农村饮用水安全监测的WSN节点设计及其组网研究

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水是生命之源,直接关乎人类的身心健康,农村饮用水水体的浊度、盐度、溶解氧浓度、酸碱度(pH值)、氨氮含量、电导率等水质指标都在不同程度上影响人民的身心健康。农村饮用水水质的超标问题更是直接威胁着我国农村饮水安全,为保障农村饮水安全,提高生活质量,必须对农村饮用水水质参数进行实时监测。无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)的兴起,将逻辑上的信息世界和真实的物理世界紧密地结合起来,实现智能化监测和控制,已得到广泛的应用。本文以无线传感器网络应用于水环境监测为研究背景,分析了国内外饮用水安全监测情况和无线传感器网络的应用现状,针对传统水质监测技术存在污染报警滞后、数据传输障碍和成本高等问题,设计了一种适用于农村饮用水安全监测的WSN节点并对其进行组网研究。节点以STM32F103ZET6处理器为核心,WLK01L39无线通信芯片及其外围电路作为无线通信模块,传感器模块由美国ASI公司的FiveProbeSensor传感器及其外围电路组成,还包括供电模块、串口模块、GPS模块及能源管理模块的设计。在软件设计上,节点采用休眠唤醒工作机制来降低功耗。为节点编写了驱动程序、通信协议和应用程序,其中包括系统初始化、传感器数据采集与处理、路由协议、数据传输方式、休眠唤醒机制、时间同步算法和组网入网协议等程序。对节点的主要性能,包括节点功耗、通信距离、电池放电特性、生命周期、性能比较和功能拓展等进行了分析和测试。组网试验结果表明:节点及其网络系统运行稳定可靠,组网系统有效通信距离远,具有低功耗、异常报警等优点。将无线传感器网络技术应用在农村饮用水安全监测中,符合当前饮用水水质监测智能化与信息化的要求,对提高农村饮用水质量、保障饮用水安全、减轻监测人员工作强度等都具有良好的实际效益。
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