[發(fā)明專利]無線傳感水質監(jiān)測預警系統(tǒng)

無效

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• 申請日: 2014-01-25
• 公開（公告）號: CN103792330A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設計）人: 趙蒼榮;鄭淼淼;周孟然;張亞
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: G01N33/18
• 分類號: G01N33/18
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發(fā)明屬于水質監(jiān)測領域，具體涉及大范圍水域的水質的無線監(jiān)測和預警系統(tǒng)。

背景技術

近年來，隨著工業(yè)發(fā)展和人們生活水平不斷提高，污水排放量不斷增加，已經(jīng)遠遠超出了自然凈化功能所允許的環(huán)境容量，自然界的水質情況不斷惡化，嚴重危及到人類健康、破壞生態(tài)系統(tǒng)。為了確保水環(huán)境和水資源的清潔，必須對造成水質污染的污染源采取必要的措施，環(huán)境水質的在線監(jiān)測顯得非常有必要。

長期以來，我國主要的水質監(jiān)測系統(tǒng)存在著一些不足：(1)水質監(jiān)測中心現(xiàn)場采樣能力不足，監(jiān)測頻率低，實驗室的監(jiān)測儀器設備老化，大型分析儀器配備不平衡；(2)機動監(jiān)測能力不足，移動水質分析監(jiān)測實驗室配備數(shù)量太少，現(xiàn)場監(jiān)測能力低，靈活性、機動性差；(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性、準確性不高，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)不具備有效性判斷和智能決策等功能。

目前一些水質監(jiān)測系統(tǒng)只是單純對水質參數(shù)進行監(jiān)測，雖然能夠使相關部門實時了解監(jiān)測區(qū)域內的水質變化情況，但是對環(huán)境變化趨勢并不能提前做出科學預判，利用先進的科學算法實現(xiàn)對水質變化的預警，將傳統(tǒng)的被動監(jiān)測變?yōu)橹鲃宇A警對于水污染控制乃至環(huán)境保護都具有十分重要的意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對傳統(tǒng)的水質監(jiān)測系統(tǒng)所存在的局限性和弊端，構建了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的水質多參數(shù)監(jiān)測預警系統(tǒng)，提出了將無線傳感器網(wǎng)絡和水質監(jiān)測系統(tǒng)有機結合起來，解決傳統(tǒng)有線水質監(jiān)測技術方法在監(jiān)測的覆蓋性、實時性、擴容性等方面的欠缺。系統(tǒng)采用自回歸模型預測方法對采集的水質數(shù)據(jù)進行分析擬合，進而預測未來時間的參數(shù)變化規(guī)律，使得系統(tǒng)具有預警的功能，更有利于水質環(huán)境的監(jiān)控。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種無線傳感水質監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由無線傳感器水質參數(shù)采集節(jié)點、匯聚節(jié)點、水質監(jiān)控中心三大部分組成。

所述的監(jiān)測區(qū)域內的大量無線傳感器水質參數(shù)采集節(jié)點負責采集相應的水質參數(shù)，整個監(jiān)測網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點連接Internet發(fā)送給水質監(jiān)控中心。監(jiān)測中心服務器接到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行自動的存檔和數(shù)據(jù)處理，通過相應的應用軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析，并實時顯示數(shù)據(jù)和分析處理結果，通過專家系統(tǒng)判斷、預測、預警環(huán)境水質污染變化趨勢，系統(tǒng)具有水質實時采樣、數(shù)據(jù)及時處理以及適時預警的功能，給相應管理部門的決策提供參考依據(jù)。

各無線傳感器水質參數(shù)采集節(jié)點包括水質參數(shù)傳感器模塊、微處理器模塊、ZigBee模塊及太陽能供電電源模塊組成，水質參數(shù)傳感器模塊負責PH值、水溫、溶氧量、電導率、濁度等水質參數(shù)采集并與微處理器模塊連接，水質參數(shù)采集節(jié)點之間通過ZigBee模塊以無線方式進行自行組網(wǎng)，形成水質監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡；所述的匯聚節(jié)點通過ZigBee模塊與無線傳感器水質參數(shù)采集節(jié)點交換數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊和Internet與水質監(jiān)控中心交換數(shù)據(jù)，水質監(jiān)控中心通過自回歸模型算法對該數(shù)據(jù)進行處理并作出預警。

所述的水質參數(shù)傳感器模塊都是一個完整的水質監(jiān)測儀，通過無線方式進行自行組網(wǎng)，節(jié)點不僅負責本地數(shù)據(jù)傳輸，還可以轉發(fā)其他節(jié)點數(shù)據(jù)，即多跳自組網(wǎng)，實現(xiàn)大范圍的水環(huán)境監(jiān)測。

所述的通過ZigBee技術形成的無線傳感器網(wǎng)絡結構是一種多跳的拓撲結構，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡內節(jié)點之間的點對點通信，網(wǎng)絡中傳感器模塊網(wǎng)絡節(jié)點具有動態(tài)組網(wǎng)和自動路由選擇功能。

所述的微處理器是MSP430F149單片機。

所述的ZigBee模塊采用MSP430+CC2420的方案來搭建節(jié)點硬件架構。

所述的水質監(jiān)控中心主要由計算機以及計算機網(wǎng)絡組成；

所述的回歸模型預測方法如下：對水質參數(shù)時間序{x₁,x₂,x₃,...,x_n}，建立于k階自回歸模型：

式中：是自回歸參數(shù)，a_t為表示系統(tǒng)干擾的白噪聲序列。

k階自回歸模型矩陣形式為：

對參數(shù)矩陣采用最小二乘法估計有：

根據(jù)預測期望公式：