水质监测无线传感器网络节点设计-开题报告.docx

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开题报告

学生姓名：

学号：

专 业：

通信工程

设计（论文）题目：

水质监测无线传感器网络节点设计

指导教师:

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

1.结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述

1.1研究背景

文献综述

随着我国经济的高速发展，水环境污染和破坏日益严重，水环境监测作为水资源管理和水环境污染控制的主要手段之一，正在发挥不可替代的作用[1]。

水质监测涉及的监测信息种类多、监测面广，并且只有长期坚持测定，才能从大量的数据中揭示其变化规律[2]。

目前我国的水质检测仍然存在很多问题，一是各级水质监测中心的采样能力不足，监测频率低，水质监测实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡。

二是机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低。

三是自动水质监测站数量太少，缺乏自动测报能力，难以获得重点水功能区主要水质监测的实时[3]。

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域[ 4]。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价小型或微型无线传感器网络节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织智能网络系统[5]。

无线传感器网络综合传感器技术、嵌人式计算机技术、分布式信息处理技术和无

线通信技术，它能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些数据进行处理,获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。

WSN作为一个新兴的网络，具有非常广泛的应用前景，主要集中在以下领域：

环境监测和保护、安全检测、医疗护理、军事领域和空间探索等，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响[6]。

无线传感器网络可以快速灵活部署，且成本低。

克服了常规方法所具有的主观性强、监测范围小和难以应对突发性水污染事件等缺点；提供更快的实时响应，缩短信息传播周期，实现数据的共享。

因此，无线传感器网络正适合应用于水质监测系统[7]。

1.2国内外水质监测研究与发展现状

水质监测这一方面的工作在国外起步较早[8]。

在美国，密苏里等州的水域于1948

年

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以后相继开始进行水质监测，到1958年共建立44个水质监测站，初步形成了全国性的水质监测网。

1960年纽约州的环保部门开始着手建立自动水质监测系统，用以代替人工监测网络的工作，在1966年安装了第一台水质自动电化学监测仪。

到了20世纪

70 年代，水质自动监测系统开始有了较大的发展，美国、英国、日本、荷兰、德国都先后建立了水质污染连续监测系统[9]。

监管部门利用无线通信技术控制各水质自动监测站，可在预定的时间，向各处监测站发出数据采集或其它命令，实现水质的自动监测；在莱茵河下游段，荷兰国家水管局设置了一套价值 100 万英镑的水质自动监测系统 [10]，能不间断地检测河流中的溶解氧、水温、PH值及某些无机和有机污染物的含量，当检测数据超过规定的临界值时，监测系统发出报警给有关部门。

我国的水质监测工作始于20世纪50年代末60年代初。

自1956年起，水利部相继在全国500多条大中型河流上建立了900多个水化学监测站，对河水的主要物理性质、主要离子和营养元素组分等进行了监测[7]。

1979年环保部门在全国六大水系上设立了 300 多个监测断面，对反映水质污染变化趋势的17个水质指标进行了监测。

我国对水污染自动监测系统的研究始于 80 年代，主要由政府兴建，用于重点水域的监测和管理，或是在大型的水利工程中作为配套系统进行建设。

中国环境监测总站根据国家环保总局的要求，在松花江、辽河、海河、淮河、黄河、长江、珠江、太湖、巢湖和滇池等主要江河流域、湖泊建成的73个水质自动监测站[11]，对水温、PH、溶解氧、电导率、浊度和氧化还原电位等指标实施监测并提供水质自动检测报告。

目前国内水质监测多数仍采用人工方式，监测过程中采样、样品运送和保存、实验室测定到数据整理等过程，是一个复杂而又有联系的系统，任何一步的差错都将影响最终数据的质量。

传统的采用人工定期或不定期的采样监测费时费力，并且难以全面客观地反应变化规律和实况，对于事故性的污染排放无法及时发现和处理，已无法满足目前对水质监测的需要，实现对水质的自动监测是必由之路[2]。

1.3国内外无线传感器网络用于水环境监测的发展现状

水质监测无线传感器网络节点设计的关键技术集中于传感器网络的研究。

无线传感器网络发端于20世纪70年代的美国，无线传感器网络（wirelesssensornetwork）是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络，具有传感器节点密度高，网络拓扑变化

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频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。

无线传感器网络的上述特点使其在偏远环境的水质监测和环境管理方面将有很好的应用前景[3]。

国外传感器网络在国外起源的比较早，刚开始主要是应用于军方项目，随着传感器技术的普及，很多民用项目也开始把目光积聚到传感器网络的开发上，使得传感器网络呈现出缤纷的态势[12]。

美国国防部和各军事部门较早开始启动 WSN 的研究。

在 C4ISR（command,control,communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissance）的基础上提出了美军军事信息处理系统（C4KISR）计划，把无线传感器网络作为一个重要研究领域。

美国BAE系统公司为提高美军的电子战能力而研发的“狼群”地面WSN系统，是一个典型的WSN电磁信号监测网络。

它可以监听敌方雷达和通信而且可以干扰敌方发射机或用算法包来渗透敌方的计算机和网络系统[13]。

无线传感器网络用于水环境监测的典型案例有：

（1）2006年，瑞典研究人员西蒙·福格特等人在波罗的海部署了一个基于无线传感器网络的海洋水环境监测系统，该监测系统对一个小范围内的海域进行监测[14]。

传感器节点从水面到水底，分布于海水的不同深度，对所在深度的海水进行监测。

与其它无线传感器网络不同的是，这个网络既包括无线传输部分又包括有线传输部分。

其中，分布于水面的节点，通过无线通信传输，而水面以下的节点通过信号线与水面上的节点通信。

研究人员msp430 处理器为核心设计了传感器节点slave，slave 节点采集海水温度信息并通过485总线传输到主控制器节点chainmaster，再由主控制器节点chain

master通过GPRS无线通信方式传输到海岸上的服务器。

图1.1传感器节点slave 图1.2主控制器节点chainmaster

（2）2004年，加拿大研究人员简·泰森、克里斯托弗在加拿大城市雅茅斯部署了一个基于无线传感器网络的海洋环境监测系统，对沿海地区的水温、水压、浊度、电导率进行监测[15]。

传感器节点设计中，综合考虑无线传输距离和天线尺寸，发射频率为

173.25

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Mhz,天线长度为50cm，无线发射距离为1.5千米，通信速率为10kbps。

节点采用两节碱性电池供电，可连续工作数月，节点如图1.3所示。

（3）2004年，美国研究人员高拉夫设计制作了一个水下无线传感器网络，用于监测海水温度的梯度变化，从而进一步监测海洋微生物的活动状况[16]。

海洋微生物在海水温度突变层会大量地繁殖生长，所以研究人员利用无线传感器网络对海水温度的梯度变化进行监测，找到温度突变的海水层。

（4）2005年，Notredame大学的研究人员琳赛、赛德斯等人在校园内的湖泊中部署了自行设计制作的基于无线传感器网络的湖泊水环境监测系统（LakeNET）[17]。

传感器探头（PH值、温度和溶氧量），MICA2为射频处理器模块，频率为433MHz，传输最大距离为 30 米，采用多跳传输。

传感探头可在采集数据的时间间隔里自动关闭，以节约电池能量。

传感器节点放置在防水吊舱内，吊舱漂浮在水面上，使得节点可以在水面上进行数据采集和发送。

每隔10至15分钟，传感器节点自动采集一次湖水的PH值、温度和溶氧量，节点如图1.4所示。

图1.3雅茅斯部署的水环境监测节点 图1.4湖水中的无线传感器节点

（5）2004年，Heliosware公司设计制作的无线传感器网络系统（EmNet）在湖泊水环境监测中进行了应用，节点如图1.5和1.6所示。

EmNet对被监测水体的水压、PH值、电导率、溶解氧等参数进行测量，无线通信频段为900MHz，速率为9.8kbps[18]。

（6）2006年，爱尔兰的研究人员奥弗林、拉斐尔等人设计制作了基于无线传感器网络的水环境监测设备SmartCoast，并在湖泊中进行实地部署[19]。

SmartCoast是一种多传感器水质监测系统,可同时监测温度，磷酸盐含量，溶氧量，电导率，浊度，PH值，水位等多种信息，无线通信使用Zigbee通信技术，传感器节点Tyndall，安置在防水箱

内，节点如图1.7所示。

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图1.5EmNet系统部署在湖水中的节点 图1.6EmNet系统节点Chasqui

图1.7传感器节点Tyndall

（7）2002年，美国的研究人员凯特等人设计制作了一套可长期置于水环境中的基于无线传感器网络的水环境监测系统[20]。

（8）2007年，美国研究人员为了实时监测饮用水的PH值，以确保饮用水的安全

[21]，同时监测城市管网的健康状态，设计制作了一个基于无线传感器网络的城市水

管网络监测系统（PipeNet）[22]。

传感器节点分布在下水管道中，传感器节点上集成了液压传感器、声波传感器、震动传感器、水位传感器和PH值传感器。

这些传感器监测下水管道的破损和泄漏情况，同时监测供排水系统的水压和水质以及污水水位和污水外流情况。

我国在无线传感器网络方面的起步比较晚[23]。

在最近几年里，我国已经十分重视WSN的研究。

“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感网络。

2006 年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中两个与无线传感网络器研究直接相关。

国家自然科学基金委员会已经在该领域设立了多个重点项目和面上项目[7]。

2006年，杭州电子

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科技大学无线传感器网络课题组设计了基于无线传感器网络的湿地水环境数据视频监测系统[24]。

通过分布在湿地小水域的传感器节点采集水环境参数，通过安放在水源入口、水体出口等重点区域的数据视频基站将水环境参数和视频信号传输至监测中心进行处理与分析，远程终端用户通过Internet实现对湿地全天候的实时监测，并对污染等突发事件和环境急剧变化所影响的水域的水环境状况实时报警。

这些应用实例，充分说明了无线传感器网络技术用于水环境监测中，具有传统技术所不具备的优势，例如成本低廉、系统配置和部署灵