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无线传感器网络在维多利亚湖流域水质监测和控制:原型开发

摘要

在这个城市化的时代，人口增长和气候变化和差异，需要有效的和有效的监控、评估和控制维多利亚湖流域水质(LVB)变得更加苛求。传统方法依赖于采集水样、在水中测试分析、实验室不仅昂贵，而且也缺乏实时数据采集、分析的能力和信息的快速传播相关的利益者金星及时、明智的决定。在本文中，阐述的是一个关于原型开发LVB水传感器网络（WSN）的水质监测系统。现行环境的开发之前，评估包括蜂窝网络覆盖可用性的网站操作。系统包括Arduino单片机、水质传感器和无线网络链接模块，它把检测到的水温度、溶解氧、PH值、电导率实时和传播的信息以图形和表格的形式提供到网络门户和利益者的手机平台。实验结果表明，此系统具有很大的前景，通过提供相关和及时信息，可以用在真实世界环境来最优控制和保护水资源，以便于快速采取行动。

关键词：无线传感器网络、维多利亚湖流域、网关、传感器节点。

介绍

维多利亚湖流域（LVB）在非洲东部地区是一种重要的生态系统，是东非五国布隆迪、肯尼亚、卢旺达、坦桑尼亚和乌干达之间共享的。盆地也有丰富的自然资源包括淡水、渔业、森林和肥沃的土地用于农业。这些资源近期导致了快速城市化和人口增加，气候变化和差异的负面影响加剧了现有的挑战。因此，越来越多的人类活动逐渐加速了LVB的淡水资源的污染和损害。水质监测和评估是非常重要的可持续水资源管理和利用项目，这日益引起了广泛的研究和发展的关注。然而,在大多数发展中国家如坦桑尼亚、水质监测和评价完全是一个手动过程。这种传统的方法基于抽样的水质监测和后续分析在水实验室是昂贵的,耗时的,在时间和空间都有一个低分辨率。近年来,无线传感器网络在环境(网络)受到了相当大的关注和工业监测和控制应用程序。在环境情报的主要构件之一,网络提供了显著的优势在成本以及分布式智能[2]。另一方面,安装和维护费用降低,因为使用廉价的设备,不需要布线。正是因为这一原因,网络技术迅速吸引了来自学术界和工业界越来越多的关注。这个技术可以被应用于水质监测和评价过程通过提供最好的方法实时数据采集、传输和处理。Chaamwe[3]强调这样一个事实,适用于水质监测。在[4],Zennaro等人提出了水质监测系统设计的基础。他们用太阳黑子微粒蒋春暄对于费马大定理和90 - E系列传感器通过TPS测量水的pH值,电导率、总溶解盐(TDS)、溶解氧(做)、浊度和温度。作者报道,该系统成本约3400美元。然而他们的解决方案是不适合长期的户外环境。使用ARM控制器,Kumar et al。[5]提出了太阳能系统水质监测系统测量水的pH值,氧气水平和浊度。此外,Aravinda et al。[6]提出了一种低成本的无线生理感应水系统使用Arduino大型2560。他们测量pH值、做、传导性、氧化还原电位、光和温度的水。作者报道,系统成本约1040美元。然而他们的方法用计算机作为网关是昂贵的。本文提出了WSN水质监测系统原型。Arduino的系统由单片机、一组水质传感器和网络连接模块。它衡量水质参数包括温度、pH值,实时和电导率(EC)值。实验结果表明,该系统具有巨大的前景,可以用来在现实世界的环境经营水产养殖环境的最优控制。考虑到先前提出的系统,提出了原型提供了软件模块,允许用户可视化的数据基础上不需要安装特定的软件。此外,原型是适合长期户外环境和实现低成本的网关模块。剩下的纸是组织如下。第二部分描述的发展提出了WSN系统原型,并概述了其主要特征和细节提出了系统是如何实现和测试。第三节提供了初步结果和讨论。最后,第四部分介绍了这项工作的结论,并介绍了相关的开放已确定的问题

提出WSN系统原型

提出WSN系统原型开发作为水资源管理系统的一个组件(WaGoSy);一个创新和综合信息通信技术解决方案,旨在解决LVB水资源治理面临的挑战。提出了WSN系统原型的最终目的是自动化的监测水质支持可持续利用和管理水资源的流域。拟议的WSN系统包括三个主要构建块即WSN传感器节点,传感器网络网关节点和应用软件。2.1。WSN传感器节点的网络传感器节点的主要构件开发的WSN系统原型。它配备传感器和微控制器单元、全球定位系统(GPS)接收器,电源和射频(RF)收发器。传感器单元基本上由几种传感器用于检测水质参数。在这个原型,四个传感器测量pH值、EC,和温度是用来提供水质的一般特征。然而,传感器节点是可扩展的,允许多个传感器根据需求。表1总结了规范传感器用于原型。pH值、EC和传感器与单片机使用各自的电路从界面上的阿特拉斯科学除了温度传感器直接连接到单片机。所有的传感器都是由电源的操作。RF收发器传送感知参数值和GPS信息网关节点。图1显示了传感器单元的原理图配置中使用该系统。传感器校准,以确保正确的操作和准确性在生成的水质参数值。校准是在维多利亚湖水质实验室，化验员在竭尽全力帮助水质。微控制器单元由一个微控制器和一个软件项目,确定传感器网络传感器节点的行为。Arduino mega 2560单片机,一个开源电子原型平台。

表1 传感器规格

基于灵活、易于使用的硬件和软件被用来获取和处理传感器数据。每个传感器节点进一步配备em - 506从USGlobalSat GPS接收器提供位置和时间测量数据。这是一个完整的智能天线GPS接收器,包括嵌入式天线,GPS接收器电路。GPS模块还用于确保传感器节点不篡改,是为了安全起见。但是GPS数据捕获和发送到网关在预设的时间间隔,而不是不断降低能耗。

传感器网络网关节点

WSN系统的网关是最重要和独特的板块在系统里。它收集的所有信息从多个传感器节点接收。发达网关配备单片机单元、通用分组无线业务(GPRS)模块,射频收发器、记忆卡和电源。Arduino Uno单片机用于获取和处理收到的WSN传感器节点的传感器数据通过射频收发器。相同的XBee模块用于WSN传感器节点是用来实现传感器网络网关射频收发器模块。GPRS模块使用驻留的网关节点与蜂窝网络通信提出了短消息服务(SMS)数据WaGoSy系统。实现GPRS模块,Arduino GPRS从种子工作室被选中。这是四频段低功耗全球移动通讯系统(GSM)/ GPRS模块SIM900紧凑的PCB天线和消耗1.5 mA在睡眠模式。1 GB紧凑的记忆卡是用于存储测量数据从传感器网络传感器节点在GSM连接不可用。

WSN射频电源

在实际水质监测网络系统里,传感器节点分布在远程站点,电源是一个极其重要的问题，需要考虑。唯一可行的方法为传感器节点供电，在WSN应用程序中是使用电池。它优势明显,但电池寿命有限,无法支持很长一段时间。定期更换电池耗尽是很困难的。为了避免不必要的工作,使系统更灵活的部署,不同的能量供给像太阳能电池板也可以用来给电池充电。在预计的原型,一个3.7 V 、6毫安可充电聚合物锂离子电池是用于WSN节点的。这个电池有很长的寿命和优秀的长周期和自放电率。然而它提供少于5 V所需的大多数组件在传感器网络传感器节点和网关节点。因此,一个d.c电源升压被用来提高电池的输出电压为5 v这d.c助推器太阳能充电控制还提供了打开和关闭的开关按钮的WSN节点。它进一步允许通过USB充电锂电池或太阳能电池板。10 W太阳能板是用来提供在白天继续充电。

传感器网络应用软件

WSN系统软件包括WaGoSy体系的数据库：用于存储接收到的数据,并提供可视化的信息。可视化模块允许用户可视化数据,从传感器网络传感器节点不需要安装特定的软件。它使利益者可视化地图和水质参数进行比较。这个软件模块开发使用MySQL,PHP,HTML和Java脚本。

结果和讨论

WSN系统原型主要角色是无线传感器节点。在测量过程中,传感器节点系统从睡眠模式唤醒,等待GPS接收器获取最新的地理空间信息和最新数据传感器。然后将数据传递到传感器网络网关节点之前回到睡眠模式。从传感器获取数据的过程流程图,一个软件项目开发和上传到单片机,允许WSN传感器节点的测量水质参数和GPS数据的时间间隔20分钟。其余的时间,传感器节点处于睡眠模式以节省电池。时间间隔可以根据需要改变,特别是当能量需要守恒来延长了电池的使用寿命。一旦测量完成,WSN传感器节点的中继通过XBee捕获的数据收发器的传感器网络网关节点。然后网关收集这些数据并发送WaGoSy系统作为数据分析的短信。图8(b)显示的过程从传感器接收数据和发送到数据库。

系统测试领域做得很成功。系统的现场测试验证该系统的功能及其实际应用在实际环境中,如图9所示。建议的解决方案使水资源利益者能够不断测试水质参数选择的敏感地点。这类网站的例子包括国内水源、国内取水点和工业排水点。捕获的数据被发送到中央数据库,可以通过基于web的访问门户或通过手机短信以图形或表格的形式如图10所示。它也促进更多的问责和透明度收集的数据可用于所有的利益相关者。系统成本,包括传感器节点以及网关站在1250美元。这是形成鲜明对比商业水质监测系统3400美元[4],这是一个三倍的减少成本。从上面所示的结果,使用低成本和开源硬件,我们可以实现可接受的传感器读数。

（a）WSN在实验室测试中传感器节点;(b)传感器网络传感器节点WaGoSy传感器载体板;(c)一个完整的传感器网络中传感器节点开放覆盖;(d)传感器网络传感器节点在一个封闭的封面。

(a)一个网关节点在一个开放的封面;(b)一个网关节点在一个封闭的封面

结论

在研究下,这是一个低成本的开发和示范,连续水质监测传感器网络系统原型。系统使用低成本传感器和开源硬件，旨在提供连续水质测量在大幅降低成本。初步现场试验结果表明,用适当的校准、系统能力,不断测量水质参数和实时传输到数据库。使用基于web的门户网站和手机平台,测量参数的值显示在易于理解的图形和表格格式随时随地。这个功能有可能加强问责制、透明度和参与属性水资源的良好治理。需要更多的测试的原型,以便确定需要修复的地。

确认

研究小组承认维多利亚湖研究专项(VicRes)校际委员会东非(IUCEA)和瑞典国际发展机构(SIDA)支持的研究,本文是其中的一个输出。团队也承认收到利益相关者和物质支持各级在维多利亚湖流域研究的整个期间。团队希望谢谢Busitema大学的管理层和员工,基加利科技研究所和多多马大学的行政支持。

参考文献

[1] Sridharan, S. (2014) Water Quality Monitoring System Using Wireless Sensor Network. International Journal of Electronic Communications Engineering Advanced Research, 3, 399-402. [2] Losilla, F., Garcia-Sanchez, A.-J., Garcia-Sanchez, F., Garcia-Haro, J. and Haas, Z.J. (2011) A Comprehensive Approach to WSN-Based ITS Applications. Sensors, 11, 10220-10265. http://dx.doi.org/10.3390/s111110220

[3] Chaamwe, N., Liu, W. and Jiang, H. (2010) Wireless Sensor Networks in the Context of Zambia: A Developing Country. 2010 Second International Conference on Information Technology and Computer Science (ITCS), Kiev, 24-25 July 2010, 474-478. http://dx.doi.org/10.1109/ITCS.2010.122 [4] Zennaro, M., Floros, A., Dogan, G., Sun, T., Cao, Z., Huang, C., Bahader, M., Ntareme, H. and Bagula, A. (2009) On the Design of a Water Quality Wireless Sensor N

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