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關于計算機軟件輔助水質(zhì)監(jiān)測問題
常見計算機軟件輔助水質(zhì)監(jiān)測
摘 要：隨著現(xiàn)在工業(yè)的快速發(fā)展，水污染的矛盾日益突出，能夠快速、準確和自動的進行水質(zhì)監(jiān)測就顯得尤為重要。常見計算機軟件ZigBee與WSN結合GPS定位技術，建了水質(zhì)參數(shù)采集的無線通信網(wǎng)絡，介紹了這兩種軟件是如何輔助進行水質(zhì)監(jiān)測。
近年來，由于工業(yè)的快速發(fā)展，水體污染事件嚴重危害到公共健康和人類的生活質(zhì)量，導致水環(huán)境逐漸惡化。過去人們通過人工現(xiàn)場采樣、實驗室儀器分析為主要手段進行水質(zhì)監(jiān)測模式，這些方式監(jiān)測頻次低、采樣誤差大，難以滿足現(xiàn)代環(huán)境管理的需求。隨著計算機信息技術的發(fā)展，計算機軟件輔助的水質(zhì)監(jiān)測逐漸走入工程師的視野，綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術，能夠自動采集監(jiān)測信息，自動處理，滿足了水質(zhì)監(jiān)測中快速、準確和自動的需求。
1 硬件設計
1.1 ZigBee無線通信模塊
在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，ZigBee 模塊是傳感器節(jié)點的基礎部分，它在路由節(jié)點處也能夠作為FFD，和水質(zhì)檢測模塊共同實現(xiàn)輔助水質(zhì)檢測的功能。而另外三個普通傳感器節(jié)點上的ZigBee 模塊都是RFD，作為樹型網(wǎng)絡的葉設備連接到網(wǎng)絡中[1]。樹型網(wǎng)絡網(wǎng)絡拓撲的一種，是星型網(wǎng)絡集合在一起構成的系統(tǒng)。它能夠實現(xiàn)信息的節(jié)點“跳躍”，跨越障礙到達目標節(jié)點。
在用于輔助水質(zhì)監(jiān)測的計算機軟件中，無線傳感器網(wǎng)絡結構分為三層，經(jīng)研究探討發(fā)現(xiàn)樹型網(wǎng)絡最適合用于輔助水質(zhì)監(jiān)測。首先，在最底層中，傳感器節(jié)點主要負責收集相關數(shù)據(jù)并獲的水質(zhì)參數(shù)。在中間層中，所有從傳感器接受的傳送數(shù)據(jù)匯總至網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器對所有數(shù)據(jù)進行處理。與此同時，中間層還添加了一級路由，實現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)功能。在最上層中，計算機占據(jù)中央位置，它能夠對來自網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的全部數(shù)據(jù)進行展示。
2 WSN工作原理
WSN即Wireless Sensor Networks，是利用WSN技術和GPRS等技術來監(jiān)測水體水文信息。
2.1 GPRS網(wǎng)絡通信
GPRS在信息傳遞中主要使用移動網(wǎng)絡，它具有傳遞速度比較快，涵蓋范圍比較廣，使用費用比較低，受環(huán)境約束比較少等優(yōu)勢。它作為GSM的延續(xù)，數(shù)據(jù)傳遞速率有了很大的提高，是一種通用的分組無線服務技術。在水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中，GPRS作為水質(zhì)數(shù)據(jù)信息的傳送通道在進行數(shù)據(jù)分析和處理之后，將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心。
2.2 WEB應用程序設計
水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)由水資源信息采集中心、水質(zhì)監(jiān)測站等組成[2]。在監(jiān)測站所測得的相關水質(zhì)數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)為主要通道，GPRS作為備用通道，將數(shù)據(jù)信息傳遞至數(shù)據(jù)信息中心。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的WEB程序設計如下：
首先，PLC作為系統(tǒng)中心控制取水單元和水樣預處理單元。取水單元中，雜物隔離網(wǎng)、取樣浮子、自吸水泵、壓力流量傳感器和采水管道為主要成分[2]。在水樣預處理單元中，一旦出現(xiàn)異常情況，PLC會切斷其電源并使用備用泵，方便幫助工作人員對故障進行分析和處理。
第二，輔助分析單元是主要由管理軟件進行控制，同時它也是由PLC間接控制的。它的主要功能是進行純水等類型水的制備。
第三.水質(zhì)監(jiān)測分析單元具有自動量程轉換、遙控、標準輸出接口和數(shù)字顯示、自動清洗、狀態(tài)自檢和報警、干運轉和斷電保護、來電自動恢復等[3]。在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，C0D、總氮和等儀器可以對誤差進行自動標識并進行校正。
3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計方案
3.1 系統(tǒng)結構
水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的的設計構想為針對不同功能依上而下設計不同的模塊，主要有三個模塊：數(shù)據(jù)庫模塊，模型庫模塊與水質(zhì)管理模塊。在不同模塊中設定不同的程序，實現(xiàn)每個程序都能夠獨立自主的完成其內(nèi)部任務，并盡量將每個任務都細化。首先，利用arcview本身具有的編輯功能， 基本上可以實現(xiàn)對視圖特征及其屬性數(shù)據(jù)的添加、編輯和刪除等功能[2]。與此同時， 以方便為中心，增添了其它方便基本信息利用的功能，如添加與刪除。這些設計能夠為操作增加方便性，還沒有用過arcview的用戶只要點擊按鈕即可。
水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可以分析和計算不同種類的水資源相關數(shù)據(jù)信息。比如說降雨的多少，蒸發(fā)量和水位高度的統(tǒng)計、離子數(shù)量是否超標等。針對以上幾點功能，系統(tǒng)設計主要利用復雜程度比較低的比較手段，編制出平均值的代碼程序。
3.2 WSN 節(jié)點
WSN即Wireless Sensor Network，無線傳感網(wǎng)絡。它由很多靜止或是活躍的傳感器節(jié)點構成，能夠以自組織形式構成網(wǎng)絡系統(tǒng)。在網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)內(nèi)，監(jiān)測、收集、處理與傳送相對應的信息，互聯(lián)網(wǎng)與衛(wèi)星和任務管理中心相連，與此同時和匯聚網(wǎng)關節(jié)點相連。匯聚網(wǎng)節(jié)點和不同的傳感器節(jié)點相連。它可以比較方便的獲得隨機性的研究數(shù)據(jù)[1]。
3.3 組網(wǎng)方案
ZigBee 網(wǎng)絡的拓撲結構有三種：星型、樹型、網(wǎng)狀型[1]。星型網(wǎng)絡是目前應用比較頻繁的網(wǎng)絡拓撲結構。它呈輻射狀，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器作為通信中心，和其他的終端設備（END）相連，并傳播相關數(shù)據(jù)和命令。網(wǎng)型網(wǎng)絡的環(huán)境適應力比較強，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責構成基本網(wǎng)絡結構，終端設備不參與路由且任意兩個終端設備在其覆蓋范圍內(nèi)都能通過無線相連接，通信障礙比較少，可靠性非常強。在進行組網(wǎng)方案設計時，主要考慮以下幾個因素：
首先，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡結構的中心節(jié)點，因此，要考慮在同一時間內(nèi)，對通信狀況沒有影響下，中心節(jié)點所能接受的連接點的數(shù)量最上限。
第二，要考慮信號的有效覆蓋的最大范圍，與此同時還要考慮到當距離發(fā)生變化時網(wǎng)絡的有效性變化與否。
第三，考慮網(wǎng)絡結構中節(jié)點密度對網(wǎng)絡的各項性能是否有影響。
第四，考慮網(wǎng)絡性能和網(wǎng)絡路由器中各項參數(shù)的聯(lián)系。
第五，由于傳感器的節(jié)點位于室外，因此電池的更換比較麻煩，其電量對網(wǎng)絡整體性有著很大的影響。因此在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，需要考慮傳感器的電能利用率。
在以上參考因素基礎上，依照設備的不同功能編制相應的計算機程序，使每個設備都可以與其他設備連接，并對服務搜索進行初始化。然后進行設備綁定，使每個節(jié)點都加入進網(wǎng)絡系統(tǒng)中，只有當每個節(jié)點的指示燈都發(fā)亮的時候即說明組網(wǎng)完成。
3.4 監(jiān)測中心系統(tǒng)方案
在水質(zhì)監(jiān)測中，當監(jiān)測網(wǎng)絡組建完成后，需要利用傳感器對不同水質(zhì)的相關參數(shù)進行采樣，再利用信號調(diào)整電路對其放大，使其適于A/D轉換。首先要選擇合適的傳感器類型，并根據(jù)傳感器設定相應的測量設備與方法。然后對水溫、PH 值和電導率等參數(shù)進行測量。由于檢測的位置位于靠近海邊等潮濕的環(huán)境中，在設計電源的時候，最好采用太陽能供電，且最好為雙電源。
4 結束語
供水系統(tǒng)和人們生活息息相關，必須保證飲水和用水健康才能創(chuàng)造更好的生活環(huán)境，提高人民的生活水平。因此建立合理、完備的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是十分重要的，如何在原有的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡結構基礎上擴大其容量，增加通信成功率是未來要研究的重點內(nèi)容。
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