CN101122786A - 无线多参数在线环境监控装置 - Google Patents

Abstract

无线多通道环境监控装置是一种无线多通道环境监控装置，为大面积环境监控(土壤、水、大气)提供***设计和实施的方法，该监控装置中，流动注射采样电路(1)的输出端分别接第一电化学传感信号电路(2)、温度/光学传感信号电路(6)的输入端，电化学传感信号电路(2)、第一采样控制与保持电路(3)、第一A/D数据转换电路(4)顺序串联连接，温度/光学传感信号电路(6)、第二采样控制与保持电路(7)、第二A/D数据转换器(8)顺序串联连接，第一A/D数据转换电路(4)、第二A/D数据转换器(8)的输出端分别接单片机处理器(5)的输入端，单片机处理器(5)、无线数据传输电路(9)、无线数据接受电路(10)、数据库和数据处理电路(11)。

Description

无线多参数在线环境监控装置

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点组成的无线信息传输网络，在军事、工业、环境、生活等诸多领域具有广泛的用途，是目前国内外研究开发的热点之一，对国民经济发展和国防建设都具有重要意义。

技术领域

典型的无线传感器网络由众多传感器节点和一个或多个信息收集节点组成。传感器节点通过传感器，采集所需的信息，并无线发射出去；无线发射的信息一般需经过多个传感器节点的转发，即以多跳的传输方式，到达信息收集节点；在网络中，相似的信息还将被合并、融合，以减少网络的负荷。

与自组织(Ad Hoc)网络类似，无线传感器网络一般没有固定的网络结构，可以根据需要，随意布置传感器节点，然后由传感器节点自行组成网络。但与典型的Ad Hoc网络相比，无线传感器网络的节点数量更大，节点的成本和功耗的要求更严格，节点的移动性一般较小。

在国外，由于军事应用等的需要，无线传感器网络近年来发展较快，在传感器、无线通信、网络协议设计、信息处理数据库等方面，都取得了较大发展，构建了不少无线传感器网络实验***，并扩展到其它各个领域，逐步走向实际应用。在国内，无线传感器网络也得到了广泛关注和深入研究，在国家863计划等的支持下，国内很多高校和研究机构都进行了有关研究，取得了丰富的研究成果。

无线传感器网络的设计与应用的相关性非常密切，一般需要针对不同的应用进行设计和优化，任何解决方案都难以满足所有的应用需求。因此，无线传感器网络的研究内容非常丰富，研究空间很大。国内的应用环境一般与国外的应用环境不尽相同，不能完全照搬国外的解决方案。特别是对关系国计民生的重要应用，只有通过自主研发，才能获得最优的解决方案和自主知识产权的研究成果。

无线传感器网络的一个重要应用领域是水质监测。目前，国内水质监测方面一般仍沿用传统的方法，即通过设置水质监测站，对水质进行定点采样和实验室分析，覆盖面有限，需要大量人力的介入，并且数据获取、分析的实时性不高。使用大规模水质监测无线传感器网络，能够对水质进行全面、实时的自动监测和分析，对水体质量状况进行科学的整体评价和预测，对水环境保护和治理，以及国民经济的发展具有重要的意义。

特别地，在大面积湖泊中蓝藻水华的实时监测与预警方面，应用无线传感器网络，能够全面、显著提高监控的准确性、科学性与有效性。通过各种传感器，能够采集到湖泊中各种与蓝藻生长和爆发有关的化学元素和环境参数等的变化，以及湖泊的各个区域的不同情况；通过无线传感器网络，能够将这些信息通过无线的方式，实时、准确地传输到信息收集节点进行分析，无需人工的干预；而信息收集节点的信息分析***，能够对收集到的海量信息进行实时分析和处理，实现蓝藻水华预警，为蓝藻控制决策提供科学依据。

发明内容

技术问题：本发明针对目前的环境检测的需求，提供一种无线多参数在线环境监控装置，为大面积环境监控(土壤、水、大气)提供***设计和实施的方法。

技术方案：本发明的无线多参数在线环境监控装置中，流动注射采样电路的输出端分别接第一电化学传感信号电路、温度/光学传感信号电路的输入端，电化学传感信号电路、第一采样控制与保持电路、第一A/D数据转换电路顺序串联连接，温度/光学传感信号电路、第二采样控制与保持电路、第二A/D数据转换器顺序串联连接，第一A/D数据转换电路、第二A/D数据转换器的输出端分别接单片机处理器的输入端，单片机处理器、无线数据传输电路、无线数据接受电路、数据库和数据处理电路。

电化学电极在单片机处理器提供各种电压扫描模式给电极，于是电极的信号通过跟随器输出数据采样保持模块，数据采样保持模块的数据连接到A/D采集板的输入端(可以采用通用的21位的数据采集模块)，为了完成通道的选择，可以在采集模块进入单片机输入前加入数据缓冲模块。同样的方法，温度传感器的数据也采集到数据采集模块。单片机完成数据的扫描和采集后，经过处理，转换成相应的浓度和温度数据并按照无线传输模块的协议进入数据传输的缓冲模块，通过接受总控终端给数据发送模块提出发送需求，发送模块将数据打包发送。同时，数据接送模块按协议的格式将数据接受，并输出到总控软件的文件输入单元，通过总控显示，将接受的数据显示在总控界面上。传感器测定环境中的多组分，并通过无线传输到会聚服务器，构成环境监控的信息***。

有益效果：本发明中，针对所需实现的无线传感器网络具有节点数量大、总体数据量大、但每个节点每次发送数据量较小的特点，提出在分布式网络结构中、用伪随机接入的机制代替常用的RTS/CTS机制，避免RTS/CTS帧本身的碰撞所带来的网络资源的消耗，提高网络能量利用效率。并在此框架之下，研究MAC层协议的公平性问题、服务质量(QoS)保证机制与实现方法、与物理层和网络层的联合优化设计、以及协议的高效实现技术。需要重点解决的问题是设计高效的节点休眠机制，既降低节点的能量消耗，又不显著影响网络功能的实现。解决的途径是在伪随机接入中，设计有效的分布式资源预留机制，使得各节点能够有序地利用网络资源。

本发明中，针对网络规模大、分布广、节点功能多样(网络中包含为采集不同信息而设置的不同节点)等特点，采用分层的网络结构，通过设置少量功能较强的路由辅助节点，在网络中引入一定的层次与确定信息，提高路由协议的实现效率。

在现有比较成熟的检测技术基础上，通过将多个传感器集成，开发低成本、可废弃、甚至可生物降解的低成本传感器阵列，满足大面积国土水资源的实时监测。

附图说明

图1是无线多通道环境监控装置框图，

图2是无线多通道在线环境监控装置的设计框图，

图3是电化学传感信号电路原理图，

图4是PH监测电化学主板设计电路图-A，

图5是PH监测电化学主板设计电路图-B，

以上的图中有：流动注射采样电路1、电化学传感信号电路2、第一采样控制与保持电路3、第一A/D数据转换电路4、单片机处理器5、温度/光学传感信号电路6、第二采样控制与保持电路7、第二A/D数据转换器8、无线数据传输电路9、无线数据接受电路10、数据库和数据处理电路11。

具体实施方式

本发明的无线多通道电化学在线环境监控装置，其组成有多通道的多组分电化学传感器模块、光学传感器模块、无线传输模块等几部分构成。传感器包括环境水溶液水质氮、磷、氯、溶解氧含量快速测量装置。该装置拟采用基于的离子选择性电极为传感器和采用基于流动注射分析***(FIA)的微流控***来实现流体传输控制。利用离子选择性电极为工作电极，结合参考电极以及辅助电极构建一个三电极电化学分析***，并采用循环伏安法进行电化学分析。光学传感器模块采用数字摄像测量叶绿素和光纤浑浊度指标。

一、传感器的设计

1、集成式传感器阵列

目前市场可以获得的综合水质分析仪多为较大型的***。目前达到国家标准的水质在线检测方法有很多种，这些方法同传统检测方法相比具有低成本、全自动、实时等优点，但这类大型仪器成本很高，不适合大面积多位点监测。

在现有比较成熟的检测技术基础上，通过将多个传感器集成，开发低成本、可废弃、甚至可生物降解的低成本传感器阵列，满足大面积国土水资源的实时监测。

这些传感器均可以集成到可生物降解材料的基片上，形成无废弃物的远程检测网络。传感器将微流体技术同传感技术结合，采用高灵敏电流、电势测量电路，达到在微升体积液体范围内测量上述水质指标，检测***集成到芯片尺寸，利用现有片上实验室技术，形成微量液体高灵敏检测。高锰酸钾、COD、BOD、NH3-N、总氮、总磷等检测精度达到国家一类水标准。传感器采用低功耗技术，传感单元功耗低于2瓦。传感器得到的多项分析信号通过放大、数字化、存储，可以传送到通信模块进行远程传送，

2、分布式传感网络的设计与优化

科学地设计传感网络的结构，可以较低的成本得到最大的信息。在整个太湖流域的基础上，考虑水文、地理，如面积、流速、水力停留时间、容积、水深和岸线系数等因素的情况，借助适当的理论与技术合理地安排传感器的布局对本项目的成功具有重要意义。

3、传感器驱动***

该***提供与集成式传感器阵列和无线传输***的接口，具有自检、提供驱动电源、D/A、A/D转换的功能，是传感***的管理核心，能够对信息的采集、传输进行控制。并使传感***具有良好的扩展性与可维护性。

4、传感新技术开发及应用

水体污染与富营养化是一个复杂的问题，涉及多种多样的化学与生物物质。除了一些常规的检测项目外，开发适合于一些特征性或指标性的物质或参量的现场自动监测技术也十分必要。例如：1)持久性环境污染物(POPs)的检测：根据二恶英类化合物及其他有机氯类、有机氮和磷类环境污染物等的致毒作用机制，构建基于功能纳米材料的相关环境污染物检测器件和生物芯片；2)富营养化水体及蓝藻生长相关因子传感技术：藻类水华出现的速度非常快，这使得表观现象上看是瞬时的“爆发”，但是经过数十年的研究，目前的观点认为它并不是在短时间内以极快的速度生长所致，而是藻类生物量在水体中的一个逐渐发展与形成的过程，引起爆发的前提是水体中已经存在较大的藻类生物量，只是在环境适宜条件下，在较短的时间内形成“水华”，引起爆发。目前多数研究认同蓝藻水华的形成一般是由蓝藻本身的生理特点以及温度、光照、营养盐、其它生物等诸多环境因素所引发的，但尚不明确诱导水华的主导因子，因此需要发展与水华消长相关的因子传感技术，从多角度进行监测，并对各因素的联合作用进行分析

二、大容量、大范围现场监测信息的实时快速传输网络与控制***；

传感器***采集到的信息通过无线传感器网络发送到信息收集节点的服务器，进行信息的处理与应用。无线传感器网络的设计与应用密切相关，在本项目中，需要实现广域、多节点、较长单跳通信距离的实时信息传输网络，将主要从物理层无线通信技术、媒体接入控制(MAC)层和网络层进行研究、设计与实现。

1、物理层无线通信技术

目前，用于无线传感器网络的物理层无线通信技术已较为成熟，Chipcon和ADI等公司都已推出无线传输距离数百米、无线信息传输速率数百Kbps的商用芯片，能够满足大多数低成本、低功耗的无线传感器网络应用。

无线传感器网络中，传感器节点的位置信息非常重要，一般情况下，传感器采集到的信息必须与位置信息相结合，才有使用价值。本项目中，将主要在无线通信定位技术方面进行深入的研究。实现方法之一是采用全球定位***(GPS)进行定位，但由于成本、功耗等的限制，还只能在部分节点上实现。本项目中，将研究基于超宽带(UWB)技术的测距和定位技术。传统的UWB技术一般应用于短距离无线通信，但本项目中，将研究改进的基带脉冲UWB无线通信技术，能够达到较大的无线通信距离、并具有较高的测距精度。在定位技术方面，还将研究基于多维尺度扩展(MDS)的全局优化定位算法，在已有的MDS算法基础上，针对锚节点分布不均匀、测距误差较大等情况进行改进，并研究测距信息的高效传输方式，以方便在服务器进行集中处理、获得定位结果。

2、MAC层协议设计

MAC层协议所要解决的问题是如何在单跳范围内，在多个网络节点之间共享无线资源。在无线传感器网络中，因为节点一般用电池供电，能量非常有限，所以提高能量利用效率、降低能量消耗成为MAC层协议设计的首要优化目标之一。

现有的无线传感器网络MAC层协议一般采用时分复用(TDMA)的方式在多个节点之间分配资源，即不同的节点在不同的时隙中发送信息，并通过请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制进行时隙的预留，避免冲突和碰撞。

可以采用中心控制式和分布式两种网络结构，其中分布式结构无需固定的网络拓扑结构和中心控制节点，网络功能分布在各个节点中实现，较适用于无线传感器网络。

本项目中，针对所需实现的无线传感器网络具有节点数量大、总体数据量大、但每个节点每次发送数据量较小的特点，提出在分布式网络结构中、用伪随机接入的机制代替常用的RTS/CTS机制，避免RTS/CTS帧本身的碰撞所带来的网络资源的消耗，提高网络能量利用效率。并在此框架之下，研究MAC层协议的公平性问题、服务质量(QoS)保证机制与实现方法、与物理层和网络层的联合优化设计、以及协议的高效实现技术。需要重点解决的问题是设计高效的节点休眠机制，既降低节点的能量消耗，又不显著影响网络功能的实现。解决的途径是在伪随机接入中，设计有效的分布式资源预留机制，使得各节点能够有序地利用网络资源。

3、网络层路由协议设计

网络层的路由协议实现信息在多跳网络中的传输。因为节点可能因为能量耗尽而停止执行网络功能，因此，即使节点是静止的，无线传感器网络的拓扑结构也会经常发生变化；在无线传感器网络中，一般还需要在信息传播时进行信息的融合，即合并相似的信息以更高效地传输；另外，无线传感器网络中的节点一般不具备常规网络中路由器的信息存储和处理能力。这些特点给无线传感器网络的路由协议设计提出了挑战。

国内外已进行的研究中，已提出了多种无线传感器网络路由协议，如SPIN协议和Direct Diffusion协议等，较好地解决了无线传感器网络的路由问题。但所提出的协议都具有一定的适用性，不能完全适用于本项目的应用环境。因此，本项目中，将针对所要实现的应用，在已有协议的基础上，设计新的路由协议。

本发明中，针对网络规模大、分布广、节点功能多样(网络中包含为采集不同信息而设置的不同节点)等特点，采用分层的网络结构，通过设置少量功能较强的路由辅助节点，在网络中引入一定的层次与确定信息，提高路由协议的实现效率。

根据本发明，太阳能供电模块由太阳能电池板、DC/DC转换、蓄电池等构成。太阳能的供电通过转换芯片驱动数据采集芯片和采样保持芯片以及单片机芯片。

根据本发明，无线传输采用自动发射和接受模块，采用软件控制采集或自动采集发送的方法，数据在主机上显示、报警。

电化学传感器的信号提取电路设计如图3。信号发生器产生信号的扫描信号通过平衡电路加到参比电极和对电极、工作电极上。工作电极产生的信号由电流/电压转换器输出到记录信号端。在我们的设计中，信号输出到采样保持电路的输入。

单片机处理器IC1的输入/输出信号与数据缓冲器IC5、IC6相连，CCD信号通过型号为MAX232的芯片输出，与无线传输芯片相连。

流动注射采样电路1的4-20mA的输入/输出与型号为4053的多路转换模块IC14连接，通过多路转换模块IC14直接与第一采样控制与保持电路3、第二采样控制与保持电路7组成的A/D采集模块相连。

装置的工作示例如下：

流动注射采样电路将太湖水抽取到检测池，电化学电极在单片机模块(8098/MS51)提供各种电压扫描模式给电极，于是电极的信号通过跟随器输出数据采样保持模块，数据采样保持模块的数据连接到A/D采集板的输入端(可以采用通用的21位的数据采集模块)，为了完成通道的选择，可以在采集模块进入单片机输入前加入数据缓冲模块。同样的方法，温度传感器的数据也采集到数据采集模块。单片机完成数据的扫描和采集后，经过处理，转换成相应的浓度和温度数据并按照无线传输模块的协议进入数据传输的缓冲模块，通过接受总控终端给数据发送模块提出发送需求，发送模块将数据打包发送。同时，数据接送模块按协议的格式将数据接受，并输出到总控软件的文件输入单元，通过总控显示，将接受的数据显示在总控界面上。

Claims (3)

1.一种无线多通道环境监控装置，其特征在于该监控装置中，流动注射采样电路(1)的输出端分别接第一电化学传感信号电路(2)、温度/光学传感信号电路(6)的输入端，电化学传感信号电路(2)、第一采样控制与保持电路(3)、第一A/D数据转换电路(4)顺序串联连接，温度/光学传感信号电路(6)、第二采样控制与保持电路(7)、第二A/D数据转换器(8)顺序串联连接，第一A/D数据转换电路(4)、第二A/D数据转换器(8)的输出端分别接单片机处理器(5)的输入端，单片机处理器(5)、无线数据传输电路(9)、无线数据接受电路(10)、数据库和数据处理电路(11)。

2.根据权利要求1所述的无线多通道环境监控装置，其特征在于单片机处理器(5)IC1的输入/输出信号与数据缓冲器IC5、IC6相连，CCD信号通过型号为MAX232的芯片输出，与无线传输芯片相连。

3.根据权利要求1所述的多组分电化学传感器，其特征在于流动注射采样电路(1)的4-20mA的输入/输出与型号为4053的多路转换模块IC14连接，通过多路转换模块IC14直接与第一采样控制与保持电路(3)、第二采样控制与保持电路(7)组成的A/D采集模块相连。

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