面向水環境的無線實時監測系統設計

顧敏明++雷巖++肖金球

摘 要：針對傳統水環境監測實時性差、耗費勞動量大、監測面積小等缺點，設計了面向水環境的無線實時監測系統方案。該方案由數據采集節點、3G網關節點和數據服務器三部分構成。采用CC2530芯片及CC2591來實現節點的數據采集和ZigBee無線數據傳輸；采用華為EM770模塊實現3G網關與數據服務器的3G通信。理論分析和實踐表明，該方案可實現水環境的24小時不間斷監測，并具有較好的實時性及便捷性。

關鍵詞：水環境監測；ZigBee；3G；實時監測

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

水環境監測是水資源保護的必要環節，目前的水環境監測方法主要包括：人工采樣監測法、水質監測站監測法、水生物監測法等[1]。這些傳統的監測方法具有各自的優缺點，但均不能進行大面積大范圍全天候的實時監測。無線傳感器網絡作為一種用來感知環境的網絡系統，在環境監測領域的應用越來越廣泛。利用無線傳感器網絡技術來進行水環境監測，能夠很好地克服傳統水環境監測方法實時性差、耗費大、監測面積小等缺點。

1 系統整體設計

面向水環境的無線實時監測系統整體設計框圖如圖1所示。本系統分為 3 部分：監測水域內的監測節點、監測水域內的3G（WCDMA）網關節點和數據服務中心。

圖1 系統整體設計框圖

布置在監測水域的多個數據采集節點動態地組成傳感網絡（WSN），每個數據采集節點都能夠采集水的 pH 值、溶氧量 、電導率和水溫等多種參數，并對采集的參數做線性化、數據打包、存儲等處理，并將數據傳送至3G網關節點；3G網關節點將收到的數據通過 WCDMA網絡傳輸到數據服務中心；數據服務中心對不同水質參數進行處理和分析，對水質量急劇變化的情況及水質污染情況進行報警，為水環境污染、富營養化等情況的防治提供支持和決策；數據中心用戶通過 Internet 實現對待監測水域進行實時監測，對于緊急情況3G網關將發出實時的GSM短信給監測單位負責人。

2 系統硬件設計

2.1 采集節點的硬件設計

數據采集節點的硬件部分主要包含水質參數檢測裝置/傳感器、處理模塊、射頻模塊和野外供電系統四部分，數據采集節點硬件結構如圖2所示。采集節點處理模塊由TI 公司生產的片上系統芯片CC2530、系統時鐘電路、Debug電路和運行狀態指示燈組成。CC2530芯片控制感知模塊和射頻模塊用以實現數據采集和ZigBee網絡數據傳輸。Debug調試接口電路和運行指示燈用于系統調試和指示。為了有效提高無線通訊的質量，增加通信距離，數據采集節點增加了射頻模塊，采用TI公司研制的CC2591芯片。CC2591是一款高性價比和高性能的2.4 GHz射頻前端芯片，適合低功耗、低電壓的2.4 GHz無線應用[2]。它主要集成了功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、平衡轉換（Balum）等多種功能的電路，大大降低了外圍電路的設計難度，同時也改善了射頻（RF）性能。

感知模塊共采用5種類型的傳感器，包括電導率傳感器、pH傳感器、濁度傳感器、氨氮傳感器和溶解氧傳感器。其中，電導率、pH傳感器、濁度傳感器通過設計信號調理電路將傳感器的輸出信號調理到CC2530的AD能夠監測的范圍，氨氮傳感器和溶解氧傳感器則通過RS 485接口與CC2530 的UART口相連。監測系統主要安裝在野外，沒有電源提供。

2.2 野外太陽能供電系統設計

野外太陽能供電系統能提供穩定的電源，可保證電路系統的運行。供電系統包含了能量采集、充電管理、鋰電池保護電路、穩壓電路以及鋰電池五個部分。能量采集模塊選擇6 V/10 W的太陽能電池板。采用3.7 V/6.6 Ah的鋰電池作為能量存儲模塊。太陽能充電管理芯片采用CN3065芯片，太陽能充電管理電路設計如圖3所示。輸入端D1、D2采用肖特基二極管SS26，用來降低太陽能光伏電池的輸入電壓。D4、D5為充電指示燈。當正常充電時，CN3065的引腳輸出的是低電平，狀態指示燈D4亮；當充電結束后，CN3065的引腳輸出的是低電平，狀態指示燈D5亮。電阻R1是用來設置恒流充電時的電流ICH，根據公式 ICH=1 800 V/ R1，其中R1的單位為Ω，實際使用中網關節點和數據采集節點的功耗不同，數據采集節點R1=3.6 kΩ，網關節點R1=1.8 kΩ。

圖3 太陽能充電管理電路設計

2.3 3G網關節點的設計

3G網關節點硬件電路包含有ZigBee通信模塊、處理器模塊、3G模塊和野外供電系統（電源模塊）四部分。處理器模塊的主控芯片采用TI公司的MSP430F149單片機，它是一款16位單片機，具有低功耗、低電壓供電等優點[3]，還集成了豐富的外圍接口，能夠滿足網關節點的設計要求。3G模塊主要負責與遠程數據服務器進行數據通信，且具有短信發送和接收功能。監測系統中3G模塊采用華為公司生產的EM770W，它內嵌TCP/IP協議，支持WCDMA協議規定的標準AT指令集[4]。MSP430單片機提取需要發送的數據，并通過UART接口控制3G模塊，將需要的數據發送給遠處的數據服務器。

2.4 EM770W模塊接口電路

EM770W無線模塊支持2個UART接口，其中UART1支持帶流控功能的全串口，可支持數據服務，用戶可以從UART1發起PPP撥號，數據業務模式UART2 支持5線制串口模式，不支持數據業務和收發AT命令等，但可以支持收發DIAG命令[4]。因此采用UART1接口與MCU相連。設計MSP430單片機與EM770W的UART1接口時使用了UART1_TX，UART_RX兩個信號，具體的連接如圖4所示。EM770W模塊與MSP430單片機連接時，需要在MSP430單片機的P3.6/TXD管腳間加1 kΩ電阻，以避免因為電平不同造成I/O口損壞。

圖4 MSP430與EM770W的UART1的連接

野外供電系統提供了電壓為3.7～4.2 V的電源供給EM770W無線模塊。當網絡信號很弱時，天線以最大功率發射，3G模塊的瞬態最大電流有1.6 A。防止WCDMA大功率發射時電壓可能會跌落，在EM770W模塊的電源端口與地之間連接較大的超級電容，通常在1 800 μF以上。EM770W模塊采用了特性阻抗為50 Ω的吸盤天線。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee網絡系統

目前用于ZigBee網絡的操作系統很多，如TinyOS、MantisOS、LiteOS等。采集節點操作系統使用TinyOS。該系統是美國UC Berkeley（加州大學伯克利分校）研究人員專門針對ZigBee網絡研發的開源操作系統。系統采用輕量級線程、兩層調度方式、事件驅動模式、主動消息通信等技術，有效地提高了傳感器節點CPU的使用率[5]。TinyOS開發的應用程序都是由一系列的組件共同構成的，組件之間通過接口（Interface）相連接，并由此實現調用。接口聲明了一系列命令（command）處理程序和事件（event）處理程序。

ZigBee網絡中的采集節點和主節點的通信使用TinyOS系統中活動消息（PlatformMacC）模型，活動模型組件PlatformMacC包含了路由層及以下的協議。PlatformMacC包含的主要功能有：CSMA/CA、鏈路層重發、重復包判斷等機制。CSMA/CA機制使節點在發送數據之前首先去偵聽信道狀況，只有在信道空閑的情況下才發送數據，從而避免了數據碰撞，保證了節點間數據的穩定傳輸。鏈路層重發機制是當節點數據發送失敗時，鏈路層重發，直到發送成功或重發次數到達設定的閾值為止，提高了數據的成功到達率；重復包判斷機制是節點根據發送數據包的源節點地址及數據包中的數據判斷該包是不是重復包，如果是重復包，則不處理，防止節點收到同一個數據包的多個拷貝。

3.2 采集節點軟件設計

采集節點承擔著數據采集、發送等工作，由于野外監測系統中能量供給有限，采集節點的工作方式采用休眠和偵聽的方式。采集節點開啟后，請求加入主節點建立的ZigBee網絡，并上傳節點ID。當加入網絡成功后，主節點會廣播定時器清零命令，以達到各個節點的休眠時間同步。采集節點設定定時器后進入休眠狀態。節點由定時器超時任務觸發自動蘇醒，每一次醒來后采集數據并且向主節點發送采集數據，當數據發送成功后采集節點進入休眠狀態。采集節點程序流程如圖5所示。

圖5 采集節點程序流程圖

4 3G網關節點軟件設計

4.1 3G網關整體設計

3G網關節點軟件設計主要是為安全實現ZigBee協議與TCP/IP協議的轉換使采集節點采集到的實時水環境參數及時傳送到遠程服務器；3G網關節點長期在野外運行，為提高系統的可靠性，設計3G網關自我故障的監測和SMS報警的功能。3G網關節點的軟件框架如圖6所示。3G網關節點軟件主要包括：主程序及系統初始化、ZigBee驅動和數據接收、3G驅動和數據收發、系統故障自檢和處理及SMS短信接收和發送。

圖6 3G網關節點的軟件框架

4.2 3G網關ZigBee主節點模塊程序設計

3G網關ZigBee主節點模塊承擔著收集ZigBee網絡中采集節點數據，并傳輸給網關處理器的工作。TinyOS中主節點通過低功耗監聽（Low-Power Listiening，LPL）技術實現無線電的低功耗收發[6]。采用低功耗監聽技術時主節點不會一直開啟無線模塊，而是每隔一段時間開啟無線模塊且保持無線模塊開啟的持續時間只夠檢測信道上的一個載波。如果檢測到一個載波，就會保持無線模塊開啟時間足夠監聽到一個數據包。主節點開啟初始化后，創建ZigBee網絡，創建完后進入低功耗監聽狀態，等待采集節點的數據包。當接收數據報文時將其發送給3G網關處理器。主節點程序流程如圖7所示。

圖7 主節點程序流程圖

5 系統測試

為了驗證系統的性能對蘇州科技學院內小河的水質進行了24小時監測。在內河邊安裝了4個數據采集節點和一個3G網關節點構成了水環境監測系統實物如圖8所示，實時監測了pH值、溶解氧等參數。3G網關將各個數據采集節點采集的數據傳輸到數據服務器。

測試結果表明，監測系統能夠穩定運行，可以實現水環境參數24小時實時監測和可靠的數據傳輸，圖9所示為24小時的溶解氧測量曲線，由圖可見，溶解氧值變化正常。系統可以完成對水質數據超標預警和水華預警等功能。

圖8 監測系統測試環境 圖9溶解氧和pH值測量曲線

6 結 語

將無線傳感器網和3G技術應用于水環境的實時監測中設計了面向水環境的無線實時監測系統，實現了大面積大范圍的實時在線水環境監測。系統的維護成本低，能夠滿足實際要求，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 陳華凌，陳歲生，張仁政. 基于Zigbee無線傳感器網絡的水環境監測系統[J].儀表技術與傳感器， 2012（1）：71-73.

[2] TIIncorporated.CC2530F5137datasheet[EB/OL].（2010-02-01）www.ti.com.

[3]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京： 北京航空航天大學出版社， 2000.

[4]王鳳林.基于WCDMA的無線傳感器網絡的應用研究[D]. 蘇州：蘇州大學， 2010.

[5]潘浩，董齊芬，張貴軍，等.無線傳感器網絡操作系統TinyOS[M].北京： 清華大學出版社， 2011.