基于無線傳感網(wǎng)的污水排放在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

王霞俊，周大農(nóng)，袁 鋒

（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

傳統(tǒng)的污水排放監(jiān)測系統(tǒng)，由提攜式或定點(diǎn)安置在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的傳感設(shè)備，先進(jìn)行各種水質(zhì)參數(shù)（如濁度、pH 值、溫度等）測量，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，進(jìn)行存儲、分析，再通過有線或無線的方式，與監(jiān)控端進(jìn)行通信。這種傳統(tǒng)方式面臨許多問題，當(dāng)監(jiān)測區(qū)域很大、環(huán)境復(fù)雜時(shí)，將會大大增加系統(tǒng)的生產(chǎn)、安裝成本，同時(shí)維護(hù)也比較困難。

隨著無線技術(shù)、有線技術(shù)以及新型傳感技術(shù)的高速發(fā)展，污水排放監(jiān)測系統(tǒng)正向著自動化、實(shí)時(shí)化、智能化、無線化、低功耗等方向發(fā)展。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,WSN）具有覆蓋范圍廣、距離遠(yuǎn)、精度高、快速布網(wǎng)和生產(chǎn)安裝成本低以及對生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、軍事等許多領(lǐng)域[5]。把無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到污水排放監(jiān)測系統(tǒng)中，是人們近幾年來研究的熱點(diǎn)。

針對傳統(tǒng)污水排放監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測耗時(shí)、監(jiān)測信息處理實(shí)時(shí)性差、監(jiān)測能力不足的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)（WSN）技術(shù)與GPRS/3G 技術(shù)的污水在線監(jiān)測系統(tǒng)。在城市污水排放口，設(shè)置由水質(zhì)傳感器組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集城市污水的多種水質(zhì)參數(shù)，并通過GPRS/3G 等無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。這樣在傳統(tǒng)污水監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，只要少許改動，就可以實(shí)現(xiàn)對城市生活污水排放區(qū)域的有效監(jiān)測，同時(shí)生產(chǎn)、施工和維護(hù)的成本也較低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)（WSN）的污水排放在線監(jiān)測系統(tǒng)，整體架構(gòu)主要由前臺和后臺兩部分組成。前臺的主要任務(wù)，是區(qū)域內(nèi)多種污水水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，主要由多個傳感器節(jié)點(diǎn)、少量網(wǎng)關(guān)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)污水水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，然后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，整合后通過Internet、GPRS/3G 等發(fā)送給后臺。除了負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視、維護(hù)工作外，后臺的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心更重要的作用，是負(fù)責(zé)對前臺采集并通過網(wǎng)絡(luò)傳送回來的各種污水水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、加工與分析處理。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)的污水排放在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

主要由各種能夠檢測水質(zhì)的物理、化學(xué)參數(shù)，如pH 值、水溫、色度、渾濁度、透明度、電導(dǎo)率、重金屬、溶解氧等的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)組成。主要作用是完成各種水質(zhì)參數(shù)的采集。除了各種水質(zhì)參數(shù)傳感器，參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)還包括信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制單元MCU 和無線收發(fā)器。作用是控制并把水質(zhì)傳感器采集的數(shù)據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，然后通過無線收發(fā)器發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

1.2 無線傳輸通信模塊

由于數(shù)據(jù)采集區(qū)域的數(shù)據(jù)量會比較集中，需要一個設(shè)備來集中收集這些參數(shù)數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)就是完成這個功能的設(shè)備，可以完成對來自多個污水參數(shù)采集傳感器終端發(fā)來的污水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行整合。從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到監(jiān)控中心，距離一般都比較遠(yuǎn)，可采用現(xiàn)有的相對低廉、傳輸速率較高、性價(jià)比較高的GPRS、3G等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。該模塊主要是指帶GPRS功能的網(wǎng)關(guān)，一方面通過WSN 收集參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的各種水質(zhì)參數(shù)，同時(shí)也要通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位管理機(jī)的連接，以實(shí)現(xiàn)污水水質(zhì)參數(shù)的長遠(yuǎn)距離傳輸。

1.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測中心

主要由遠(yuǎn)程上位管理計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)上傳的污水水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字化、圖形化顯示，實(shí)現(xiàn)對水污染源進(jìn)行遠(yuǎn)程連續(xù)在線自動監(jiān)測。

2 硬件設(shè)計(jì)

污水水質(zhì)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)，是區(qū)域分布的，包括有：傳感器部分、數(shù)據(jù)處理部分、通信模塊功能的節(jié)點(diǎn)，通過自組織方式連接在一起構(gòu)成的自組織無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有監(jiān)測精度高、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、覆蓋范圍大、容錯性強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)。該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，要求成本低，功耗小，壽命長[5]。因此，單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，硬件部分必須采用功耗低、成本低的成熟芯片；軟件部分必須支持多跳的路由協(xié)議，必須能夠滿足監(jiān)測較大范圍的要求。

在商品化水質(zhì)傳感器的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)的污水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過多種標(biāo)準(zhǔn)接口與多種類型的在線分析儀器和傳感器連接，完成水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、分析與傳輸。

本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，其硬件包括：數(shù)據(jù)處理單元（MCU 微控制單元，如LPC2220，存儲器）、傳感器單元（如pH 傳感器等多種傳感器）、一到兩個通信模塊單元（如基于Zigbee的CC2420/CC2430 無線收發(fā)芯片、GPRS/3G 模塊、I/O 接口）以及電源供電模塊單元。為保證傳輸?shù)目煽啃裕梢圆捎媒y(tǒng)一的傳輸協(xié)議。

匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件部分主要包括：數(shù)據(jù)處理單元（MCU 微控制單元）、兩個基于Zigbee的無線收發(fā)通信模塊單元及相應(yīng)電源供電控制管理模塊組成。為了提高對數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)能力，網(wǎng)關(guān)（sink）節(jié)點(diǎn)就可以不含有傳感器單元，同時(shí)由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般距離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)，必須包括一個可以遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)的GPRS/3G 單元。所以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件包括：數(shù)據(jù)處理單元（MCU 微控制單元）、一個基于Zigbee的無線收發(fā)通信模塊單元、一個遠(yuǎn)距離通信單元（如GPRS/3G模塊）及相應(yīng)電源供電管理單元（如圖2所示）。

圖2 參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)電路原理圖

2.1 微控制單元MCU

微控制單元（MCU）除完成污水水質(zhì)數(shù)據(jù)采集并將該模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號的功能外，還要能夠在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、處理，然后存儲- 轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。所以，MCU 要具有足夠強(qiáng)的性能才能滿足要求。

在課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，目前選用的是飛利浦公司的LPC2220，該芯片是屬于ARM7TDMI 系列的微處理器。LPC2220 是基于一個支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S CPU。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用，可使用16位Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。片內(nèi)128 寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速機(jī)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。LPC2220 有144 腳封裝、2個32位定時(shí)器、8 路10位AD轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44 μs）、6 路PWM 輸出以及多達(dá)9個外部中斷管腳。通過配置總線LPC2220 最多可提供76個通用I/O 口。多個串行接口包括2個16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2個SPI 接口。CPU 內(nèi)核工作電壓范圍1.65～1.95 V（1.8V± 0.15 V）、I/O 操作電壓范圍3.0～3.6 V（3.3V±l0%）。

由于豐富的功能模塊、眾多的引腳資源、極低的功耗，使得LPC2220 特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(jī)（POS）、通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其他各種類型的應(yīng)用。

2.2 Zigbee 通信模塊

本系統(tǒng)中Zigbee 通信模塊，采用CC2430 來實(shí)現(xiàn)。CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS 解決方案[11]，能夠提高性能，并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用。

CC2430 芯片包含1個8051 微控制器、128 kB閃存、8 kB RAM、ADC、Timer、AES128 協(xié)同處理器、Watchdog timer、32 kHz 晶振休眠模式定時(shí)器以及21個可編程I/O 引腳。

CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產(chǎn)，工作電流損耗為27 mA；接收和發(fā)射電流損耗分別低于27 mA 或25 mA。CC2430 可以在休眠模式和主動模式之間轉(zhuǎn)換，而且轉(zhuǎn)換時(shí)間超短，特別適合對電池壽命要求非常長的應(yīng)用。

CC2430 與LPC2220 MCU的典型應(yīng)用電路連接圖，如圖3所示。

圖3 CC2430 與LPC2220 MCU 連接圖

2.3 GPRS 無線通信模塊

GPRS 是利用GSM 網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA 信道，可以實(shí)現(xiàn)提供中速的污水水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸。

本設(shè)計(jì)采用SIMCOM公司的SIM300C 芯片[8]。該芯片功能強(qiáng)大，操作簡單，性價(jià)比高。其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持GSM/GPRS 模式。LPC2220的P2.0（98）連接SIM300C的PWRKEY 引腳，以控制SIM300C的開、 關(guān) 機(jī)。 LPC2220的P0.0 （42）、P0.1（49）（UART0-TxD0 RxD0）分別與SIM300C的RxD 和TxD 引腳連接，以實(shí)現(xiàn)板間數(shù)據(jù)的收發(fā)。

微控制單元（MCU）LPC2220 與GPRS 無線通信模塊SIM300C 芯片的硬件電路連接圖如圖4所示。

圖4 GPRS 模塊與MCU 連接圖

2.4 數(shù)據(jù)通信幀格式

CC2430 是一款真正符合IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)芯片。其硬件已經(jīng)可以支持一部分IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀格式如表1所示[5]。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀格式，主要有8 部分組成。前導(dǎo)碼序列字段長度為4 字節(jié)。幀開始分隔符字段長度為1 字節(jié)。物理幀頭的長度為1 字節(jié)，幀控制字段為2 字節(jié)、序列號部分為1 字節(jié)，地址部分為6 字節(jié)，包括目的地址、源地址和個人區(qū)域網(wǎng)身份識別號碼，幀實(shí)體部分為待發(fā)數(shù)據(jù)段，幀校驗(yàn)序列（FCS）為2字節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)工作流程圖

傳感器節(jié)點(diǎn)在開機(jī)后，首先進(jìn)行自檢，MCU 初始化，協(xié)議棧初始化。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)設(shè)置了兩種模式。初始化之后，判斷節(jié)點(diǎn)所處的工作模式。如處于采集模式，則接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的采集指令，啟動數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的采集，并存儲數(shù)據(jù)，然后啟動發(fā)送任務(wù)把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。采集、發(fā)送完所有數(shù)據(jù)后，并且得到網(wǎng)關(guān)的接受確認(rèn)后，該節(jié)點(diǎn)就轉(zhuǎn)入MCU 睡眠節(jié)電模式。若無數(shù)據(jù)采集、發(fā)送任務(wù)，則設(shè)置外部時(shí)鐘電路，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入MCU 睡眠節(jié)電模式。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在初始化之后，判斷節(jié)點(diǎn)所處的工作模式。若目前處于接收模式，則啟動接收程序并接收、存儲數(shù)據(jù)。若是處于發(fā)送模式，則設(shè)置啟動GPRS發(fā)送，建立與遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)的TCP/IP 連接。之后設(shè)置外部時(shí)鐘電路，轉(zhuǎn)入MCU 睡眠節(jié)電模式。

上位管理軟件運(yùn)行在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上，采用Winsock 控件實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對基于WSN、GPRS/3G的上傳的污水水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、圖形化接收、顯示、存儲和控制等。

4 結(jié)束語

本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市污水排放環(huán)境監(jiān)測中，綜合運(yùn)用有線無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、專家系統(tǒng)、智能輔助決策等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了一個基于無線傳感網(wǎng)的污水排放在線監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、遠(yuǎn)程可監(jiān)控、監(jiān)測精度高、節(jié)點(diǎn)能自組、快速布網(wǎng)和生產(chǎn)安裝成本低以及對生態(tài)環(huán)境影響小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)，有一定的實(shí)用價(jià)值與推廣價(jià)值，市場前景廣闊。

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