水質監測無線傳感器網絡的硬件設計*

閆宏浩， 陳天華

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048)

水質監測無線傳感器網絡的硬件設計*

閆宏浩， 陳天華

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048)

針對傳統水質監測系統不能對水質參數進行實時在線監測,難以準確檢測水質參數的動態變化、水質參數檢測誤差大等問題,提出了水質監測無線傳感器網絡(WSNs)的硬件設計方案。系統主要通過核心單片機CC2530 實現傳感器節點設計,采用太陽能電池板進行供電,同時設計了采集溫度、pH 值的硬件電路,并對硬件電路進行了穩定性試驗。在 IRA 開發環境下，進行傳感器節點和協調器的編程，使之能夠進行通信。實驗結果表明：系統溫度、pH值的平均相對誤差分別為3.06 %，1.64 %，提高了監測精度。

無線傳感器網絡; 水質監測; 傳感器節點; 硬件平臺

0 引 言

水質監測技術隨著社會的發展而與時俱進，水質監測技術主要是通過知識的累積，不斷地探索、挖掘出最符合經濟效益、社會需求、性能優化的一種技術。傳統的水質監測技術始終局限于不能實時、大范圍、復雜水域的監測，同時在水質監測過程中，出現操作復雜，耗時長、勞動強度力大等現象，由此可見，傳統的水質監測存在著一定的缺陷和不足[1]。為了滿足人們的要求和不同產業部門的需要,考慮到無線傳感器網絡 (WSNs)系統的優勢與特點，本文提出了基于WSNs水質監測系統的方案。本系統的構建實現了大范圍水域能夠靈活部署、采用多個節點進行布置，同時也可以對復雜水域進行檢測，并能夠在線地傳送和收集信號，這樣更符合社會的實際需要[2]。

1 系統的總體結構

水質監測的總體結構應該包括兩個部分，一部分是布置在水中的Zig Bee網絡，另一部分是負責通信和監控的上位機部分，總體架構如圖1所示[3]。

圖1 系統總體架構圖

傳感器節點采用自組織方式部署在水質監測的實際環境中,在覆蓋范圍內的傳感器節點構成WSNs。該方案通過模塊化設計滿足個性化需要，傳感器子節點主要模塊有無線收發模塊、信號處理模塊、信號采集模塊、太陽能供電模塊。然后傳感器子節點再通過無線信號發送給網關節點，網關節點再通過串口把數據傳給到PC機，然后再通過Internet把數據發送到遠程客戶訪問端。傳感器節點硬件總體設計如圖2所示。

圖2 傳感器節點硬件總體設計

1.1 電源模塊的設計

由于水質監測系統需戶外供電，為了使供電能夠持久、節能，該系統的電源模塊設計采用太陽能供電。太陽能電池板不能直接給節點和傳感器供電，因為太陽能電池板采集的電壓不穩定，所以,太陽能電池板需要通過調節控制器給蓄電池充電[4]。這里利用集成芯片Bq2057作為調節控制器，防止電流的過充和回流現象，從而保持輸出電壓能夠穩定。如圖3所示，給出太陽能和蓄電池之間調節器控制電路。

圖3 太陽能和蓄電池之間調節器控制電路

1.2 溫度信號調理電路的設計

在進行水質監測過程中，設計采用Pt 1000溫度傳感器進行測量。這里采用橋式電路來測量傳感器兩端的電壓，之后再經過AD623芯片進行放大，放大電路放大20倍，可以達到所需要采集的電壓[5]。如圖4所示為相應的電路。

圖4 溫度信號處理電路

1.3 pH電極信號調理電路設計

在水質監測的過程中，監測水的酸堿度是一個重要的環節，本文利用E—201—C pH電極來對水的酸堿度進行檢測，該電極采集的pH值范圍為1～14。

本文采用CA3140 芯片設計出一個電壓跟隨器，使信號能夠隔離，然后再把隔離后的信號經AD623放大，若R6=1 kΩ，則電壓信號放大100倍，使輸出信號達到處理器模塊所需要的電壓。圖5所示為pH電極信號調理電路[6]。

圖5 pH電極信號調理電路

1.4 通信模塊的設計

通信模塊負責與其他節點進行無線通信、交換控制消息和收發采集數據。在WSNs中,節點能量的消耗主要在通信上,因此,應選擇低功耗,高性能的通信芯片以延長節點壽命。本文采用CC2530作為節點主控芯片，利用Z-Stack 協議棧進行軟件開發，系統自動采集發送水質數據，并實現了與監控終端之間的通信。圖6為系統通信模塊。

圖6 通信模塊的設計

2 系統軟件設計

系統的節點軟件可分為協調器軟件和傳感器節點軟件2部分。兩部分軟件是由基于一個輪轉查詢式操作系統的Z-Stack協議棧開發，Z-stack協議棧定義通信硬件和軟件在不同級如何協調工作。協議棧的Main函數在ZMain中，主要進行系統初始化和開始執行操作系統實體。Z-stack已經編寫了對從MAC層到Zig Bee設備應用層這5層任務的事件的處理函數，一般情況下無需修改這些函數，只需編寫應用層的任務和事件處理函數即可。Z-Stack協議棧用C語言編寫，可移植性強。

整個應用程序應具備以下基本功能：協調器可以自動建立一個網絡；傳感器節點能夠自動發現網絡，而且一旦加入了網絡，就能夠自動與協調器建立綁定[7]。

2.1 協調器節點程序流程

在一個網絡中，通常只有一個協調器用于接收傳感器節點采集的信息，并且將這些信息進行實時顯示并發送給監控端PC。協調器節點上電后首先要進行Zig Bee網絡，并發送超幀，等待傳感器節點的連接請求。當收到傳感器節點的連接請求時，對其進行認證，然后發出允許連接的命令，即實現傳感器節點與協調器的綁定，網絡形成后，協調器把傳感器節點的標識號發送給監控端登記，并等待傳感器節點發送數據。當有傳感器節點向協調器發送數據時，協調器會對數據進行處理并發送給監控終端，監控終端軟件可將這些數據實時顯示，協調器節點程序流程如圖7所示。

圖7 協調器節點程序流程

2.2 傳感器節點程序流程

由于傳感器節點電池攜帶能量有限，在軟件設計時既要使之完成需要的功能，又要考慮能耗問題，故傳感器節點程序設計應使各模塊盡量在休眠狀態。

傳感器節點上電后首先進行Zig Bee協議棧初始化，然后開始信道掃描，尋找協調器節點。當檢測到協調器節點的超幀信號時，向其發送建立連接的請求。在協調器允許連接并成功與協調器建立綁定后，獲得協調器的標識號，讓其加入到網絡中，并且開始定時測量pH值和電導率、溶解氧，同時無線發送給協調器。當傳感器節點空閑時，會轉入休眠狀態，節電降低功耗[8]。圖8為傳感器節點程序流程圖。

圖8 傳感器節點程序流程圖

3 硬件電路穩定性實驗

3.1 pH值的標定

本文通過數學方法計算出HCl溶液和NaOH溶液理論上的pH值，然后和pH電極測得的HCl溶液和NaOH溶液的pH值進行對比，通過相對誤差可以對pH值進行補償，提高pH值的精度，以達到標定的目的[9]。表1給出實際pH值在不同溶液的測量值。

表1 pH值在不同溶液的測量值

pH 值隨著溫度變化的平均相對誤差為2.32 %，根據實驗數據得出 pH 值隨著溫度變化的相對誤差曲線，如圖9所示。

圖9 pH值隨著溫度變化的相對誤差

3.2 pH值與輸出電壓的線性測試

計算pH值是根據溶液中H+濃度對數的負數得出的，H+濃度越大其酸性越強，H+濃度越小其堿性越強。利用pH電極測量水的酸堿度，就是改變電極的原電池特性，原電池特性是隨著H+濃度的活性而改變的，即原電池兩端的電位是隨著H+濃度的改變而改變[10]。所以,可以根據所測得的電壓值來尋求與pH值的關系。如表2所示給出輸出信號與pH值的關系，由表2的數據可以得出pH的大小隨著電壓的增大而線性增加。

表2 輸出信號與pH值的關系

4 實驗結果與分析

試驗結果表明：本系統的測量值和理論上的測量值基本接近，溫度和pH值的平均相對誤差分別為3.06 %和1.64 %，測量精度滿足水質監測要求。如表3和表4分別為溫度與pH值的測試結果。

表3 溫度的測試結果

表4 pH值的測試結果

5 結 論

本設計從硬件上實現了基于WSNs的水質監測系統的構建，選用兩塊CC2530 射頻模塊做為協調器和子節點的無線組網，同時對溫度、pH值等參數進行信號調理，并對所得數據進行大量的實驗，確保數據準確。軟件上，通過 IAR 對Z-stack 協議棧應用層進行編程，完成了子節點和網關的配置，實現了網絡的組建，并完成了通信。

實驗結果表明：溫度、pH值的平均相對誤差分別為3.06 %,1.64 %，比傳統水質監測方法的精度提高了25%左右，具有較高的精度。

[1] 沈 琳.我國水資源污染的現狀、原因及對策[J].生態環境,2009(4):182-193.

[2] 閔慶文,成升魁.全球化背景下的中國水資源安全與對策[J].資源科學，2002，24(4)：50-52.

[3] 劉亞菲.李書邦.淺談在線水質分析儀市場與應用技術的發展[J].科技風,2013(13):210-215.

[4] 程春榮.基于Zig Bee技術的水質監測系統的設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2009.

[5] Ailamaki Anastasia ,Faloutsos Christos ,Fischbeck Paul S,et al.An environmental sensor network to determine drinking water quality and security[J].SCM SIG-MOD Record,2003,32(4):47-52.

[6] 張 玨,李 波.用于水質監測的無線傳感器網絡節點設計[J].物聯網技術,2011,30(9):38-40.

[7] 孟 赟.太陽能電池模擬電源的研究與設計[D].上海：上海交通大學,2008.

[8] Rasin Z,Abdullah M R. Water quality monitoring system using Zig Bee-based wireless sensor networks[J]. International Journal of Engineering & Technology(IJET),2009,9(10):24-28.

[9] 孫學巖.基于Zig Bee無線傳感器網絡的溫室測控系統[J].儀表技術與傳感器,2010(8):48-50.

[10] 張 任,王堅鋒,嚴 海.基于Zig Bee的無線傳感器網絡節點設計[J].機電工程,2008,25(8):19-23.

Hardware design of WSNs for water

quality monitoring*YAN Hong-hao, CHEN Tian-hua

(School of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Aiming at problem that traditional water quality monitoring systems can not real-time online monitoring water quality parameters ,it is difficult to accurately detect dynamic changes in water quality parameters,and water quality parameters detecting errors is large,propose a WSNs-based hardwave design scheme for water quality monitoring. This system mainly through core MCU CC2530 realize design of sensor node,and using solar panels for power supply,at the same time design hardware circuit to collect temperature,pH value,and stability test is carried out on hardware circuit. At the same time,in IRA development environment, programming of sensor node and coordinator is carried out to communicate. Experimental result shows that average relative error of temperature and pH value is 3.06 %,1.64 % respectively,and improve monitoring precision.

wireless sensor networks(WSNs);water quality monitoring;sensor node;hardware platform

2014—07—22

北京市教委科研創新平臺項目(201151)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0081—04

TP 212

A

1000—9787(2015)04—0081—04

閆宏浩(1988-)，男，天津人，碩士研究生，研究方向為無線傳感器網絡。