基于ZigBee的水質監測系統研制及復雜環境下在線測試

趙軍　林瀚剛　西熱娜依·白克力

摘要：許多水產養殖基地仍然采用人工監管的方法，這種方式存在檢測周期長、實時性差、效率低等缺點。為解決上述問題，基于ZigBee技術研發一個用于水質檢測的無線傳感網絡系統。該套系統所涉及到的數據傳輸和無線傳感網絡的構建均通過協議棧的接口函數（API）實現，配合傳感節點軟件的使用來實現數據的采集與管理，實驗采集的參數包括水的pH值、溶解氧值和電導率值。由于實地測試環境惡劣多變，故自主設計一套系統的PCB結構外觀。通過3個月的實地測試，該套系統可以順利采集各個參數數據，并進行傳輸和處理。通過對采集參數與實際值對比，傳感器的相對誤差絕對值較小，pH值、溶解氧值和電導率值的相對誤差絕對值分別為0.49%、1.72%和0.23%。實驗結果表明系統具有優良的合理性與準確性，設計科學，工作穩定。

關鍵詞：水質監測；ZigBee技術：無線傳感器網絡；PCB結構

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124{2018）05-0067-04

0引言

近年來，隨著人口的快速增長、國民經濟的迅速發展，隨之而來的是生活環境的惡化、資源的日益枯竭以及自然災害的頻發，這都會對水資源體質量以及國民的生產和生活造成巨大的影響。實時檢測水質才能很好地實現對水資源的維護。

目前我國現有的水質監測管理制度還不夠完善，依然存在工作實效不高、投入成本過高、能源損耗大以及后期維修麻煩等問題。特別在我國許多臨海水產養殖場，解決海水對系統設備的腐蝕和惡劣天氣導致的設施損壞也是一個巨大的考驗。無線傳感器網絡的使用則正好可以克服這些問題，且具有智能性高、區域覆蓋面積廣等優點，所以，無線傳感器網絡在水質監測領域的應用日漸受到重視。黃建清利用nRF905射頻芯片實現了參數的無線傳輸，搭建了一套水質實時監測系統。郭敏將采集到的數據通過GPRS DTU技術發送到服務器，完成了嵌入式終端連接網絡。

基于ZigBee無線傳感器網絡（wireless sensornetwork，WSN）的水質監測系統具有一系列優點，例如：具有較寬的監測面積、系統能夠自動構成網絡、開發成本不高、能高效工作以及對水域的環境影響小等，容易對大范圍水域進行監控。該文運用ZigBee開發的水質監測無線傳感系統，設計軟件方案，實現對水質實時監測，借助無線傳感網絡，收集的樣本可以被送到檢測中心。通過實驗驗證，該系統能夠完成對水質數據的收集、傳輸和整理。

1系統方案設計

本系統遵從標準IEEE802.15.4和協議ZigBee2007，系統配備的節點軟件主要功能是用于實現水質的檢測。該套系統的軟件是用協議棧的接口函數（API）來做支撐，實現對ZigBee的控制和數據的傳輸，軟件的構成包括傳感節點軟件和無線網關節點軟件。通過編譯傳感器節點程序來完成水質參數的采集，數據的遠程發送與接收則是通過AT指令來控制GPRS無線網絡模塊來實現，最終數據將被存儲至云服務器。本系統的總體結構如圖1所示。

1.1傳感器節點軟件設計

對于實時采集各參數的數據信息要依靠傳感器軟件節點來完成，將采集的數據信息用多跳的方式通過ZigBee無線傳感網絡發到無線網關。給傳感器節點上電并初始軟件，軟件會不斷檢測是否有可加入的無線網，節點會在ZigBee搭建的Mesh無線網絡中根據無線網絡的PanID向協調器申請加入網絡，通過請求后即成為該網絡的子節點。當傳感器結點加入無線網后，定時器就開始工作，此時就會對數據進行采集，采集完成的數據會被打包成傳輸格式的文件，然后通過網關進行發送。組成系統軟件的重要部分——傳感器節點軟件，該軟件由ZigBee通信、數據采集和存儲的處理等構成，處理邏輯如圖2所示，系統中所涉及的數據采集均由對應的pH傳感器、水溶解氧傳感器和電導率傳感器來完成。

1.2傳感器節點硬件設計

傳感器節點的工作是采集和存儲數據，但傳感器采集的只是模擬信號，存儲數字信號，因此必須設計硬件電路進行模數轉換。先將最初采集的模擬信號送人調解電路，進行放大、濾波后再將整理過后的模擬信號送入模數轉換器（這里用到的是CC2530芯片）進行模數轉換，處理后的數字量則會由12C總線保存到E²ROM中儲存，同時把數據發送至無線射頻模塊。

電導率、pH值和溶解氧的傳感器則都是通過RS-485信號來進行通信，各傳感器指標如表1所示。

1.3無線網關節點軟件和上位機軟件設計

無線網關節點軟件設計的主要目的是負責組建ZigBee網絡、接收通過網絡傳輸來的數據，并將數據經過一系列的處理后通過GPRS模塊發送至上位機。無線網絡搭建首先給網關節點供電并初始化相關的內部協議棧和外設，最后再由ZigBee協調器來搭建起整個無線網絡。整個工作流程如圖3所示。

無線網關節點軟件由ZigBee協調器和處理器構成。處理器模塊軟件的功能是使數據能通過串口與ZigBee協調器模塊進行接收操作，并進行一些簡單的處理，數據處理完成后將被發送到GPRS模塊。ZigBee協調器的作用是構建和維護無線網絡，其構建Mesh無線網絡是借助ZigBee協議棧的應用層串口來實現的。它可以實現節點的入網請求，并為節點配置一個網絡地址，該地址長度為16位，接收由整個系統傳輸的各個參數。

遠程上位機的參數管理界面采用C#進行開發設計，實現了數據在界面中的顯示與讀取。利用c#里的serialport控件可以方便地讀取串口中緩存的數據。利用ADO.net技術可以把接收的數據保存在MySQL數據庫中，便于后續實地測試時的數據實時查詢與分析。

2系統外觀結構設計

由于系統測試場地位于沿海地區，實驗環境惡劣復雜，海水對實驗儀器的腐蝕破壞性遠超淡水水域，加之海域各類污染會加速對實驗儀器的破壞，因此需要對傳感器節點設計一套針對性的保護結構。

系統整體外觀結構如圖4所示。系統的外殼為球狀，使其不會因為風浪導致顛覆或下沉。上半球是透明塑料，有利于太陽能電池的采光和信號的發射。下半球則使用鋁質材料加工以減小海水腐蝕，上、下半球之間用0型圈密封，以保證系統的密封性。球體內部放置固定了電池和PCB板的電木板。球體底部開了小孔，便于防水插件接入傳感器。在整個球體底部懸掛重物來保證系統結構穩定避免側翻。該系統結構具有方便移動、構造簡單、信號發送穩定，密封性能佳等優點。

3系統實地在線測試

為了測試系統的準確性與穩定性，在寧波的水產品養殖場進行了實地測試，測試時間為3個月。由于測試季節為夏季，海域環境復雜多變，在承受海水腐蝕、多次臺風等惡劣的環境影響下，實驗結果表明，系統的各個節點都能保持長時間正常、穩定工作。實驗過程中的網絡平均丟包率如表2所示。利用OMEGA公司提供的PHH222型pH計、DOH-SD1型溶解氧測量儀和CDH221型電導率檢測儀分別對比驗證了對應的系統獲取的各參數值，并分析了其相對誤差絕對值，其結果分別如表2和表3所示。

可以對比得出，該系統平均的網絡丟包率是0.18%，pH傳感器的相對誤差絕對值是0.49%，溶解氧和電導率傳感器的相對誤差絕對值分別是1.72%與0.23%。本次實驗結果表明，系統能夠有效地進行穩定的工作，且可以取代目前的人工管理模式，具有良好的發展前景。

4結束語

本文實現了關于zigBee的水質監測無線傳感網絡系統，并編寫了整套系統的硬件和軟件，在實際的使用中有較強的實用性，且系統工作穩定。該系統已達到預期設定的目標，無重大問題發生，且具有較大的市場競爭優勢和廣闊的發展前景。目前該系統的設計仍存在一些缺點，基于現有研究，將繼續對系統用戶終端控制、結構設計以及APP開發等做出進一步的完善和擴展。

（編輯：李妮）