基于無線射頻和PLC的智能水質監測系統

陳亞軒，王宜懷，柏 祥

(蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006)

基于無線射頻和PLC的智能水質監測系統

陳亞軒，王宜懷，柏 祥

(蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006)

針對水質監測工作的特殊環境，將電力載波通信和無線射頻相結合，設計了一種新型智能水質監測系統。系統采用KW01與SSC1641進行組網，實現基于無線射頻模塊與電力載波模塊的有效通信模式，并基于此模式設計了由傳感器節點、根節點、控制集中器以及主控計算機組成的整體監測系統。實驗結果表明，該控制系統通信穩定、實時性高、成本低且易于實現，具有良好的應用前景。

電力載波通信；無線射頻；水質監測系統

水質監測作為水污染控制的基礎工作，為水環境的管理、污染源控制以及環境規劃提供科學依據。隨著水污染的加劇和水環境治理需求的增加，水質監測已經成為環境管理的一項重要工作。

作為水質監測的系統工具，水質監測系統應滿足準確性、實時性、遠程化以及智能化的要求。目前國內外關于水質監測系統的研究多數采用無線射頻(Radio Frequency，RF)技術[1]，在一定程度上可以達到該要求，但是受湖泊周圍多變的自然環境因素的影響，無線傳輸的信號質量較差，準確性較低。此外，這種系統多數需要帶GPRS的主控器，設計成本高，再加上網站的維護費用，大大提高了系統設計的成本。

相比于無線射頻技術，電力線載波 (Power Line Carrier，PLC)通信能夠利用現有的電力線進行數據傳輸，無需重新架線，而且，電力載波模塊的價格遠遠低于GPRS模塊，也不會產生后續收費，大大降低了成本，已經廣泛應用于智能家居控制、遠程路燈監控、智能抄表等系統當中[2-4]。然而，多數湖面無電力線覆蓋且架設電力線難度較大，因此，本文將電力載波通信和無線射頻相結合，提出了一種基于無線射頻和PLC的智能水質監測系統。

1 控制系統的組成及工作原理

基于無線射頻和電力載波的智能水質監控系統如圖1所示，系統由主控計算機、控制集中器、根節點和傳感器節點組成。

圖1 智能水質監控系統結構

傳感器節點分布在湖面之上，負責水質數據的采集，將采集到的數據利用無線接口發送給根節點，根節點收到數據進行處理，再通過電力載波通信接口將數據信號進行調制、放大，最終耦合到電力線上，控制集中器在電力線終端接收數據，經濾波、解調后，通過串口直接將數據發送給主控計算機。

2 硬件設計

2.1 傳感器節點

傳感器節點是最小的功能單位，負責水質數據的采集、處理和傳輸，它的設計應當以低功耗、低成本、小體積和強感知能力為目標[5-6]，至少具備以下幾個功能：(1)能夠采集相關的水質數據；(2)數據預處理和定時傳輸；(3)組建低功耗無線網絡；(4)微控制器與傳感器分離。本文設計的傳感器節點由傳感器模塊、KW01模塊和電源模塊組成，如圖2所示，傳感器模塊負責采集水質數據，并將采集到的數據轉換成電信號發送給主控芯片KW01進行AD轉換，KW01中AD模塊的采樣精度最高為16位，選取的參考電壓為3.3 V，則我們可以檢測到的模擬量最小變化為3.3/216=0.05 mV，為了使采樣的數據更準確，KW01采用均值濾波法對采樣的數據進行篩選并去掉誤差較大的毛刺。KW01模塊是傳感器節點中的核心模塊，內部集成了CPU、存儲器、AD模塊和輸入輸出等接口，用于實現數據處理、存儲以及收發等功能。電力模塊為傳感器模塊和KW01模塊供電，由于傳感器節點常被置于湖面之上，無持續的電力供應，故采用電池供電的方式。

圖2 傳感器節點

KW01是飛思卡爾于2013年推出的首款融合了ARM Cortex-M0+內核與Sub-1G射頻收發器的32位無線射頻芯片，具有低功耗、高性能、高集成度等特點，擁有有廣闊的市場前景和較高的應用價值。

2.2 根節點

根節點用于接收各傳感器節點發來的數據，經過整合與處理后輸送到電力線上。為了避免根節點因頻繁轉發數據而出現問題，系統設定了數據采集的時間間隔，當達到數據采集的時間段時，傳感器節點才會進行水質數據的采集并發送給根節點，其余時間根節點與傳感器節點處于低功耗狀態，延長了使用壽命。根節點包含無線射頻芯片KW01和電力載波芯片SSC1641，其部分接線如圖3所示，RST為復位端；SCL為I2C串行通信時鐘輸入端；SDA為I2C串行通信數據輸入/輸出端；R_LED和S_LED為收發控制端，當芯片接收數據時，R_LED處于高電平，并控制相應的指示燈亮，當芯片發送數據時，S_LED處于高電平，并控制相應的指示燈亮；RX和TX是串行通用接口輸入/輸出端。KW01與SSC1641的通信方式有兩種，分別為I2C串行通信和串行通用接口通信，由于SSC1641具有自適應串口波特率的特性，故本設計采用了串行通用接口進行通信。

圖3 KW01與SSC1641連接圖

2.2.1 KW01外圍電路

KW01的外圍電路僅由寫入器接口、電源模塊、射頻電路、調試串口、復位電路組成，設計簡單，但功能齊全。在KW01的硬件設計中，以射頻電路的設計尤為重要，這里重點說明。

根據信號放大、阻抗匹配、頻率篩選、硬件構件化等多個射頻電路的設計要素，給出了如圖4所示的無線射頻電路的設計方案。VR_PA(RF)引腳輸出的電壓，通過一個交流阻斷模塊，為收發器的功率放大器提供波動較小的電源。當工作在單天線模式時，KW01主要通過RFIO引腳進行無線信號的收發。發送無線信號時，調制好的信號經RFIO進入一個由橢圓濾波器構成的選頻電路，將無線信號限制在規定的頻率范圍之內，然后通過一個特性匹配網絡來獲取最高的天線效率，提高信號增益，最后通過天線發送到空中。無線信號的接收過程與之相反。

圖4 RF射頻電路

2.2.2 SSC1641外圍電路

SSC1641是青島東軟載波科技股份有限公司研發的一款專門為電力線介質作為通信信道而設計的電力線載波通信芯片，具有自適應速率、功率調整、自適應報文分幀等功能。SSC1641的外圍電路由EEPROM存儲、收發濾波和信號耦合等電路構成，設計簡單高效，具有通信可靠、低成本、低功耗、外圍器件少等特點。

SSC1641外圍電路設計的重點與難點是信號耦合及收發濾波電路，如圖5所示。在輸出濾波電路部分，信號經SSC1641芯片擴頻后由SSCOUT_A引腳進入輸出濾波電路，再經過一個帶通濾波器使傳輸信號達到電力線通信的諧波要求，最后通過耦合電路將信號輸出到電力線上。其中，D21和D22是保護二極管，起到電壓鉗位的作用，抑制電力線上的干擾信號對內部電路的沖擊；C20和L3組成串聯諧振帶通濾波電路，當輸出大電流時，不會使載波信號嚴重失真，同時，當處于輸入狀態時，可以消除部分帶外干擾，保護放大電路。

圖5 信號耦合及收發濾波電路

圖5中接收濾波電路部分，F1是12 V的瞬態抑制二極管(Transient Voltage Suppressor,TVS)，用于消除來自電力線上的高頻的干擾，保護內部電路；D11和D12是一種倒置并聯結構，利用二極管的正向導通電壓的特性來鉗位這兩個二極管所在處的電壓，防止在輸入到載波芯片的電壓過高而損壞芯片。接收數據時，電力線上的信號經耦合電路進入接收濾波電路，最后通過SSCIN引腳進入SSC1641芯片，進行解調操作。

耦合電路用于隔離高壓的工頻交流電，圖5中的耦合電路主要由耦合線圈T1和電容C11組成。

3 軟件設計

3.1 KW01與SSC1641通信幀協議的設計

KW01與SSC1641通信采用異步半雙工的工作方式，為了確保數據傳輸的可靠性，采用主從通信方式，由主機發起通信，從機通過中斷接收，然后解析數據幀后進行指定操作，并發送反饋幀給主機，主機收到反饋幀后再發起新一輪的通信。KW01與SSC1641通信幀的格式如表1所示。

表1 幀格式

上述通信幀格式中的幀起始符表示一個幀的開始，其值68H。地址域由6個字節構成，每字節為2位BCD碼，地址長度可達12位十進制數，確保了每個節點都擁有唯一的通信地址。控制碼表示數據幀的作用，不同的控制碼對應不同的命令。數據域長度為數據域的字節數，=0表示無數據域。數據域DATA包括數據標識、密碼、數據、幀序號等，其結構隨控制碼的功能改變而改變。校驗碼CS采用和校驗方式，計算從第一個幀起始符開始到校驗之前所有各字節的模256的和，即各字節二進制算術和，不計超過256的溢出值。幀結束符表示一個數據幀的結束，其值為16H。節點在收到數據幀之后，首先判斷數據幀是否完整，再根據校驗碼判斷數據包是否出錯，若數據幀不完整或者產生錯誤則丟棄，若正確則進行解幀操作，查看目的節點地址，以確認是否是需要處理的數據幀，若是則處理，若不是則丟棄。

3.2 節點的軟件設計

基于CodeWarrior集成開發環境進行節點的軟件開發，采用C語言編程，軟件的設計采用構件化思想以提高軟件的可重用性和可移植性[7]。軟件流程如圖6所示，設計主要包括芯片初始化、節點類型的判斷、數據的采集及處理、數據的收發等模塊的設計。

4 實驗結果

對本文設計的水質監測系統進行了測試實驗，實驗所使用的傳感器節點集成了溫度、pH值、溶解氧、電導率、濁度、氨氮等多個傳感器。對實驗進行了全天的監測，并將系統監測數據與相關儀器測量的數據進行了對比，部分數據對比結果如表2所示。同時對無線通信的可靠性進行了測試，部分測試結果如表3所示，結果表明100 m以內的通信具有很高的可靠性，已足夠滿足水質監測系統的使用。

綜上所述，該系統通信可靠、運行穩定，實現了基于RF和PLC的水質監測控制。最后將設計的控制系統應用于某湖水的質量檢測中，取得了較好的效果。

圖6 軟件流程

表2 部分系統監測數據與相關儀器測量數據對比

表3 部分通信測試結果

5 結束語

運用電力載波通信和無線射頻相結合的技術進行水質監測系統的設計，極大地提高了系統的監控和管理水平，節約了成本。系統的實驗結果和實際應用均表明了該系統的高效和靈活。兩種技術相結合的方式彌補了單方技術的缺陷，將優勢發揮到最好，所設計的系統兼容性好、穩定性高、投資少，有利于推廣，并且為水質監測系統的設計提供了一種新的思路。

[1]杜治國.基于無線傳感器網絡的水質監測系統設計[J].計算機工程與設計，2008，29(17)：4568-4570.

[2]陳鳳.低壓電力線載波通信技術及應用[J].電力系統保護與控制，2009，37(22):188-195.

[3]賀玲，吳建德，鄧焰.基于MCU控制的HBLED智能照明系統設計[J].電源技術，2010，34(5)：509-512.

[4]汪義旺，張波，吳鑠.基于電力載波通信的LED隧道照明控制器設計[J].電源技術，2011，35(8)：985-987.

[5]夏宏博.面向水環境監測的無線傳感器網絡監測節點設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2009.

[6]席冬冬.基于WSN水環境監測節點設計[D].天津：天津工業大學，2013.

[7]薦紅梅.基于硬件構件的嵌入式底層軟件開發方法研究及其應用[D].蘇州：蘇州大學，2008.

Water quality monitoring intelligent system based on RF and PLC

Aimed at the special environment of water quality monitoring work,a new intelligent water quality monitoring system was proposed based on RF and PLC.The KW01 and SSC1641 was used for networking to implement an effective communication model based on RF module and power line carrier module.On the basis of the model,an integrated monitoring system with the composition of sensor node,root node,control concentrator and host computer was designed.Experimental results show that this monitoring system has stable communications,high real-time,low cost,easy implement and fine application prospect.

power line carrier;radio frequency;water quality monitoring system

TM 711

A

1002-087 X(2016)06-1293-03

2015-12-15

國家自然科學基金資助項目(60871086)

陳亞軒(1989—)，男，江蘇省人，碩士，主要研究方向為嵌入式系統應用。