基于WSNs-SMS的低功耗水質檢測系統設計

姚達雯, 周國平, 王鑫鑫, 黃 峰

(南京林業大學 信息科學與技術學院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

工業污染和自然災害導致的水環境破壞嚴重地威脅著人們的生產和生活用水安全。為此，水質監測已成為關系到各行各業正常發展的重要手段。目前的水質監測以人工采集為多，然而無線傳感器網絡(WSNs)以其覆蓋范圍廣、自組網絡能力強、實時性好、應用可移植等特點為水體檢測的數字化、自動化、智能化提供了有利條件[1]。文獻[2，3]中提出的運用通用分組無線業務(GPRS)實現水質監測，雖然實時性強，但受信號覆蓋限制且收發信息需要收費，成本較高，操作復雜。而文獻[1，4]中提出運用Zig Bee無線技術的檢測方法成本較低，簡單便捷，但節點功耗較大且傳輸距離有限。

本文采用Zig Bee與GPRS通信相結合的方法， 硬件設計以16位低功耗單片機作為主控芯片，軟件上以輪轉查詢式的Z-Stack作為堆棧協議，實現了功耗低，覆蓋范圍廣，操作簡便的水質監測系統設計。

1 系統結構

系統由傳感器節點、協調器節點、監控上位機構成，利用Zig Bee通信協議和GPRS通信技術的無縫鏈接進行實時通信。傳感器節點將MSP430作為主機，CC2430作為從機，傳感器組作為數據采集探頭，實現水溫、pH 值、溶解氧、濁度、水位和電導率等參數的實時采集和處理，這些數據通過Zig Bee網絡協議以多跳路由的方式在相鄰傳感器節點間傳遞，從而實現全區覆蓋。協調器節點由MSP430和TC35i短信平臺相結合，通過GPRS和GSM網絡實現與遠程監控的上位機或檢測人員手機的通信。系統結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 MSP430主控制器

本設計采用了以MSP430F149為核心的主控制模塊，它是TI公司推出的一種集成度高、功能豐富、功耗極低、在惡劣環境下工作性能穩定的16 位微控制器。MSP430工作電壓為 1.8～3.6 V，具有一種活動模式和5種低功耗運行模式，有利于解決WSNs節點能耗這一瓶頸，延長電池壽命。工作環境溫度為 -40～+85 ℃，適應于各種水環境的監測應用[5]。

圖1 系統框圖

2.2 Zig Bee收發模塊

Zig Bee收發模塊采用CC2430與CC2591相結合的形式。CC2591是TI公司提供的面向低功耗無線傳輸，工作在2.4 GHz的射頻前端芯片，內部集成功率放大器的增益為22 dB，并利用具有低噪聲系數的低噪聲放大器來改善接收靈敏度，從而增加鏈路預算。它的主要作用是為CC2430提供無縫匹配的功放模塊，增強射頻信號性能，增大數據傳輸距離[6]。

CC2430是Chipcon公司推出的適用于Zig Bee無線網絡節點的SOC，內部集成2.4 GHz射頻收發器和8051控制器，支持IEEE 802.15.4/Zig Bee協議，具有接收靈敏度高和抗干擾性能強的優點[7]。此外，在接收和發送數據的模式下，電流損耗分別低于27,25 mA，休眠電流為0.5 μA[8]。CC2430與MSP430，CC2591的連接原理圖如圖2所示。

圖2 Zig Bee模塊電路

2.3 傳感器組的選擇

傳感器組作為數據采集探頭，需要對溫度、溶解氧、電導率、水位、pH 值和濁度等參數進行檢測。傳感器的選型首先必須考慮是否適應水下環境的檢測，本設計采用美國Global Water公司推出的WQ101型溫度傳感器，WQ201型pH值傳感器，WQ301型電導率傳感器，WQ401型溶解氧傳感器，WQ700型濁度傳感器和杭州燁立公司生產的水位傳感器。此系列傳感器具有精度高、準確性好、可靠性強、成本低且適用于Zig Bee無線技術應用的特點[9]。

由于各傳感器輸出電信號的范圍不同，為了便于單片機進行數據運算處理，設計了信號調理電路，將這些非標準的電流信號轉換成便于單片機進行數據處理的標準信號，在信號調理電路的設計中，采用LM358型運放構成前級同相放大電路和后級差分放大電路，并通過調節電路中的相關電位器，實現由各種傳感器輸出的非標準信號向標準信號的轉變(圖3)。

圖3 傳感器信號調理電路

2.4 SMS模塊

調節器節點的SMS模塊采用西門子公司推出的GSM/GPRS雙模模塊TC35i，它的GPRS模塊永久在線功能提供了最快的數傳速率。它體積小巧，功耗低，能提供數據、短信、語音、傳真等功能，可廣泛用于遙感測量記錄傳輸、遠程信息處理、電話[10]。如圖4所示，SMS模塊主要包括接口電路，SIM卡座電路和串口電路。

圖4 短信模塊電路

2.5 電源模塊

調節器節點采用5 V直流電源或USB供電，而MSP430和CC2430需要3.3 V電源，TC35i則需要4.2 V電源。因此，需要搭建電源轉換模塊。采用TLV1117—3.3和LM2941穩壓芯片分別實現5 V轉3.3 V和5 V轉4.2 V的電源模塊設計，轉換電路如圖5所示。不同于調節器節點，傳感器節點因拋撒放置后無法再回收,所以，采用2節普通AA干電池供電,使用壽命可達幾個月,可以達到應用要求。

圖5 電源模塊

3 系統軟件設計

3.1 系統總體軟件結構

系統軟件主要包括Zig Bee節點程序，傳感器節點程序和調節器節點程序。其中Zig Bee節點和傳感器節點程序是系統軟件的重點，作為前端Zig Bee網絡的開發程序，這兩部分共同完成了數據的采集、傳輸和對網絡的管理。根據傳感器節點安放的位置，還可以形成對消息中繼轉發的路由節點。而通過GSM/GPS網絡與上位機、手機通信的協調器模塊是網絡的控制中心，一方面負責網絡的配置和管理，另一方面還接收各傳感器節點發來的數據，并將其進行匯合整理后通過SMS模塊上傳至手機、上位機。

3.2 Zig Bee節點程序

為了實現低功耗的特征，本設計采用TI公司開發的基于輪轉查詢式操作系統的Z-Stack協議棧。協議流程如圖6所示，當初始化之后，系統進入低功耗模式，當事件發生時，喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束后繼續進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發生，判斷優先級，逐次處理事件，從而極大地降低了系統的功耗[1]。

圖6 Z-Stack協議流程

3.3 傳感器節點程序

傳感器節點的軟件部分包括水質監測數據采集和網絡通信兩部分。由于傳感器節點使用干電池供電，所以，在軟件設計中尤其要考慮低功耗的問題。節點上電后首先進行Z-Stack協議棧初始化,然后開始信道掃描，當檢測到有協調器節點的信標時,發送建立網絡連接的請求，獲得連接允許并與協調器建立綁定后，獲得協調器的標識號，成功入網，開始定時測量水質數據，并通過Zig Bee無線發送給協調器節點，否則，會轉入休眠狀態以降低功耗，其軟件流程如圖7所示。

圖7 傳感器節點程序流程

3.4 協調器節點程序

協調器節點上電后首先進行硬件、軟件初始化，然后建立網絡，與傳感器節點建立綁定，綁定過程在圖7中已有所陳述。形成網絡后,協調器把傳感器節點的標識號發送給監控終端并等待傳感器節點發送數據。當協調器接收到采集的數據，經過處理后，通過LCD顯示，并定時通過GPRS網絡傳輸給檢測者手機或者監控上位機，協調器節點程序流程如圖8所示。

圖8 協調器節點流程圖

3.5 GPRS通信流程

在SMS模塊部分，MSP430 通過GSM模塊TC35i發送相應的命令來實現數據的收發，首先要用AT指令對TC35i進行初始化，包括AT指令測試，對波特率、禁止指令寫回、工作模式等進行設定。對應格式如表1所示。采用PUD格式的發送協議，與文本格式相比，PUD格式不僅支持任何編碼，應用效果好，而且不需要預置編碼選項。

表1 AT指令對照表

4 實驗結果與分析

為了對系統設計進行驗證，筆者用調試好的系統對南京玄武湖部分區域進行了水質監測。出于成本考慮，設置了5個傳感器節點，檢測日期為2013年12月12日上午10∶00。各節點檢測到的數據可以定時發送短信到檢測者的手機，表2為某一個時刻收到的水質數據結果。經測量，傳感器節點接收數據時的電流為38 mA，發送數據時的電流為58 mA，休眠時的電流僅為1.4 μA，采用AA干電池可供節點工作時間長達3～4個月。

表2 實驗檢測結果

5 結 論

本文從硬件和軟件上都將低功耗作為前提，設計了一種基于WSNs-SMS的低功耗綜合水質檢測系統。將低功耗芯片MSP430與CC2430和SMS模塊相結合，并應用輪轉查詢式的Z-Stack協議棧實現節點通信，從而大大降低了節點耗電。經過實際檢測，結果表明：系統工作穩定，通信距離可達800 m左右，節點工作電流不超過60 mA，滿足應用需求。

參考文獻:

[1] 敖俊宇.基于Zig Bee的水質監測無線傳感器網絡的研究[D].南昌:南昌大學,2012.

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[10] 宋 超，李 欣，董靜薇.基于TC35i和MSP430F149的無線數據采集系統[J].哈爾濱理工大學學報，2007,12(2):103-106.