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關于計算機軟件輔助水質監測問題
常見計算機軟件輔助水質監測
摘 要：隨著現在工業的快速發展，水污染的矛盾日益突出，能夠快速、準確和自動的進行水質監測就顯得尤為重要。常見計算機軟件ZigBee與WSN結合GPS定位技術，建了水質參數采集的無線通信網絡，介紹了這兩種軟件是如何輔助進行水質監測。
近年來，由于工業的快速發展，水體污染事件嚴重危害到公共健康和人類的生活質量，導致水環境逐漸惡化。過去人們通過人工現場采樣、實驗室儀器分析為主要手段進行水質監測模式，這些方式監測頻次低、采樣誤差大，難以滿足現代環境管理的需求。隨著計算機信息技術的發展，計算機軟件輔助的水質監測逐漸走入工程師的視野，綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術，能夠自動采集監測信息，自動處理，滿足了水質監測中快速、準確和自動的需求。
1 硬件設計
1.1 ZigBee無線通信模塊
在水質監測系統中，ZigBee 模塊是傳感器節點的基礎部分，它在路由節點處也能夠作為FFD，和水質檢測模塊共同實現輔助水質檢測的功能。而另外三個普通傳感器節點上的ZigBee 模塊都是RFD，作為樹型網絡的葉設備連接到網絡中[1]。樹型網絡網絡拓撲的一種，是星型網絡集合在一起構成的系統。它能夠實現信息的節點“跳躍”，跨越障礙到達目標節點。
在用于輔助水質監測的計算機軟件中，無線傳感器網絡結構分為三層，經研究探討發現樹型網絡最適合用于輔助水質監測。首先，在最底層中，傳感器節點主要負責收集相關數據并獲的水質參數。在中間層中，所有從傳感器接受的傳送數據匯總至網絡協調器，由協調器對所有數據進行處理。與此同時，中間層還添加了一級路由，實現了水質參數功能。在最上層中，計算機占據中央位置，它能夠對來自網絡協調器的全部數據進行展示。
2 WSN工作原理
WSN即Wireless Sensor Networks，是利用WSN技術和GPRS等技術來監測水體水文信息。
2.1 GPRS網絡通信
GPRS在信息傳遞中主要使用移動網絡，它具有傳遞速度比較快，涵蓋范圍比較廣，使用費用比較低，受環境約束比較少等優勢。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線服務技術。在水質自動監測系統中，GPRS作為水質數據信息的傳送通道在進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
水質在線自動監測系統由水資源信息采集中心、水質監測站等組成[2]。在監測站所測得的相關水質數據信息以數據通信骨干網為主要通道，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、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會切斷其電源并使用備用泵，方便幫助工作人員對故障進行分析和處理。
第二，輔助分析單元是主要由管理軟件進行控制，同時它也是由PLC間接控制的。它的主要功能是進行純水等類型水的制備。
第三.水質監測分析單元具有自動量程轉換、遙控、標準輸出接口和數字顯示、自動清洗、狀態自檢和報警、干運轉和斷電保護、來電自動恢復等[3]。在水質監測系統中，C0D、總氮和等儀器可以對誤差進行自動標識并進行校正。
3 水質監測系統設計方案
3.1 系統結構
水質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，主要有三個模塊：數據庫模塊，模型庫模塊與水質管理模塊。在不同模塊中設定不同的程序，實現每個程序都能夠獨立自主的完成其內部任務，并盡量將每個任務都細化。首先，利用arcview本身具有的編輯功能， 基本上可以實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， 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，還沒有用過arcview的用戶只要點擊按鈕即可。
水質監測系統可以分析和計算不同種類的水資源相關數據信息。比如說降雨的多少，蒸發量和水位高度的統計、離子數量是否超標等。針對以上幾點功能，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
WSN即Wireless Sensor Network，無線傳感網絡。它由很多靜止或是活躍的傳感器節點構成，能夠以自組織形式構成網絡系統。在網絡覆蓋的地區內，監測、收集、處理與傳送相對應的信息，互聯網與衛星和任務管理中心相連，與此同時和匯聚網關節點相連。匯聚網節點和不同的傳感器節點相連。它可以比較方便的獲得隨機性的研究數據[1]。
3.3 組網方案
ZigBee 網絡的拓撲結構有三種：星型、樹型、網狀型[1]。星型網絡是目前應用比較頻繁的網絡拓撲結構。它呈輻射狀，網絡協調器作為通信中心，和其他的終端設備（END）相連，并傳播相關數據和命令。網型網絡的環境適應力比較強，網絡協調器負責構成基本網絡結構，終端設備不參與路由且任意兩個終端設備在其覆蓋范圍內都能通過無線相連接，通信障礙比較少，可靠性非常強。在進行組網方案設計時，主要考慮以下幾個因素：
首先，網絡協調器是網絡結構的中心節點，因此，要考慮在同一時間內，對通信狀況沒有影響下，中心節點所能接受的連接點的數量最上限。
第二，要考慮信號的有效覆蓋的最大范圍，與此同時還要考慮到當距離發生變化時網絡的有效性變化與否。
第三，考慮網絡結構中節點密度對網絡的各項性能是否有影響。
第四，考慮網絡性能和網絡路由器中各項參數的聯系。
第五，由于傳感器的節點位于室外，因此電池的更換比較麻煩，其電量對網絡整體性有著很大的影響。因此在水質監測系統中，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，使每個設備都可以與其他設備連接，并對服務搜索進行初始化。然后進行設備綁定，使每個節點都加入進網絡系統中，只有當每個節點的指示燈都發亮的時候即說明組網完成。
3.4 監測中心系統方案
在水質監測中，當監測網絡組建完成后，需要利用傳感器對不同水質的相關參數進行采樣，再利用信號調整電路對其放大，使其適于A/D轉換。首先要選擇合適的傳感器類型，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行測量。由于檢測的位置位于靠近海邊等潮濕的環境中，在設計電源的時候，最好采用太陽能供電，且最好為雙電源。
4 結束語
供水系統和人們生活息息相關，必須保證飲水和用水健康才能創造更好的生活環境，提高人民的生活水平。因此建立合理、完備的水質監測系統是十分重要的，如何在原有的水質監測網絡結構基礎上擴大其容量，增加通信成功率是未來要研究的重點內容。
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