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關(guān)于計算機軟件輔助水質(zhì)監測問(wèn)題
常見(jiàn)計算機軟件輔助水質(zhì)監測
摘 要：隨著(zhù)現在工業(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(dòng)的進(jìn)行水質(zhì)監測就顯得尤為重要。常見(jiàn)計算機軟件ZigBee與WSN結合GPS定位技術(shù)，建了水質(zhì)參數采集的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，介紹了這兩種軟件是如何輔助進(jìn)行水質(zhì)監測。
近年來(lái)，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(lèi)的生活質(zhì)量，導致水環(huán)境逐漸惡化。過(guò)去人們通過(guò)人工現場(chǎng)采樣、實(shí)驗室儀器分析為主要手段進(jìn)行水質(zhì)監測模式，這些方式監測頻次低、采樣誤差大，難以滿(mǎn)足現代環(huán)境管理的需求。隨著(zhù)計算機信息技術(shù)的發(fā)展，計算機軟件輔助的水質(zhì)監測逐漸走入工程師的視野，綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能夠自動(dòng)采集監測信息，自動(dòng)處理，滿(mǎn)足了水質(zhì)監測中快速、準確和自動(dòng)的需求。
1 硬件設計
1.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊
在水質(zhì)監測系統中，ZigBee 模塊是傳感器節點(diǎn)的基礎部分，它在路由節點(diǎn)處也能夠作為FFD，和水質(zhì)檢測模塊共同實(shí)現輔助水質(zhì)檢測的功能。而另外三個(gè)普通傳感器節點(diǎn)上的ZigBee 模塊都是RFD，作為樹(shù)型網(wǎng)絡(luò )的葉設備連接到網(wǎng)絡(luò )中[1]。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )拓撲的一種，是星型網(wǎng)絡(luò )集合在一起構成的系統。它能夠實(shí)現信息的節點(diǎn)“跳躍”，跨越障礙到達目標節點(diǎn)。
在用于輔助水質(zhì)監測的計算機軟件中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構分為三層，經(jīng)研究探討發(fā)現樹(shù)型網(wǎng)絡(luò )最適合用于輔助水質(zhì)監測。首先，在最底層中，傳感器節點(diǎn)主要負責收集相關(guān)數據并獲的水質(zhì)參數。在中間層中，所有從傳感器接受的傳送數據匯總至網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，由協(xié)調器對所有數據進(jìn)行處理。與此同時(shí)，中間層還添加了一級路由，實(shí)現了水質(zhì)參數功能。在最上層中，計算機占據中央位置，它能夠對來(lái)自網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的全部數據進(jìn)行展示。
2 WSN工作原理
WSN即Wireless Sensor Networks，是利用WSN技術(shù)和GPRS等技術(shù)來(lái)監測水體水文信息。
2.1 GPRS網(wǎng)絡(luò )通信
GPRS在信息傳遞中主要使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，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，數據傳遞速率有了很大的提高，是一種通用的分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)。在水質(zhì)自動(dòng)監測系統中，GPRS作為水質(zhì)數據信息的傳送通道在進(jìn)行數據分析和處理之后，將數據傳送至數據中心。
2.2 WEB應用程序設計
水質(zhì)在線(xiàn)自動(dòng)監測系統由水資源信息采集中心、水質(zhì)監測站等組成[2]。在監測站所測得的相關(guān)水質(zhì)數據信息以數據通信骨干網(wǎng)為主要通道，GPRS作為備用通道，將數據信息傳遞至數據信息中心。水質(zhì)監測系統的WEB程序設計如下：
首先，PLC作為系統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，一旦出現異常情況，PLC會(huì )切斷其電源并使用備用泵，方便幫助工作人員對故障進(jìn)行分析和處理。
第二，輔助分析單元是主要由管理軟件進(jìn)行控制，同時(shí)它也是由PLC間接控制的。它的主要功能是進(jìn)行純水等類(lèi)型水的制備。
第三.水質(zhì)監測分析單元具有自動(dòng)量程轉換、遙控、標準輸出接口和數字顯示、自動(dòng)清洗、狀態(tài)自檢和報警、干運轉和斷電保護、來(lái)電自動(dòng)恢復等[3]。在水質(zhì)監測系統中，C0D、總氮和等儀器可以對誤差進(jìn)行自動(dòng)標識并進(jìn)行校正。
3 水質(zhì)監測系統設計方案
3.1 系統結構
水質(zhì)監測系統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(gè)模塊：數據庫模塊，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(shí)現每個(gè)程序都能夠獨立自主的完成其內部任務(wù)，并盡量將每個(gè)任務(wù)都細化。首先，利用arcview本身具有的編輯功能， 基本上可以實(shí)現對視圖特征及其屬性數據的添加、編輯和刪除等功能[2]。與此同時(shí)， 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(méi)有用過(guò)arcview的用戶(hù)只要點(diǎn)擊按鈕即可。
水質(zhì)監測系統可以分析和計算不同種類(lèi)的水資源相關(guān)數據信息。比如說(shuō)降雨的多少，蒸發(fā)量和水位高度的統計、離子數量是否超標等。針對以上幾點(diǎn)功能，系統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 節點(diǎn)
WSN即Wireless Sensor Network，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。它由很多靜止或是活躍的傳感器節點(diǎn)構成，能夠以自組織形式構成網(wǎng)絡(luò )系統。在網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地區內，監測、收集、處理與傳送相對應的信息，互聯(lián)網(wǎng)與衛星和任務(wù)管理中心相連，與此同時(shí)和匯聚網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)相連。匯聚網(wǎng)節點(diǎn)和不同的傳感器節點(diǎn)相連。它可以比較方便的獲得隨機性的研究數據[1]。
3.3 組網(wǎng)方案
ZigBee 網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構有三種：星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀型[1]。星型網(wǎng)絡(luò )是目前應用比較頻繁的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。它呈輻射狀，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器作為通信中心，和其他的終端設備（END）相連，并傳播相關(guān)數據和命令。網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境適應力比較強，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器負責構成基本網(wǎng)絡(luò )結構，終端設備不參與路由且任意兩個(gè)終端設備在其覆蓋范圍內都能通過(guò)無(wú)線(xiàn)相連接，通信障礙比較少，可靠性非常強。在進(jìn)行組網(wǎng)方案設計時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)因素：
首先，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器是網(wǎng)絡(luò )結構的中心節點(diǎn)，因此，要考慮在同一時(shí)間內，對通信狀況沒(méi)有影響下，中心節點(diǎn)所能接受的連接點(diǎn)的數量最上限。
第二，要考慮信號的有效覆蓋的最大范圍，與此同時(shí)還要考慮到當距離發(fā)生變化時(shí)網(wǎng)絡(luò )的有效性變化與否。
第三，考慮網(wǎng)絡(luò )結構中節點(diǎn)密度對網(wǎng)絡(luò )的各項性能是否有影響。
第四，考慮網(wǎng)絡(luò )性能和網(wǎng)絡(luò )路由器中各項參數的聯(lián)系。
第五，由于傳感器的節點(diǎn)位于室外，因此電池的更換比較麻煩，其電量對網(wǎng)絡(luò )整體性有著(zhù)很大的影響。因此在水質(zhì)監測系統中，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(gè)設備都可以與其他設備連接，并對服務(wù)搜索進(jìn)行初始化。然后進(jìn)行設備綁定，使每個(gè)節點(diǎn)都加入進(jìn)網(wǎng)絡(luò )系統中，只有當每個(gè)節點(diǎn)的指示燈都發(fā)亮的時(shí)候即說(shuō)明組網(wǎng)完成。
3.4 監測中心系統方案
在水質(zhì)監測中，當監測網(wǎng)絡(luò )組建完成后，需要利用傳感器對不同水質(zhì)的相關(guān)參數進(jìn)行采樣，再利用信號調整電路對其放大，使其適于A(yíng)/D轉換。首先要選擇合適的傳感器類(lèi)型，并根據傳感器設定相應的測量設備與方法。然后對水溫、PH 值和電導率等參數進(jìn)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(shí)候，最好采用太陽(yáng)能供電，且最好為雙電源。
4 結束語(yǔ)
供水系統和人們生活息息相關(guān)，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)監測系統是十分重要的，如何在原有的水質(zhì)監測網(wǎng)絡(luò )結構基礎上擴大其容量，增加通信成功率是未來(lái)要研究的重點(diǎn)內容。
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