關於計算機軟體輔助水質監測問題
常見計算機軟體輔助水質監測
摘 要：隨著現在工業的快速發展，水汙染的矛盾日益突出，能夠快速、準確和自動的進行水質監測就顯得尤為重要。常見計算機軟體ZigBee與WSN結合GPS定位技術，建了水質引數採集的無線通訊網路，介紹了這兩種軟體是如何輔助進行水質監測。
近年來，由於工業的快速發展，水體汙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。過去人們透過人工現場取樣、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、取樣誤差大，難以滿足現代環境管理的需求。隨著計算機資訊科技的發展，計算機軟體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、現代網路及無線通訊技術，能夠自動採集監測資訊，自動處理，滿足了水質監測中快速、準確和自動的需求。
1 硬體設計
1.1 ZigBee無線通訊模組
在水質監測系統中，ZigBee 模組是感測器節點的基礎部分，它在路由節點處也能夠作為FFD，和水質檢測模組共同實現輔助水質檢測的功能。而另外三個普通感測器節點上的ZigBee 模組都是RFD，作為樹型網路的葉裝置連線到網路中[1]。樹型網路網路拓撲的一種，是星型網路集合在一起構成的系統。它能夠實現資訊的節點“跳躍”，跨越障礙到達目標節點。
在用於輔助水質監測的計算機軟體中，無線感測器網路結構分為三層，經研究探討發現樹型網路最適合用於輔助水質監測。首先，在最底層中，感測器節點主要負責收集相關資料並獲的水質引數。在中間層中，所有從感測器接受的傳送資料彙總至網路協調器，由協調器對所有資料進行處理。與此同時，中間層還添加了一級路由，實現了水質引數功能。在最上層中，計算機佔據中央位置，它能夠對來自網路協調器的全部資料進行展示。
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資訊。
2.1 GPRS網路通訊
GPRS在資訊傳遞中主要使用行動網路，它具有傳遞速度比較快，涵蓋範圍比較廣，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，資料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作為水質資料資訊的傳送通道在進行資料分析和處理之後，將資料傳送至資料中心。
2.2 WEB應用程式設計
水質線上自動監測系統由水資源資訊採集中心、水質監測站等組成[2]。在監測站所測得的相關水質資料資訊以資料通訊骨幹網為主要通道，GPRS作為備用通道，將資料資訊傳遞至資料資訊中心。水質監測系統的WEB程式設計如下：
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、壓力流量感測器和採水管道為主要成分[2]。在水樣預處理單元中，一旦出現異常情況，PLC會切斷其電源並使用備用泵，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體進行控制，同時它也是由PLC間接控制的。它的主要功能是進行純水等型別水的製備。
第三.水質監測分析單元具有自動量程轉換、遙控、標準輸出介面和數字顯示、自動清洗、狀態自檢和報警、幹運轉和斷電保護、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並進行校正。
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組，主要有三個模組：資料庫模組，模型庫模組與水質管理模組。在不同模組中設定不同的程式，實現每個程式都能夠獨立自主的完成其內部任務，並儘量將每個任務都細化。首先，利用arcview本身具有的編輯功能， 基本上可以實現對檢視特徵及其屬性資料的新增、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資訊利用的功能，如新增與刪除。這些設計能夠為操作增加方便性，還沒有用過arcview的使用者只要點選按鈕即可。
水質監測系統可以分析和計算不同種類的水資源相關資料資訊。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，系統設計主要利用複雜程度比較低的.比較手段，編制出平均值的程式碼程式。
3.2 WSN 節點
WSN即Wireless Sensor Network，無線感測網路。它由很多靜止或是活躍的感測器節點構成，能夠以自組織形式構成網路系統。在網路覆蓋的地區內，監測、收集、處理與傳送相對應的資訊，網際網路與衛星和任務管理中心相連，與此同時和匯聚閘道器節點相連。匯聚網節點和不同的感測器節點相連。它可以比較方便的獲得隨機性的研究資料[1]。
3.3 組網方案
ZigBee 網路的拓撲結構有三種：星型、樹型、網狀型[1]。星型網路是目前應用比較頻繁的網路拓撲結構。它呈輻射狀，網路協調器作為通訊中心，和其他的終端裝置（END）相連，並傳播相關資料和命令。網型網路的環境適應力比較強，網路協調器負責構成基本網路結構，終端裝置不參與路由且任意兩個終端裝置在其覆蓋範圍內都能透過無線相連線，通訊障礙比較少，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，網路協調器是網路結構的中心節點，因此，要考慮在同一時間內，對通訊狀況沒有影響下，中心節點所能接受的連線點的數量最上限。
第二，要考慮訊號的有效覆蓋的最大範圍，與此同時還要考慮到當距離發生變化時網路的有效性變化與否。
第三，考慮網路結構中節點密度對網路的各項效能是否有影響。
第四，考慮網路效能和網路路由器中各項引數的聯絡。
第五，由於感測器的節點位於室外，因此電池的更換比較麻煩，其電量對網路整體性有著很大的影響。因此在水質監測系統中，需要考慮感測器的電能利用率。
在以上參考因素基礎上，依照裝置的不同功能編制相應的計算機程式，使每個裝置都可以與其他裝置連線，並對服務搜尋進行初始化。然後進行裝置繫結，使每個節點都加入進網路系統中，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 監測中心繫統方案
在水質監測中，當監測網路組建完成後，需要利用感測器對不同水質的相關引數進行取樣，再利用訊號調整電路對其放大，使其適於A/D轉換。首先要選擇合適的感測器型別，並根據感測器設定相應的測量裝置與方法。然後對水溫、PH 值和電導率等引數進行測量。由於檢測的位置位於靠近海邊等潮溼的環境中，在設計電源的時候，最好採用太陽能供電，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路結構基礎上擴大其容量，增加通訊成功率是未來要研究的重點內容。