第 1 章 绪论
1.1 论文的背景及意义
伴随着社会经济的飞速发展，工业污染源造成的污染越来越严重，产生了巨大的经济损失和不良的社会影响，对人们的生存构成了威胁。现有污染监测系统存在着污染监测不够准确、全面，系统实时性差的问题。一些污染源企业采取各种手段对污染物偷排偷放，一旦发生环境污染事故，环保部门发现时，污染已经大面积发生。因此，建立工业污染源的在线监控，实现对污染物排放的有效监测，就成为治理工业污染的重要举措。国家环保总局在环境保护“十五”计划中已经把实现污染源在线监测作为工作重点，要求全国重点城市实现占区域污染负荷 65%以上的企业安装水质监测设备，并全面实现联网管理[1]。传统的环境监控主要采用固定电话、CAN 总线等有线通信方式，不适应污染源监测点分散、监测地域偏僻、布线困难的情况。分析显示，采用电话拨号进行数据通信的监测系统中，电话传输方式导致的系统故障大约占总体故障的 51%[2]。由于目前国内环境监控手段比较落后，科技含量较低，速度慢且费用高，系统实时性、稳定性、容错性差，未建成实时在线的监控系统，在时间和空间上无法做到全面监测，监测效率低，造成了严重的工业污染。同时，随着环境保护需求标准的提高，许多监控系统的设备或监测点无人值守，不适合使用有线通信网络。移动通信技术的不断发展，使得以 GPRS、CDMA 和 3G 为代表的无线通信方式作为传统有线通信的重要补充，成为未来网络化的趋势[3]。而在环境监控系统中引入无线通信技术，与传统的有线通信方式相比，将在更大程度上保证监测数据的可靠性和完整性，并大大增强组网方式的灵活性。利用在线污染监控系统能够改变传统方式中环境数据在时间分布上的离散状态，而且容易建立大中型的环境监测网络[4]，提高环境监测与管理的自动化、信息化水平和工作效率。因此，结合高新科技探索新型污染源在线监控技术成为近几年研究的热点。
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1.2 污染监控系统研究历史及现状
随着计算机技术、通信技术、网络化技术以及自动控制技术的发展，污染监控技术也在不断发展。污染监控系统可以分为以下四个发展阶段。20 世纪 50 年代，环境监测处于人工检测阶段[5]。监测工作不能很好的反映环境的连续动态变化，而且也不易发现由于突发事件造成的严重环境污染，监测工作对于及早发现污染源，及时预报环境均有很大影响。20 世纪 70 年代初期以来，世界各国纷纷采用自动控制，化学分析和计算机检测和控制等新兴技术来建立环境监测系统[6]。英美日等发达国家花费大量资金来进行环境监测设备的研究，通过计算机检测和控制技术实现监测设备的自动化和更好的数据处理，并通过环境评价指标来评估环境在线监测系统。1975 年，美国纽约开始建立国家水质监测网，进行自动监测，建立了国家水污染警戒系统。20 世纪 90 年代以后，亚非拉的发展中国家也开始自主研究并逐步建立环境监控系统。在非洲，许多国家在国际银行和金融机构的支持下，完成了非洲撒哈拉大沙漠以南国家的 EIS 工程[7]。通过该系统，不同非洲国家间能够共享环境信息，从而对环境进行更好的保护，促进社会可持续发展[8]。进入 21 世纪后，随着计算机科学、互联网和通信技术的快速发展，环境监测设备实现了自动化控制，污染源在线监测系统也得到快速发展，实现了数据无线传输和网络化管理。在工业污染在线监控系统中，互联网技术、计算机软件和无线通信等各种先进技术都得到了较好的应用。
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第 2 章 系统体系结构
2.1 嵌入式工业污染源监控系统的体系结构
嵌入式工业污染源系统分为无线传感器网络、嵌入式控制节点和监控中心三部分，各部分具备功能如下。传感器节点主要完成工业环境数据的采集和传输工作。根据目前水质安全评价方法发展趋势，该工业污染源水质检测参数包括：温度、pH 值、电导率、溶解氧、浊度。基于无线传感器网络技术，研究和设计面向工业污染源的无线传感器网络信息监控系统。经分析和设计，该监控系统设计需求的功能有以下几个方面。（1）数据的自动监测。针对工业排放的污水进行自动连续监测，远程自动传输数据，并通过查询随时获取特定节点的污水水质数据。（2）系统需要对节点进行实时监测。系统需要上传相应节点的状态数据，该状态包括节点类型和相应节点剩余电量，设定电池剩余阈值，当电压降低至阈值且节点是人可触及的地方，应及时更换电池以保证无线网络的稳定性。
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2.2 系统的总体框架设计
嵌入式工业污染源系统是集数据显示、远程传输和网络在线分析于一体的软硬件平台，可以根据实际需求，查看传感器节点采集的温度、pH 值、电导率、溶解氧、浊度等污染参数值、以及排污企业信息，并对污染源进行预警。在充分综合考虑可靠性、系统构建简单、成本和性能等因素情况下，选用了 32 位的 ARM9 处理器进行主控节点的设计。系统总体框架如图 2-1 所示。工业污染源系统的工作过程如下：首先通过 ARM 上电实现开启控制节点，实现控制节点的各项初始化设置；通过串口接收无线传感器网络中汇聚节点上报的数据，ARM 处理器对数据进行解析、处理；通过 LED 显示屏对实时和历史数据进行显示；将打包后的数据通过 GPRS 模块发送到 Internet 上（也可通过以太网网络接口将数据发送到监控中心），监控中心对接收到数据进行管理、发布和预警。
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第 3 章 无线传感器节点软硬件设计....20
3.1 无线传感器节点硬件设计 ......20
3.2 系统硬件接口设计 ......26
3.3 传感器节点软件设计 ........28
3.4 TinyOS 在 CC2430 上的移植开发.......35
3.5 本章小结 ....40
第 4 章 控制节点软件开发环境构建与设计实现........41
4.1 控制节点嵌入式开发环境构建 .....41
4.2 软件设计与实现 .....50
4.3 本章小结 .....58
第 5 章 污染源在线监控中心的设计与实现....59
5.1 监控中心的总体架构设计 .......59
5.2 监控中心的通信服务器设计与实现 .........59
5.3 监控中心信息管理系统的设计与实现 .....62
5.4 监控中心的数据库设计 .....71
5.5 本章小结 .....75
第 6 章 系统的 WSN 通信验证
6.1 WSN 节点通信验证
以 MSP430F169 微处理器和 CC2430 射频芯片为中心对其它器件进行布局，制作出的节点电路板如附录图 3 所示。为防止信号模块的干扰，把射频部分放置在右下方，电源开关连接则放在左侧，接口均安排在电路板的边缘部分。基于已有的传感器节点和汇聚节点硬件设备，对该工业污染源监控系统设计进行通信验证。实际传输距离测试是测试该监控系统设计节点的传输有效性。节点的全部传感器均放置在工业厂区水环境下，传输测试分别在无障碍和有障碍条件下进行。节点之间采用低功耗监听的通信方式，并设定节点的睡眠间隔为 125 毫秒，在保持 6 毫秒的活动时间来监测是否有信号到来，如果有信号，则节点射频继续保持 10 毫秒的监听时间，否则将进入下一个睡眠间隔。这样使节点大部分时间都处在睡眠模式，而且通过周期性的醒来以保证数据的接收。该测试模型如图 6-1 所示。
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总结
随着工业快速发展，环保意识的提高以及 WSN 等无线通信技术的发展，嵌入式工业污染源在线监控系统具有广阔的使用价值和应用前景，本项目设计开发了一种基于WSN 的嵌入式工业污染源监控系统。主要做了以下工作：
1.对基于 WSN 的嵌入式工业污染源监控系统在国内外发展现状及其未来趋势进行分析，指出了项目的研究背景和意义。分析嵌入式工业污染源监控系统相关技术，为系统的设计与实现奠定基础。
2.分析了系统功能及性能的需求，以进行系统总体框架设计。嵌入式控制节点以ARM 为主控制器结合按键与显示模块、电源模块以及 GPRS 通信模块，完成本系统的控制节点硬件设计。完成了系统控制节点软件平台搭建和软件设计实现，包括通信协议、数据管理、人机交互和远程通信等功能。
3.根据工业污染源控制需求提出了 WSN 传感器节点部署方案，以 MSP430F169 和CC2430 芯片为核心，设计了节点应用及接口电路。设计了 WSN 传感器节点的软件模块，给出了命令接收、数据采集、数据融合处理、数据传输的软件设计流程；通过 ZigBee协议组网，设计了汇聚节点和传感器节点的软件工作流程和数据通信格式；使用 TinyOS操作系统来执行节点任务。
4.设计实现了工业污染源网络在线监控中心的功能模块和数据库，为系统用户和工业企业用户设计了污染因子信息的查询、管理、预警的可视化监控系统。在线监控中心系统主要包括污染源企业信息管理、传感器节点管理、污染因子信息管理、用户管理、短信管理和预警管理等内容。
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参考文献（略）