基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測

引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，水環(huán)境的狀況越來越惡劣。實(shí)時(shí)監(jiān)測水環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)水環(huán)境本身有著重要的意義。

目前針對(duì)水環(huán)境的數(shù)據(jù)采集有兩種主要方式：一是建立觀測站，其破壞性大、監(jiān)測實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、成本高、移植性差。二是人工取水樣，采集至實(shí)驗(yàn)室分析，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、采集時(shí)間長、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確且受天氣、地域、時(shí)間等限制。本文提出采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測水環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)。WSN具有成本低廉、移植性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)包括節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)三部分的設(shè)計(jì)。它采用ZigBee協(xié)議自動(dòng)組網(wǎng)和將CC2530作為主控芯片對(duì)水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì),匯聚節(jié)點(diǎn)收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，然后通過GSM/GPRS傳送至上位機(jī)平臺(tái)。上位機(jī)平臺(tái)的軟件對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的參數(shù)信息和節(jié)點(diǎn)本身信息作相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析與處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測水環(huán)境中的參數(shù)、污染物排放情況、水質(zhì)情況以及水環(huán)境中突發(fā)狀況。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)概述

本文提出的水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于建立河流水庫等大范圍、具有自組網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、多跳傳輸和自修?fù)功能的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)和GSM/GPRS實(shí)時(shí)傳輸?shù)南到y(tǒng)，如圖1所示。

WSN系統(tǒng)包括了節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)及處理平臺(tái)。其中節(jié)點(diǎn)采用人工的方式均勻部署，WSN通過ZigBee協(xié)議自組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再通過GSM/GPRS傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的水質(zhì)監(jiān)控中心，之后將由監(jiān)測管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析比較與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則提示操作人員注意對(duì)應(yīng)區(qū)域的環(huán)境狀況，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測要求,安裝在河流、水庫、工業(yè)廢水排污口等地點(diǎn)并以野外無人值守方式工作，通過傳感器采集監(jiān)測水環(huán)境區(qū)域中的離子濃度、鹽度、電導(dǎo)率、濃度等的參數(shù)。為了建成一個(gè)針對(duì)不同測試環(huán)境可任意組合的多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)需求如下：

（1）多種指標(biāo)監(jiān)測：依據(jù)各行業(yè)廢水參數(shù)主要在線監(jiān)測指標(biāo)可知，對(duì)于不同區(qū)域的水質(zhì)，所需要測量的指標(biāo)也不同。要求同時(shí)監(jiān)測多種水質(zhì)指標(biāo)，并根據(jù)不同區(qū)域選擇不同的傳感器組合。

（2）節(jié)點(diǎn)電源模式：由于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝在戶外，分布較散，只能采用電池電源供電。為延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在軟件上優(yōu)化或采用太陽能供電。

（3）多拓?fù)涠喙?jié)點(diǎn)無線通信：為實(shí)施對(duì)某片水域的水環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，需要在目標(biāo)流域內(nèi)部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)將采集到的參數(shù)傳送到中央控制系統(tǒng)，從而完成目標(biāo)流域的數(shù)據(jù)采集。因處于不同的監(jiān)測環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的空間分布差異較大，例如對(duì)水庫湖泊環(huán)境的監(jiān)測，需要將大量監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在水域內(nèi)均勻分布；對(duì)江河流域水質(zhì)的監(jiān)測，則需要將他沿著河岸分布，形成鏈狀結(jié)構(gòu)；若是監(jiān)測排污口，則節(jié)點(diǎn)主要分布于排污口附近區(qū)域。因此要求監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，并實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)接力通信的功能。

（4）設(shè)備成本：傳感器無線網(wǎng)絡(luò)需要大量節(jié)點(diǎn)，因此應(yīng)考慮成本問題，盡可能精簡設(shè)計(jì)，降低節(jié)點(diǎn)的總成本。

2無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點(diǎn)核心模塊由主控MCUSTC89C52和ZigBee通信模塊CC2530組成，普通節(jié)點(diǎn)由CC2530外圍連接若干種針對(duì)不同監(jiān)測項(xiàng)目的傳感器，通過這些傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同測試環(huán)境可任意組合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，不同水環(huán)境可選擇不同的傳感器組；ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)收發(fā)主要由CC2530模塊負(fù)責(zé)，利用Z-Stack協(xié)議棧的API接口，模塊實(shí)現(xiàn)了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等任務(wù);傳感器模塊的接口按照標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通信接口設(shè)計(jì)，保證了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和平臺(tái)化，具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。參數(shù)檢測傳感器所采集的數(shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路，若為數(shù)字信號(hào)則直接送至CC2530單片機(jī)；若為模擬信號(hào)則需先經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波，再發(fā)送給CC2530的內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器。CC2530節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)絡(luò)通過RS232接口與匯聚節(jié)點(diǎn)中的主接芯片STC89C52連接。匯聚節(jié)點(diǎn)接GSM模塊，該模塊通過GPRS將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并分析。

2.2傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee無線通信模塊選用德州儀器(TI)ZigBee處理芯片CC2530,該芯片是專為ZigBee及IEEE802.15.4應(yīng)用設(shè)計(jì)的SoC芯片。CC2530適用于有低功耗工作需求的設(shè)備，具有多種低功耗操作模式，通過設(shè)置芯片內(nèi)部的電源管理控制器可關(guān)閉芯片部分內(nèi)部時(shí)鐘和射頻模塊的電源，使芯片進(jìn)入不同程度的低功耗模式，并且可以在各種低功耗模式間進(jìn)行快速切換，進(jìn)一步降低電流損耗。CC2530的8051內(nèi)核通過芯片中設(shè)置的RF指令集處理數(shù)據(jù)收發(fā)、中斷、DMA和FIFO等硬件抽象層的工作。CC2530在應(yīng)用層到硬件抽象層之間加入了BasicRF層，對(duì)CC2530進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幊虝r(shí)，利用BasicRF層提供的通信API函數(shù)，可以極為便捷地實(shí)現(xiàn)用戶的程序工作量，無需進(jìn)行硬件抽象層的各種繁雜設(shè)置和狀態(tài)處理。

匯聚節(jié)點(diǎn)中主控MCU選擇的是STC89C52和CC2530。STC89C52與CC2530均具有低功耗、高性能的特性，尤其適用于使用電池供電，要求長時(shí)間工作的場合。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送以及收發(fā)命令。

本設(shè)計(jì)方案將STC89C52與CC2530結(jié)合，通過UART接口與ZigBee模塊通信把得到的數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線發(fā)送與命令接收。

2.2.2傳感器模塊

傳感器模塊是監(jiān)測水環(huán)境參數(shù)的關(guān)鍵。用戶可根據(jù)不同的水環(huán)境選擇監(jiān)測不同的參數(shù)。主要監(jiān)測數(shù)據(jù)有離子濃度、鹽度、電導(dǎo)率和溫度。其中，離子濃度、鹽度和溫度傳感器為購置傳感器，電導(dǎo)率傳感器為自制傳感器，下文將詳細(xì)介紹該傳感器，其他傳感器忽略。

電導(dǎo)率傳感器是由一根鐵棒和一根黃銅棒組成，根據(jù)相關(guān)化學(xué)知識(shí)可知，兩個(gè)金屬棒在水體中會(huì)發(fā)生陽離子和陰離子的移動(dòng)，產(chǎn)生電流形成恒流源。若在兩個(gè)金屬棒上串聯(lián)一個(gè)阻值合適的精密電阻，則可監(jiān)測污染物排放后水體的導(dǎo)電性能。金屬物含量多的廢液的排放將會(huì)改變水的導(dǎo)電性能，該排放物濃度越高，水的導(dǎo)電性能越好。具體過程為，排放污染物越多，排放位置的一些酸堿性的離子就越多，產(chǎn)生的電流越大,導(dǎo)電性能就越好。再通過污染物擴(kuò)散，傳感器節(jié)點(diǎn)測得各點(diǎn)位置的導(dǎo)電率后可實(shí)時(shí)預(yù)估污染源的位置及污染程度。自制電導(dǎo)率傳感器如圖3所示。

2.2.3電源模塊

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)電源系統(tǒng)要求的低功耗、長時(shí)間工作、低成本的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電源選擇了鋰亞硫酰氯電池ER34615(鉛酸蓄電池能量小、重量大、對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)、電解液需要定期維護(hù)，同時(shí)太陽能電池成本高、體積大，因此具有高性能、高可靠性、工作溫度范圍廣等特點(diǎn)的鋰亞硫酰氯電池是更好的選擇)在本設(shè)計(jì)中，匯聚節(jié)點(diǎn)由STC89C52和CC2530組成。普通節(jié)點(diǎn)僅用CC2530。采用ZigBee低功耗設(shè)計(jì)，在節(jié)點(diǎn)采集、傳輸數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入工作模式，傳輸完成后進(jìn)入節(jié)能模式，可大幅度降低系統(tǒng)的能量損耗，并且配合高能量密度的鋰電池使用，可以滿足長時(shí)間工作的要求，且有效降低節(jié)點(diǎn)的體積和重量田。

2.3節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要利用單片機(jī)STC89C52和ZigBee通信模塊CC2530負(fù)責(zé)信息的采集控制與無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。CC2530負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)上各個(gè)水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量值到理化值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后再按一定格式打包，通過UART接口發(fā)送到STC89C52單片機(jī)，最后經(jīng)過GSM/GPRS模塊向遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行傳輸；ZigBee模塊由主控單片機(jī)發(fā)送初始化自組網(wǎng)命令和自恢復(fù)命令，實(shí)現(xiàn)初始組網(wǎng)與自動(dòng)檢測恢復(fù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與連接。軟件工作流程見圖4。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有簡單的分布式處理數(shù)據(jù)的能力。如對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較，可知是否有參數(shù)超標(biāo),若有則預(yù)警，若無則連接網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)也有優(yōu)化軟件,使其功耗最小化。

3結(jié)語

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與水環(huán)境參數(shù)監(jiān)測相結(jié)合，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)與通信，而使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以大范圍鋪設(shè)，不受區(qū)域限制，可實(shí)現(xiàn)其對(duì)水環(huán)境中各類參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。同時(shí)也可以作為工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

20211223_61c445809233c__基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水環(huán)境中參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測