(电极)通过各自的接口电路连接到微控制器。

系统设计

该系统的设计和实现以监测水质(DO，温度和pH值)为主要目标，考虑到该系统:1)适用于大型水域;2)可以实时测量和存储数据库中的信息[27];3)有一个机制系统，及时向系统的管理者或主管部门和用户发出通知。该系统最重要的功能是确保从传感器收集的数据反映实际的水生场景，并将数据以在web上显示的信息或以短消息服务(SMS)的形式及时发送给预先识别的关键用户。这是为了提供一个平台，以便迅速传播信息和迅速制定适当和立即的反应。例如，当通过短信及时报告到达关键用户时，该用户可以立即识别监测水质参数值的突然变化，从而为可能实施的活动提供足够的提前时间，以最大限度地减少(如果不能消除)风险和损害。

因此，本系统的设计主要提供以下功能:1)数据采集和存储[28];2)数据传播和显示(图表、图表和数据表)[29，30.];3)更长的测量周期的电源管理[31];4)管理员维护界面。系统概述如图所示。1．

软件配置

数字2显示拟议水质监测系统运作的系统流程图。在实现一个节点时，系统将初始化SD卡和实时时钟(RTC)。它还将准备GSM模块进行数据传输。几秒钟后，系统将开始通过板载电极收集数据(pH值，DO和温度)。数据将使用GSM收发器发送到基站或预先识别的手机号码。同时，数据将以与基站相同的格式作为备份数据存储存储在RTC中。在没有GSM信号的情况下，数据将自动保存到RTC，并准备传输到位于基站的数据库。通过RTC传输和备份数据后，系统将自动关机，等待30分钟的时间间隔，以节省能源。一个单独的定时器电路将唤醒传感器，如果它达到所需的时间间隔30分钟。这样循环下去，直到完成所需的任务为止。

在紧急情况下，管理员可以更改30分钟间隔，或者需要使用管理员界面通过服务器的SMS命令在30分钟间隔之间收集数据。这有助于利用二次电池的能量为传感器和汇聚节点节省能量，从而增加传感器的寿命，降低电池更换的维护成本。

在服务器端，它有一个用户友好的界面，提供实时更新的感测值DO，温度和pH值。它提供了易于监测覆盖区域异常情况的图表。它还可以为研究目的提供数据表和pdf文件。3个参数的实时值也将通过短信发送到一些相关人员的预定义手机号码。这将为应对这3个参数的突然变化提供提前时间，如果不立即做出反应，可能会造成灾难性的后果。

无线通信

来自传感器节点的传感数据以无线方式中继到汇聚节点或直接中继到服务器。在这项研究中，现成的无线发射机和接收机模块与GSM模块一起用于长距离通信，ZigBee协议用于集群(短距离)或节点对节点通信。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准，在10 ~ 100米距离内的数据速率可达250kbps。低功耗是选择Zigbee而不是其他短距离通信系统协议的主要原因，这也是本研究的主要关注点。本研究仅使用了最简单的ZigBee设置(传感器节点到下沉节点)，以减少安装和操作的复杂性。汇聚节点使用Arduino (Antenova- GSM Shield 2)内置天线的GSM模块无线连接基站服务器或发送/接收短信。它将通过研究地区当地电信公司(TelCos)基础设施的现有GSM网络将数据传输到服务器。这也将方便发送短信到一个预定义的电话号码。

传感器节点

传感器节点收集和预处理来自电极的数据，并将数据发送到汇聚节点，使其成为水质监测系统(WQMS)原型的主要构件。传感器节点是商用电极、微控制器、Zigbee收发器和电源。在这个原型中，使用了三个用于测量温度、pH值和DO的传感器来提供水质的一般特征，但如果需要，可以根据传感器的数量进行扩展。

射频收发器将水质参数(pH值、DO和温度)值、时间和日期传输到汇聚节点或直接传输到基站。使用Atlas Scientific提供的校准解决方案，对传感器进行校准，以确保正确的操作和得出的水质参数值的准确性。Arduino Mega 2560微控制器是一个基于灵活、易于使用的硬件和软件的开源电子原型平台，用于获取和预处理收集到的数据。一个紧凑的记忆卡被用作所有收集到的数据的备份存储。它使用电池为节点内的传感器和其他电子设备供电。数字3.(右图)显示了传感器节点的硬件架构。

汇聚节点

如图所示，Sink节点基本上是一个传感器节点，具有使用GSM模块向长距离发送数据的能力。3.(左图)。汇聚节点为节省长时间运行的能量，在等待执行预编程的活动(如数据采集、接收传感器节点的数据、向基站发送数据和接受管理员的命令)时，始终将汇聚节点设置为休眠模式。汇聚节点安装全套电子元器件，可独立运行，可部署在偏远地区。它使用与传感器节点相同的电池供电，但由于GSM模块功耗较高，必须使用太阳能作为能量采集器。GSM模块和太阳能电池板的存在是接收器与传感器节点在物理外观和操作上的主要区别。

数据存储和可视化

该系统被设计成以三种可能的方式存储数据:a)在预先分配的移动电话号码中进行短期数据存储;b)在包含数据库和控制中心的基站，c)使用机载安全数字(SD)卡记忆模块，作为所有单独传感器单元的备份存储。所有数据将在基站中进行整理。在传输失败或GSM信号缺失的情况下，可以从板载SD内存模块中提取数据。采集到的数据在SD卡上按日期排列，便于检索，并可以excel格式打开。在基站，所有数据及其时间戳都存储在基于多线程、多用户MySQL服务器格式的数据库中。在水质参数值中添加日期和时间，便于在web上查询和显示。

浮标和能源系统

与陆地或非水生应用相比，用于水质应用的传感器网络的设计、实现和部署带来了额外的问题。这是由于水分和水对电子元件的影响，因此漂浮或浮标在本研究中具有相关的重要性。浮标由一根直径750厘米、高近250厘米的橡胶管组成。管子的侧面用薄铝包裹，以防止坚硬或尖锐的漂浮物质。电子设备和电池位于浮标顶部的一个尺寸为15 × 15 × 10厘米的防水盒中。

能源是WQMS需要考虑的一个重要问题，为位于偏远地区的传感器节点供电的唯一可行方法是使用电池。系统采用6v /3.5安培小时(Ah)的铅酸电池为节点供电。该电池具有较长的寿命和优良的长期和自放电率。能量收集系统由浮标顶部的一块10瓦太阳能电池板组成，这也起到了额外的保护作用。它不断地为电池充电，以保存其能量，以便持续监测。

施工及安装

要成功建造及安装适用于大面积的水质监测系统，浮标的稳定性等重要因素[32]、能源来源及管理[33]，使用射频收发器传送数据[34]，并考虑了传感器灵敏度和坚固性。

如图所示，为了保证浮标内部的电子材料和元器件的安全，需要浮标的稳定性。4．通过浮标安装在现场的WQMS经历了环境的突然变化(平静到暴风雨天气)，因此该系统的设计即使在不利的大气条件下也具有稳定性。采用水封、保护漆和防水胶合板。一个轮子的内部与一个普通的表作为侧盖作为浮动材料。此外，还引入了锚固系统和浮动机构保护，以抵御开阔地区的恶劣天气。在一次估计风速为每小时95公里的热带气旋发生时，在公海上测试了浮标的稳定性⁻¹．经过24小时的降雨和强风，浮标仍然保持在其位置上，没有检测到重大损坏。

WQMS大多部署在偏远和难以到达的地区，因此，更换传感器电池的成本很高。此外，长距离无线通信系统采用GSM模块，能耗较高。为了解决更换电池的成本问题，本项目选择了高容量电池，实施了能源管理系统，并安装了使用太阳能发电系统的能量收集系统。一种电源管理系统，其中系统在空闲时间(无活动)处于off状态，仅在数据收集和传输期间处于on状态，可以显著增加电池的寿命。此外，它还实现了可充电电池，以实现收集能量系统的集成。本研究采用6 V/3.5 Ah铅酸电池。汇聚节点安装了10 W太阳能电池板，以解决必要的额外能源。

射频数据传输对系统可靠性影响很大。数据的缺失、增加或不一致可能对数据完整性和整个系统的有效性产生不利影响。监测系统所有重要数据的利用，必须保证数据传输的高可靠性。一种无天线GSM和Xbee收发模块被考虑解决海水和河水水分的腐蚀性问题。

电极作为传感器的灵敏度及其坚固性对WQMS的可靠性起着重要作用。传感器输出的微小变化将改变传感数据的值以及对该区域重要WQMS参数的感知。这方面的一个例子是pH值，其中非常少量的信号必须被电化学传感器检测和读取，作为工作电极和参考电极之间非常少量的电位差。这个非常小的信号将被转发到微控制器进行进一步处理。任何错误或微小的变化都将被放大(在接口电路中)，从而影响被测数据的值。为了获得可靠的读数，我们选择了Atlas Scientific的顶级“现货”电极，并使用Horiba品牌多参数测试仪进行了严格的测试和校准。

评估和实际测试结果

该系统部署在两条小溪中，为期两周，以验证浮标的稳定性和有效性、能量来源和存储，并验证无线通信系统的效率。在本次测试中，传感器节点与汇聚节点之间的距离设置为50m，另一个汇聚节点放置在另一个较远的小溪中，测试并验证汇聚节点的单机性能。因此，该系统能够通过使用带有实时时钟的待机模式应用程序执行预编程持续时间为30分钟的数据感知。传感数据通过XBee收发器发送到汇聚节点，汇聚节点将来自传感器节点的数据和其自身的数据进行聚合。这些数据集以SMS的形式发送到基站，用于数据库和转换为适当的格式，以便于数据显示和利用(图2)。5而且6)．相同的数据将被一些预先确定的手机号码接收，相同的值将存储在SD卡上。在发送数据后，传感器回到睡眠模式，以保存电池的能量，形成系统的另一个循环。在开启状态下的电流消耗约为550 mA，在睡眠模式下下降到15 mA。此外，太阳能电池板在运行过程中表现良好，提供了足够的能量，在晴天达到了6v的最大电量。在太阳能电池板的帮助下，通过对微控制器进行数据传感和传输的适当编程，汇聚节点(带有太阳能电池板)可以连续运行数月。

图表和表格形式的数据可以在网站上查看，如图所示。6．这可为管理层和相关人士提供足够的时间采取行动，以防止水质参数监测值大幅上升或下降而导致的事故。此外，这还可以提高问责制和透明度，因为所有利益攸关方都可以获得所收集的数据。

传感器效率评估

通过将其观测数据值与商业多参数水检测器Horiba®探头的数据值进行比较，还评估了传感器对DO、pH和温度的效率。这是通过在选定的采样点同时进行测量来实现的。

我们在这里列出表的读数1从开发的原型和Horiba®探头，以确定传感器的效率。水样结果表明，该方法的R值较好²两个数据集的线性图值，来自开发原型的读数和来自Horiba®Water Checker的读数。

我们可以从图中观察到。7传感器读数的DO产生了更好的R²值为0.9792，与pH和温度传感器的R²值分别为0.9731和0.9746。在表中也可以观察到2所研制的DO传感器与Horiba®Water Checker的DO检测值的平均差值为0.006。而在pH值方面，所开发的pH传感器与Horiba®Water Checker之间的差异为0.18。

挑战和建议

一些发达国家一直在使用实时WQMS来监测其环境和水资源，如美国地质调查局和欧洲水创新伙伴关系。对于发展中国家，实时世界质量管理系统的大多数活动都处于初级或试验阶段。鉴于实际实施所带来的经验，以下是遇到的一些挑战，以及对未来可能增强实时WQMS的建议:单个传感器和整个系统的可靠性和稳定性;能源及其管理以支持长时间部署;成本和可承受性。

温度的不断变化和进水等天气条件会影响电子元件的某些功能，因此在整个系统的设计阶段考虑这一点是非常重要的。一个设计良好的浮标可以容纳所有的电子元件，可以解决这个问题。此外，使用无天线收发器也是避免天线暴露在水和强风载荷下的一个考虑因素。

能源来源问题可以通过设计能量管理和高容量电池的利用来解决。锂离子电池容量比铅酸电池提高4倍，具有较高的电池寿命循环次数。太阳能能量收集系统已被证明是一种有效的能量收集机制，其快速充电能力非常适合具有高充电速率特性的锂离子电池。

成本和可负担性是在发展中国家广泛实施自动化WQMS的主要问题之一。这种不熟悉的技术的成本具有误导性，特别是在很少进行水质监测或根本不需要进行水质监测的地方。必须通过政府机构、有关私人实体和研究团体来改变和纠正这种观念，即必须定期和有效地进行水质监测。标准采样频率/间隔和水质监测方法将突出人工监测的更高成本(实验室设备的成本、高技能人员的工资和运输成本)，而不是成本低得多的自动化，并可能改变人们对自动化监测成本和效益的看法。此外，以下可以进一步降低自动化WQMS的成本:利用当地材料(浮标系统的材料)，利用当地研究人员组装他们自己的自动化WQMS，并使用最新的技术，如锂离子电池和更高效的太阳能电池板。

本研究开发了一种适用于大覆盖区域的低成本水质监测系统。它的适用性归因于它的长时间操作，灵活性和可重复性。它利用市售电化学传感器准确监测水质参数，并利用WSN和GSM技术在web上显示结果。这些传感器与标准实验室设置和Horiba®手持多重测试仪一起进行了测试，结果获得了高质量的结果。该系统可以通过网络实时显示结果，为覆盖区域的真实水质状况提供足够的信息。

该系统使用自主水面交通工具的覆盖范围正在不断扩大，以覆盖湖泊和其他水体等由于其对人类和自然的重要性而需要不断监测的大片区域。利用锂离子电池作为其能量来源和添加重金属离子作为感兴趣的参数也被考虑用于扩展研究。

我们感谢科学技术部通过其技术工程研究与发展(ERDT)计划提供的奖学金。我们也感谢卡拉加州立大学机器人、自动化和制造技术中心(CRAFT)提供的实验室空间和设备。

作者及隶属关系

1. 圣卡洛斯大学工程学院，宿务市，6000，菲律宾

   Alexander T. Demetillo, Michelle V. Japitana和Evelyn B. Taboada

2. 卡拉加州立大学工程与信息技术学院，菲律宾布端市，8600

   Alexander T. Demetillo和Michelle V. Japitana

贡献

AD进行了传感器原型设计，并起草了手稿。MJ进行传感器实现，并进行统计分析。ET参与了研究的设计、校对和定稿。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应到Alexander T. Demetillo．

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

出版商的注意

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