第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
水资源与人类生活息息相关，一生相伴[1]。一个成年人体重中占 60%的是水，血液中水的含量达到 90%，水环境是构成人类生存环境的基本要素之一，人类的生存所必须的场合一般都有水的存在[2]。我国实现可持续发展战略首先就是环境的可持续发展，在当今的经济发展背景之下，重视水环境的质量和经济开发，是实现人类的生存繁衍和社会的发展所必须探索的途径[3]。水资源作为一种可以循环自然生成的可再生资源，虽然储存量在一定时间内会不断增加，但是如果滥加使用，不加以科学管理控制和规划，经济发展模式迟早会严重的超出水环境资源的负荷，带来严重的水质地质问题，对人类的生存繁衍带来不可逆转的损害，因此，包括我国在内的世界各国已经开始重视对水资源的保护以及合理的开发利用[4-5]。要想寻求出有效的开发利用手段，最重要也是首先需要做的就是收集了解分布于我国的现今水资源的水体状况，只有在弄清楚了分布不同，水质不同的各区域水体现状，才能制定出相应并且合理的开采使用计划，可持续发展地利用水资源。
无线传感器网络在当今的世界上很受瞩目，是多个学科高度交叉，高新技术和知识高度融合的前端研究热门领域。它涵盖了传感器技术，现代网络和无线通信技术，嵌入式处理技术，信息分布式计算技术等，配置部署各种体积微小的传感器协同工作，连续感知，实时监测采集监测对象信息，使人们通过使用相关设备和网络在任意时间都能够获取信息，得到一定质量的服务[6]。温家宝总理曾经在 2009 年 8 月份提出了“感知中国”这一概念，预示了物联网技术将成为未来几十年推动科技进步和经济发展的核心技术，无线传感器网络（WSN），作为物联网的支撑技术[7]，近年来早已成为研究的热点。而由于无线传感器网络的兴起，一些与之相关联的其他技术能力也得到了很大的提高，材料成本的日益降低，硬件电路设计的不断成熟，配套软件开发能力的逐渐完善，都为无线传感器网络在实际系统中的应用提供了充分条件，在环境监测领域中使用无线传感器网络技术就是大量先进技术融合的结果[8]。本文提出了一种基于无线传感器网络的水环境监测原型系统设计方案，设计制作系统中的监测节点，构造系统节点之间的无线传输网络，建立后台服务器存储查询监测。该系统具备无线传感器网络的应用优势，例如能耗少，节点成本低廉，系统部署方便快捷，针对性强，能够实现对目标水体的多种物理参数的实时监控及数据反馈，对我们获取相关数据，管理相关水域和设计开发使用计划都具有重大的意义和帮助。
1.1.1 水环境下传感器网络概述
水环境下的传感器网络是指将具有感知能力的传感器节点部署到目标水域的水面或者不同深度的水中，这些节点都遵循高精度低功耗并具有数据传输功能的要求设计而成，传感器节点自组织建立起动态拓扑网络并根据自身所配置传感器的不同采集监测水体的各相关参数，在节点内部经初步处理后将数据送至水面基站，通过无线信号传输，数据可以到达近岸基站，相关人员可以通过卫星或者其他基础网络将所得信息传递出去[9-10]，建立起从测量到查询的系统网络。其中，水面之下的节点通过有线传输数据，水面节点则具有短距离无线通信的能力[11]。世界各国的政府部门，科研机构，学术中心以及工业界都已经开始投入大量的人力物力到水环境下传感器网络的实际应用中[12]，是因为它本身具有较高的应用价值。在水上军事活动，大型海上工业生产作业，水体污染检测，自然灾害预报，海洋工程，资源管理规划等多个方面，水环境下的传感器网络都能担任信息采集平台，数据处理中心等关键角色，发挥极大地作用[13]。
第二章 无线传感器网络的水环境监测原型系统概述
2.1 水环境监测系统框架结构
基于无线传感器网络的水环境监测原型系统包括三部分：置于水中的监测节点，水域周边的汇聚节点和远程监测中心[29]。将无线传感器数据采集节点置于测量水域内的水面上，每个监测节点根据传感器的不同收集水体的不同参数：例如温度，PH 值，容氧量等，并将所采集的相关数据通过无线网络传送给部署在周边的汇聚节点，最终传输至后台服务器控制系统，基于后台软件进行数据的处理、分析与存储，监控中心借此第一时间掌握水体质量，对突发情况进行预测或者报警，远程端可以通过网页的形式查询目标水域的相关水体参数数据。这样我们就能实时的掌握目标水域内的水环境相关情况，并可以将该数据通过相关基础网络送至环保部门，为以后环保部门治理相关水域，相关部门开发此区域提供最基础的原始数据支持。
2.2 水环境监测传感器的相关介绍
由于水环境监测节点需要长期独立工作在户外，并要多数量的布置来覆盖监测水域，所以传感器的标准就要满足低功耗，低成本的硬件条件。实验室环境下是测量目标水域的温度，我们选择可以运用在高精度，高可靠性场合的 DALLAS 公司生产的DS18B20 温度传感器。相比于其他温度传感器，它的优势在于超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强。
（1）DS18B20 是一种单总线的数字温度传感器，它能够不增添外围辅助原件而完成独立测温，它的测量温度区间从–55°C ~+125°C，在此区间范围内，其精度能达到 0. 5°C。
（2）DS18B20 是单总线的数字温度传感器，该传感器和微处理器进行数据传输时采用单总线接口方式，即只需要通过一条数据口线即可实现控制命令的输入和测量数据的输出，采用这种方式能够方便快捷的组建测量节点，具有一定的抗干扰能力，允许用户更加随意的搭建无线传感器网络。
（3）该传感器工作供电可由内部电路从数据线上直接获取而不需要外接电源，这样就大大简化了系统的结构，同时提高稳定性。根据监测要求的不同，该传感器可提供精度为 9~12 位的二进制温度读数。
（4）DS18B20在保证系统可靠稳定性方面也有着自己的优势，由于内部具有EEPROM，传感器便具有了掉电保护功能，在系统掉电的时候，传感器能够自行记录已设定好的测量分辨率和报警温度，避免信息丢失，并且一旦电源极性反向，传感器内部的感应装置会迫使系统停止工作，保护微控制器。
第三章监测系统节点硬件平台.....................19
3.1 水环境监测节点设计目标................19
3.2 硬件系统的总体设计...............19
3.2.1 硬件选型...............20
3.2.2 CC2430 片上系统 ..........20
3.3 水环境监测节点硬件设计................23
3.4 水环境监测节点硬件 PCB 设计 ...................26
3.4.1 监测节点 PCB 板布图 ............26
3.4.2 监测节点的天线设计..............28
3.5 本章小结 ..............29
第四章 水环境监测系统节点软件设计.....................30
4.1 监测节点初始化程序设计.................30
4.2 温度数据采集模块程序设计.............31
4.3 节点通信程序设计....................33
4.4 节点分簇算法设计....................38
4.4.1 算法介绍................38
4.4.2 拓扑显示................39
4.5 本章小结 ..............40
第五章 后台服务系统设计及测试分析.....................41
5.1 后台服务器控制程序设计.................41
5.1.1 后台服务器主要功能..............41
5.1.2 数据库设计.....................42
5.1.3 系统总体................44
5.1.4 系统模块设计.................45
5.2 系统测试 ..............50
5.3 本章小结 ..............52
结论
随着相关技术的不断进步，无线传感器网络的实际应用系统越来越受到关注，在水环境监测领域融入无线传感器网络，具有重要的科技和社会意义。本文在查阅大量相关文献的基础上，首先对水环境下的传感器网络系统的概念，体系结构和应用领域进行了介绍，阐述了其发展趋势和重要的理论与实际研究意义。在对现有水环境监测技术的优劣进行比较之后，决定将无线传感器网络应用于水环境监测，研究设计一种部署快捷，监测范围广，功耗低，并能准确测量水体参数的水环境监测系统，该系统能反应水体质量变化，为有效预防水质污染提供实时数据。结合监测目的和系统设计要求，选取基于 CC2430 的硬件平台和基于 Zigbee 的无线通信标准，并从CC2430 的相关参数，控制开发环境，Zigbee 的网络协议等多方面，对基于 Zigbee 的传感器网络的实现做了描述。
本文在此基础上，详细介绍了水体温度监测节点和近岸基站节点的设计方法，并针对节点在实际工作环境下所要面临的干扰，提出了在硬件 PCB 设计时的注意事项和设计思路，提高了数据信息传输的可靠性，设计了节点之间信息传输网络的分簇算法。在信息准确采集并传输的前端节点实现基础上，进一步建立了后台服务器系统，通过网页形式查询相关测量信息。系统留有传感器接口和程序模块，接入相应的传感器即可实现新的水质参数数据的测量，从而对整个水环境进行准确评估。对所设计的基于无线传感器网络的水环境监测原型系统进行实际环境测试，工作正常，测量结果准确。
参考文献
[1] 冯启申,李彦伟.水环境容量研究概述[J]. 水科学与工程技术,2010.3(1)
