[发明专利]一种基于WSN的水质监测节点

说明书

技术领域

本发明涉及水质监测技术，更具体地，涉及一种基于WSN的水质监测节点。

背景技术

水资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一，水资源的可持续利用是社会、经济可持续发展的重要保证。近年来随着水资源的污染日益严重，水质监测作为水污染控制工作中的基础性工作，为水环境管理、污染源控制以及环境规划提供科学依据，其意义和作用也变得更加重要。

传统的自动化水质监测手段采用了有线自动监测系统。该系统利用传感器技术和嵌入式技术建造一个监测中心和若干监测子站，可实现水质数据的实时有效的自动采集和传输，同时监测中心可以实时查询各监测子站的数据。但该系统的数据传输需要有线网络，不适宜监测大面积水域，且维护成本过高。

WSN技术的高速发展和应用为水质监测提供了新的研究方向。WSN是将大量有感知能力、无线通信能力和计算能力的微型传感器节点采用规则或随机方式部署在监控区域，通过无线通信方式构成的自组织多跳的分布式网络。WSN的分布式网络通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点三大基本组成部分。部署在监测区域内的传感器节点通过自组织方式构成一个监测网络，将传感器节点获取的各种监测数据通过一定的路由方式集中到汇聚节点，汇聚节点通过互联网或其他网络转发数据到管理节点即用户终端。除了采集物理量数据之外，传感器节点通常还需承担路由节点的功能，转发别的传感器节点需要发送的数据。

WSN的数据采集网络依赖短距离无线通信技术实现传感器节点之间的数据传输。目前，各种短距离无线通信技术发展迅猛，应用广泛，比较成熟的有红外通信（Infrared Data Association，IrDA）、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等。其中，ZigBee技术是在IEEE 802.15.4协议标准的基础上发展起来的，是一种低功耗、低速率、低成本、低复杂度的无线网络技术，非常适用于构建WSN数据传输网络，目前已经成为绝大多数WSN系统的首选。

WSN集嵌入式技术、传感器技术、无线通信和现代网络技术、分布式信息处理技术等于一体，可以在任何时间、地点和环境下为用户提供大量详实可靠的信息。WSN具有成本低、组网灵活、对周边环境影响较小等特点。因此，利用WSN技术可以实现对水质的高效、快速、实时和远程监测。因此，基于WSN的水质监测系统成为了一项新的研究热点，具有广泛的应用前景。

在整个基于WSN的水质监测系统中，传感器节点是负责水质数据采集、处理和传输的最小功能单位，也是整个系统最基础的环节。传感器节点应当以具备低功耗、低成本、小体积和强感知能力为目标。传感器节点的可维护与可扩展性能对实现上述目标具有重要的价值。为了保证水质监测的准确可靠，定期通过维护更换感知灵敏度降低或者出现偏差的传感器是非常必要的，因而传感器节点应当具备易于实现上述维护过程，并且降低维护的成本。随着水质监测需求的日益提高，系统需要经常更新调整，相应地，传感器节点应当预留扩展接口，保证更换硬件时对系统不产生影响，同时在不影响现有功能的前提下增加新的功能和应用，实现系统的平滑升级。可见，在基于WSN的水质监测节点中，设计便于传感器维护以及扩展的传感器节点是对现有技术加以改进的一个方向。并且在强化易维护和扩展性能的同时，传感器节点仍然需要建立高效、节能的数据处理和通信传输机制，保证自身的感应准确性以及低功耗能力。

发明内容

基于现有技术中的上述需要，本发明提供了一种基于WSN的水质监测节点。

本发明所述的基于WSN的水质监测节点负责采集待测水域的温度、pH值、溶解氧等水质数据，执行数据预处理和定时传输；并且加入基于ZigBee协议的低功耗无线网络，作为网络中的路由节点和普通节点；水质监测节点可以对自身进行无线配置，也具备降低功耗的机制，在空闲时可以减少能量损耗。本发明的水质监测节点的重要改进在于采用了传感器与微控制器芯片分离的结构，传感器负责物理量与电信号之间的转换，微控制器芯片主要负责数据的采集、处理和无线传输，采用可插拔的排针将两者结合在一起，有助于传感器节点的维护和功能的扩展。