基于WiFi 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周皓東，黃 燕，劉 煒

(江西省科學(xué)院 高科技開(kāi)發(fā)中心，江西 南昌330029)

0 引 言

近年來(lái)，工業(yè)發(fā)展在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的同時(shí)給環(huán)境也造成一定的影響。水域養(yǎng)殖環(huán)境呈現(xiàn)一定程度的惡化趨勢(shì)，漁業(yè)養(yǎng)殖中大面積的魚(yú)蝦死亡事件時(shí)有發(fā)生，給養(yǎng)殖戶帶來(lái)極大的損失。對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有助于養(yǎng)殖戶及時(shí)了解水產(chǎn)品的生活環(huán)境，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)措施，在漁業(yè)養(yǎng)殖中起著決定性作用［1，2］。

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法為分別用各種溫度、pH 值等測(cè)量?jī)x置于水中，人工進(jìn)行測(cè)量，此類方法耗時(shí)耗勞動(dòng)力;近年來(lái)，大量學(xué)者將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，這類方法較傳統(tǒng)方法而言更加智能化，且監(jiān)測(cè)精度更高，更加適合數(shù)據(jù)的分析與對(duì)比［3，4］。

有學(xué)者提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可靠性高，但此類方法布線過(guò)多，不適合大范圍的水質(zhì)監(jiān)測(cè)［5］。還有學(xué)者提出利用Zig Bee 進(jìn)行多跳式的通信［6］，但此類方法傳輸帶寬相對(duì)較窄，傳輸范圍相對(duì)較小，抗干擾性相對(duì)較弱。

WiFi 是近年來(lái)越來(lái)越流行的一種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，目前大量學(xué)者將其應(yīng)用在不同領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［7，8］。雖然Zig Bee 的使用比其要早，但使用范圍和使用熱度不如WiFi，因?yàn)閃iFi 的傳輸帶寬更寬，傳輸距離更長(zhǎng)，抗干擾性更強(qiáng)。

本文將WiFi 應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，使系統(tǒng)更加智能化、無(wú)線化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、pH 值、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 水質(zhì)環(huán)境條件要求

經(jīng)過(guò)分析調(diào)查，水產(chǎn)漁業(yè)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)主要需求為:對(duì)溫度、pH 值、溶解氧濃度這些參數(shù)發(fā)生變化或不符合標(biāo)準(zhǔn)，將嚴(yán)重影響水產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量［9］，因此，需對(duì)此類參數(shù)通過(guò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由水質(zhì)數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)匯集層、監(jiān)測(cè)中心層構(gòu)成，水質(zhì)數(shù)據(jù)采集層是由測(cè)溫度、pH 值、溶解氧濃度的相應(yīng)傳感器組成的，將其部署在水中，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)的采集，再通過(guò)WiFi 將所采集數(shù)據(jù)發(fā)送至AP 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，再由AP 節(jié)點(diǎn)通過(guò)WiFi 將匯集數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心。系統(tǒng)的整體構(gòu)架圖如圖1 所示。

2 WiFi 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

WiFi 又稱IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.11b 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范是對(duì)IEEE 802.11 的改進(jìn)，其最高帶寬為11 Mbps。在信號(hào)較弱或有干擾時(shí)，可自動(dòng)調(diào)整為5.5，2 或1 Mbps［10］。本系統(tǒng)中帶寬為11 Mbps。

本系統(tǒng)需完成對(duì)終端節(jié)點(diǎn)、AP 節(jié)點(diǎn)的制作，并且需實(shí)現(xiàn)將各個(gè)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)溫度、pH 值、溶解氧濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)中各個(gè)模塊所需的工作電壓均為3.3 V，因此，可用2 節(jié)AA 電池通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路得到3.3 V，從而避免了使用市電供電，使系統(tǒng)更加無(wú)線化。

2.2 WiFi 無(wú)線通信模塊

本模塊采用的是GainSpan 公司的GS1011 片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了WiFi 物理層，裝上天線和射頻功放即可完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，該芯片功耗超低，為雙ARM7 核結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的工作，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用［11］。芯片內(nèi)嵌的FLASH 和SRAM 用于儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)，編程和調(diào)試可通過(guò)JTAG 口實(shí)現(xiàn);ADC，I2C 總線，GPIO 等接口用于接收來(lái)自傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口與單片機(jī)通信，其工作電壓為3.3 V。WiFi無(wú)線通信模塊電路圖如圖2 所示。

2.3 處理器模塊

本次通與終端節(jié)點(diǎn)相連的處理器采用STC89LE52C 單片機(jī)。該單片機(jī)IO 口可模擬I2C 接口來(lái)接收傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)信息，其工作電壓為3.3 V。AP 節(jié)點(diǎn)無(wú)需處理器。

圖2 WiFi 電路圖Fig 2 WiFi circuit

2.4 串口模塊

串口模塊采用MAX232 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)模塊和WiFi 模塊之間的通信，并通過(guò)USB 轉(zhuǎn)串口進(jìn)行程序配置，串口電路如圖3 所示。

圖3 串口電路圖Fig 3 Serial circuit

2.5 傳感器模塊

本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，適用電壓范圍為3.0～5.5 V;通過(guò)串行數(shù)據(jù)線DQ 與單片機(jī)的P1.2 口相連實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸。DQ 上需接一只4.7 kΩ 上拉電阻器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20 的控制，完成讀寫溫度數(shù)據(jù)功能。

pH 值傳感器采用雷磁E—201—C 型pH 復(fù)合電極，溶解氧濃度傳感器采用雷磁公司的DO—955 溶氧電極，傳感器終端與單片機(jī)連接的電路原理圖如圖4 所示。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，IEEE 802.11b 采用的是Infrasture 組網(wǎng)模式，通信協(xié)議為TCP/IP，具體目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯聚到AP 節(jié)點(diǎn)，在通過(guò)WiFi 后傳輸至監(jiān)測(cè)中心。

具體的軟件設(shè)計(jì)步驟為:首先通過(guò)gs_flashprogram 軟件編寫WiFi Protected Setup(WPS)程序，且在程序中內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，將該程序燒寫入GS1011 模塊;然后，通過(guò)Keil 軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，其軟件結(jié)構(gòu)由AT 指令，各傳感器的程序和API 接口組成。在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)向AP 節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，AP 節(jié)點(diǎn)定時(shí)接收，并通過(guò)WiFi 傳輸至監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的溫度、pH值、溶解氧濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 傳感器與單片機(jī)接線電路原理圖Fig 4 Principle diagram of sensor and MCU wiring circuit

系統(tǒng)每30 min 采集一次水質(zhì)參數(shù)，因此，可通過(guò)定時(shí)器來(lái)控制終端節(jié)點(diǎn)連續(xù)給AP 節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，當(dāng)定時(shí)器被喚醒時(shí)，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，定時(shí)器滿，停止發(fā)送，進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次定時(shí)器被喚醒。在進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)與AP 節(jié)點(diǎn)處于中斷狀態(tài)，且傳感器暫時(shí)停止工作。由于IP 地址不一樣，因此，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)造成數(shù)據(jù)的沖突，其軟件流程如圖5 和(a)，(b)所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig 5 Node software process

4 管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的管理核心為上位機(jī)，主要需實(shí)現(xiàn)串口接收程序和上位機(jī)管理程序等功能，本系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)Microsoft Visual Studio 2010 軟件采用的是里面的MFC 應(yīng)用程序框架進(jìn)行設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器設(shè)計(jì)查詢、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存放及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，當(dāng)監(jiān)控人員登陸界面查找相關(guān)資料時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)，并且可以以視圖的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

5 系統(tǒng)測(cè)試

在某水產(chǎn)養(yǎng)殖基地對(duì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)部署了4 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別放在4 個(gè)養(yǎng)殖池中，部署2 個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，溫度傳感器、pH 值傳感器、溶氧度傳感器集成在終端節(jié)點(diǎn)上。終端節(jié)點(diǎn)僅需2 節(jié)普通5 號(hào)電池。節(jié)點(diǎn)固定在魚(yú)塘中心位置，且內(nèi)離水面1 m 處。傳感器終端每隔30 min對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行一次采樣，并將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)后，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次采樣指令的盜壘。其溫度、pH 值、溶解氧濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1 所示。系統(tǒng)總體部署圖如圖6 所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文將WiFi 應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r(shí)地采集溫度、pH 值、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)，并通過(guò)WiFi 協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)的目的。對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖有很大的指導(dǎo)意義，但本系統(tǒng)只停留在監(jiān)測(cè)功能上，對(duì)水質(zhì)的改善仍然未實(shí)現(xiàn)智能化，因此，下一步的工作將側(cè)重于如何在后臺(tái)智能化地調(diào)節(jié)相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)。

表1 監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab 1 Monitoring results

圖6 系統(tǒng)總體部署圖Fig 6 Overall deployment diagram of system

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