基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì) 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

為了徹底解決傳統(tǒng)人工水質(zhì)監(jiān)測及DCS、現(xiàn)場總線方式在管理及應(yīng)用上存在的布線困難、成本高等不足，本文提出了以智能水質(zhì)傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、專家?guī)鞌?shù)據(jù)庫為核心的物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過分布式動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、24h不間斷的監(jiān)測，同時(shí)通過布設(shè)在水源地具有定位功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠偵測到飲用水源的污染情況，從而提高管理效率、保障供水安全，解決飲用水及養(yǎng)殖業(yè)水質(zhì)在線監(jiān)測和管理問題。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程

本系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。系統(tǒng)在水源地布置多個(gè)水上節(jié)點(diǎn)（水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程視頻采集節(jié)點(diǎn)、水質(zhì)參數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)、ZigBee+GPRS無線網(wǎng)關(guān)），然后通過水質(zhì)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集PH值、水溫、水位、溶氧量等水質(zhì)參數(shù)，并通過ZigBeeEndpoint上傳給無線網(wǎng)關(guān)的ZigBeeCoordinator，再由后者經(jīng)串口送入GPRS傳送到服務(wù)器；同時(shí)通過IPCamera（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）采集水面視頻信息，由3G方式送入（移動(dòng))服務(wù)器。運(yùn)行于服務(wù)器上的信息管理系統(tǒng)將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，并根據(jù)飲用水用水管理要求實(shí)時(shí)預(yù)警、告警，自動(dòng)下發(fā)控制指令到GPRS無線網(wǎng)關(guān)，然后由ZigBee網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令到水質(zhì)參數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)增氧機(jī)或PH值調(diào)節(jié)設(shè)備、水泵等，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)用水參數(shù)。管理人員則可通過PC、平板電腦或PDA等方式獲取實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1水質(zhì)傳感器選型

以養(yǎng)殖用水為例，一般需要對(duì)水環(huán)境中的PH值、濁度、水位、溶氧量、溫度等五項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測o本系統(tǒng)選用北京聯(lián)創(chuàng)與中國農(nóng)大開發(fā)的、具有測溫和溫度補(bǔ)償功能的PH10、TS10、WL10、DO10四類智能傳感器來對(duì)水的PH值、濁度、水位、溶氧量、溫度等五項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。四類傳感器均可通過RS485總線接收來自外部MCU的控制指令，然后返回測量原始值、溫度值、工程值等三個(gè)參數(shù)，因而可以大大簡化感知層的設(shè)計(jì)工作。

2.2CC2530節(jié)點(diǎn)的接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)選用成都感智信息技術(shù)有限公司的CC2530節(jié)點(diǎn)，該類節(jié)點(diǎn)帶有CC2591增益放大模塊，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1km。由于CC2530不支持RS485通訊，因而需要設(shè)計(jì)RS485轉(zhuǎn)3.3VTTL電路，圖2所示就是CC2530無線節(jié)點(diǎn)與RS485傳感器的接口電路。其中，5.0V直流電壓主要為傳感器供電，3.3V直流電壓為CC2530節(jié)點(diǎn)供電。通訊接口轉(zhuǎn)換芯片選擇MAXIM公司的MAX13487，光耦TnT2用于CC2530與RS485總線的隔離，R?、R9用于采樣電源電壓以便服務(wù)器端能實(shí)時(shí)判斷節(jié)點(diǎn)的供電情況，Rs、虬、R,、C5、C6,以、D2,D3、L1、L2等為RS485總線匹配電路。

2.3增氧機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的增氧機(jī)控制電路如圖3所示，CC2530節(jié)點(diǎn)通過P0.1控制光耦T1，并驅(qū)動(dòng)Q1控制繼電器J1，從而控制增氧機(jī)電源的通斷，達(dá)到啟動(dòng)/停止增氧機(jī)的目的。

另外，還需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)傳輸層無線網(wǎng)關(guān)，一般的傳輸層無線網(wǎng)關(guān)應(yīng)當(dāng)內(nèi)置有CC2530通信模塊、S3C2440控制器、MG323GPRS通信模塊，并設(shè)計(jì)有存儲(chǔ)、電源管理，以及以太網(wǎng)接口。

3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件由感知層WSN軟件子系統(tǒng)、傳輸層ZigBee/GPRS軟件子系統(tǒng)和應(yīng)用層水質(zhì)信息管理系統(tǒng)等三部分構(gòu)成。

3.1感知層WSN軟件子系統(tǒng)

感知層WSN軟件子系統(tǒng)是根據(jù)表1所示的通訊協(xié)議，基于ZigBee2007Pro開發(fā)的具有自組網(wǎng)功能的星型網(wǎng)絡(luò)。其中,幀類型主要有節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、獲取傳感器參數(shù)、調(diào)節(jié)水質(zhì)參數(shù)等。表1所列是系統(tǒng)的WSN數(shù)據(jù)幀格式。表2和表3所列是其水質(zhì)傳感器的通訊幀格式。只要在下行鏈路中下發(fā)指定格式的指令，便可通過上行鏈路獲取到如表3所列的返回?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)而提取出原始值、溫度值、工程值等參數(shù)。

3.2傳輸層ZigBee/GPRS無線網(wǎng)關(guān)軟件子系統(tǒng)

ZigBee/GPRS無線網(wǎng)關(guān)用于完成管理控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以支持WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，并支持ZigBee及GPRS接入，從而橋接WSN與互聯(lián)網(wǎng)。

3.3應(yīng)用層水質(zhì)監(jiān)控信息管理系統(tǒng)

應(yīng)用層水質(zhì)監(jiān)控信息管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過WebService提供面向ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)和用戶的服務(wù)。WebService服務(wù)接口提供的主要服務(wù)接口如表4所列。

應(yīng)用層數(shù)據(jù)決策由專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，它由知識(shí)庫、推理機(jī)、解釋器、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等組成。主要子系統(tǒng)包括水質(zhì)環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、專家決策及知識(shí)查詢子系統(tǒng)、系統(tǒng)配置子系統(tǒng)、在線技術(shù)支持子系統(tǒng)等。

4結(jié)語

本文基于水質(zhì)傳感器、GPRS、ZigBee等技術(shù)手段設(shè)計(jì)了一套水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，能對(duì)大范圍水面進(jìn)行PH值、濁度、水位、溫度、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測。在感知層中，本系統(tǒng)提供有開放的協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，只要在CC2530節(jié)點(diǎn)上配置以不同的傳感器，便可對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測進(jìn)行擴(kuò)展；而在傳輸層，則利用3G網(wǎng)絡(luò)和ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的開放性，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸；在應(yīng)用層中，系統(tǒng)通過WebService提供面向ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)和用戶的服務(wù)，同時(shí)，本系統(tǒng)還可以方便地進(jìn)行傳感器的配置、增減和數(shù)據(jù)展示。

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