1.引言

到目前為止,世界上越來越多的國家都已將無線傳感技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和管理信息系統(tǒng)相結(jié)合,應(yīng)用于湖泊水質(zhì)監(jiān)控之中,在美國、英國和日本等歐亞國家已有相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用。例如,公司設(shè)計(jì)制作的一個(gè)用于監(jiān)測海水溫度梯度變化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大學(xué)里,研究人員在校園內(nèi)湖泊中部署自行設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。同時(shí),以水環(huán)境綜合評價(jià)指其特定項(xiàng)目為基柵的水環(huán)境在線監(jiān)測信息系統(tǒng)也紛紛建立起來。然而,在國內(nèi),雖然湖泊監(jiān)控方法有了一定的發(fā)展,但是,大部分省市建立的湖泊在線監(jiān)測系統(tǒng)水平參差不齊,其中僅僅只有北京、上海、蘇州等城市,率先出臺了湖泊水污染源在線臟測管理的措施和辦法。另外,目前國內(nèi)的湖泊水污染監(jiān)控,還主要以人工監(jiān)拴為主,無法自動實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測與管理,對出現(xiàn)的危險(xiǎn)現(xiàn)象也無法及時(shí)地做出報(bào)警。綜上所述,對以上現(xiàn)存的國內(nèi)外湖泊監(jiān)控方法的分析與研究之后,可發(fā)現(xiàn)目前存在著以下三點(diǎn)不足:第一,這些湖泊監(jiān)控方法,主要集中在湖泊水質(zhì)的監(jiān)拉,缺乏湖泊水岸線人的行為是否會對湖泊產(chǎn)生污染的監(jiān)控技術(shù),因?yàn)槿说男袨榧航?jīng)成為湖泊污染的主因。第二,這些湖泊監(jiān)控方法,也缺乏湖泊水域上人的行為是否會對湖泊產(chǎn)生污染的監(jiān)控技術(shù)。

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2.湖泊監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)

2.1物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)IOT的概念,是在1991年被正式提出,在經(jīng)過幾年的發(fā)展之后,成為了當(dāng)今最前沿的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)之一,并已經(jīng)成為新一代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng),其實(shí)就是指物物相連的互聯(lián)網(wǎng),可以包含兩種不同的含義:第一,物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)件仍然是互聯(lián)網(wǎng),它是任何物品建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上事先約定的協(xié)議,主要通過藍(lán)牙、全球定位系統(tǒng)(GPS)和射頻識別技術(shù)(RFID)等各種信息傳感設(shè)備,與internet(互聯(lián)網(wǎng))連接起來。實(shí)際上,它是對原互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行延伸和擴(kuò)展的一種特殊網(wǎng)絡(luò);第二,物聯(lián)網(wǎng)的用戶端可以拓展到任何物品與物品之間,使物品之間能夠進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)通信,以達(dá)到實(shí)現(xiàn)智能化地識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)以。

2.2定位技術(shù)

定位技術(shù),是屬于物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)中的最底層一一感知層。如何確切、快速得到己知件的發(fā)生位置,是物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用領(lǐng)域中最為關(guān)必的一個(gè)重要問題,通常習(xí)慣上稱作為定位機(jī)制。例如,在湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域中,需要準(zhǔn)確地知道采集得到的水質(zhì)基本項(xiàng)目指標(biāo)信息對應(yīng)著湖泊哪個(gè)具體區(qū)域;在地下水管腔測應(yīng)用領(lǐng)域中,需要立刻知道水泄露的具體地點(diǎn)等等。通常,研究員通過獲得的定位信息,除了可以用來報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)外,還可以對指定的目標(biāo)實(shí)施跟蹤管理,對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的路由進(jìn)行協(xié)助與選擇,對網(wǎng)絡(luò)加以管理等等。因此,在物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)的定位精準(zhǔn)性與否,對各種應(yīng)用有著非常重要的作用與意義。

3.湖泊水岸線的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控..............15

3.1什么是移動物體...........15
3.2基于ZIGBEE的湖泊岸邊無線傳感網(wǎng)絡(luò)...........15
3.3湖泊水岸線移動物體的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控...........16
4.湖泊水域上的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控...........27
4.1什么是移動物體...........27
4.2基子以I-FI的湖泊水域無線傳感網(wǎng)絡(luò)...........27
4.3湖泊水域上按動物體的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控...........29
5.湖泊流域水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控...........42
5.1水質(zhì)指標(biāo)信息采集——傳感器...........42
5.2信息采集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)...........44
5.3湖泊流域水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控...........46

5.湖泊流域水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控

5.1水質(zhì)指標(biāo)信息采集——傳感器

在三水質(zhì)傳感器中,研究員不僅可以看到,諸如氨氮、COD、P三等各種常規(guī)單項(xiàng)檢測水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù),還可以利用三系統(tǒng)中自帶的數(shù)據(jù)模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次地開發(fā)和實(shí)驗(yàn),考察水中加入不同物質(zhì)后,分析各種水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性,進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算;還可以用來考察此時(shí)綜合水質(zhì)是如何變化、呈現(xiàn)何種規(guī)律等信息。同時(shí),還可針對所關(guān)注湖泊的特征污染物來自行設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn),對其進(jìn)行針對性地研究。三系統(tǒng)可以通過自學(xué)習(xí)功能,來建立所觀測湖泊相對應(yīng)的特征污染物數(shù)據(jù)庫。當(dāng)湖泊中一旦出現(xiàn)此種類型的污染物之后,就可以準(zhǔn)確、快速地識別出污染物,并追溯其來源,以達(dá)到智能處理、應(yīng)急預(yù)警的目的。通常,可選擇上述參數(shù)中的至少三種建立模型,也可根據(jù)實(shí)際情況選擇全部或部分參數(shù)。

5.2信息采集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)湖泊水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中,可以由多個(gè)信息采集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)信息采集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要由三個(gè)模塊組成:低功耗芯片組模塊、傳感器接口模塊和電源模塊,如圖5.2所示。其中,低功耗芯片組模塊包括了處理器、射頻模塊以及低功耗管理模塊,低功耗的一體化設(shè)計(jì)可以方便地對芯片進(jìn)行修改,以適應(yīng)低功耗要求。傳感器接口模塊的設(shè)置,可以增加節(jié)點(diǎn)設(shè)備的靈活性,使該節(jié)點(diǎn)連接多種類型的水質(zhì)傳感器。通過配置不同的傳感器接口模塊,可以使節(jié)點(diǎn)設(shè)備匹配不同類型的傳感器,從而以非常小的代價(jià)提供非常高的靈活性。電源模塊,主耍為低功耗芯片組模塊和傳感器接口模塊提供電能支持。電源模塊,由電源采集模塊、電源控制模塊以及電源存儲模塊三個(gè)部分組成。由于信息采集節(jié)點(diǎn)一般王作在野外,無法獲得穩(wěn)定的有線電源,因此考慮采用太陽能,而電源采集模塊負(fù)責(zé)能量的采集。同時(shí),由于太陽能受時(shí)間和天氣等外界因素的影響比較大,因此設(shè)置電源存儲模塊,將采集的能量存儲起來,供無法獲得太陽能的時(shí)候使用。電源控制模塊負(fù)責(zé)整個(gè)電源模塊的管理。

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6.總結(jié)與展望

本文主要研究基于物聯(lián)網(wǎng)的湖泊水域岸線及水質(zhì)監(jiān)控技術(shù),其中包括無線傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、定位技術(shù)、視頻識別技術(shù)和水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)等,分別從湖泊水岸線的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、湖泊水域上的遠(yuǎn)程監(jiān)控與湖泊流域水質(zhì)的監(jiān)控3個(gè)方面,對人的行為進(jìn)行定位和湖泊水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控,它們對湖泊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)預(yù)防能夠起到一定作用。第一,在湖泊水岸線四周移動物體的監(jiān)控技術(shù)中,通過組建湖泊岸邊無線傳感網(wǎng)絡(luò),采用基于RSSI的定位思想,來對移動物體進(jìn)行監(jiān)控。在對原有RSSI采樣值會受湖泊岸邊各種因素的影響分析的基礎(chǔ)上,提出一種防脈沖干擾滑動平均濾波算法(MAF)。同時(shí),提出一種用于監(jiān)控湖泊岸邊四周移動物體的定位算法,主要通過建立移動物體的距離與函數(shù)關(guān)系,進(jìn)行距離測量;然后根據(jù)三邊測量法的基本原理,來計(jì)算出移動物體的二維平面坐標(biāo),形成最終定位。

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參考文獻(xiàn)（略）

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本文編號：67474