基于Zigbee的水質監測儀的組網和軟件設計

文/何家旺 龔晨晨 陳謙謙

1 國內外現狀

在我們現實生活中，水環境污染情況嚴重，如果采用人工檢測，從取樣到出結果，這個過程十分復雜，而目前我們采用的設備十分受限，存在著監測數據滯后、數據誤差較大等問題，所以我們非常缺少應急設備。且有些監測裝置體積太過龐大，不易安裝維護。只適用于海洋和大型的湖泊的水質監測，無法適用于常見河道，公園湖泊等水體，應用場景太過受限。因此，建立水質在線檢測系統非常重要，能快速而準確地獲得水質監測數據，可以幫助水質監測部門建立較大范圍的監測網絡，從而收集有效數據，以確定水質的污染狀況和發展趨勢。

圖1：系統流程圖

2 系統功能介紹

本系統提供的是一種對水的各項指標實時檢測系統，把裝置投放入水中，就可以實時地把水的溫度、渾濁度、PH值以及含氧量等各項信息上傳到我們的網站上，人們可以通過手機、電腦登錄到頁面，及時知道水的各項指標。并且還有警報裝置，如果有哪項指標異于正常值，就會及時發出告警信息，并通過短信的方式發送到監測者手機，對水的保護起到有效地監測作用。

3 系統結構及選型

通信組網是硬件方面的主要關鍵技術，我們的裝置采用Zigbee結點終端和協調器，4G網關和阿里云服務器等組成架構網絡。監控系統拓撲呈拓撲結構，每個裝置配置一個終端節點，組成Zigbee無線監控網絡。通過4G基站到達遠程監控終端。與底層無線監控網絡通信。移動4G通信模塊，以4G基站為樞紐接入阿里云服務器,從而實現與遠程監控主機的通信。系統流程如圖1所示。

3.1 建立網絡

在用Zigbee建立網絡的過程中，可以通過協調器設備來完成，而在這一過程中，所有的實現過程都需要通過原語才能實現。協調器設備的應用層調用原語，發出建立網絡請求，必須在網絡層收到應用層發出的原語之后，才能要求MAC層執行信道能量掃描。主要是為了能夠找到需要的信道，即信道能量低于設定能量值。并且這些信道上需要標注是可用信道，找到符合要求的信道之后，從中篩選出一個最好的信道，然后就可以進行下一步的工作——收到PAN開始的狀態，然后告知應用層所需要建立網絡的狀態。

3.2 加入網絡

在進行上述步驟之后，就開始加入網絡了。路由器設備或者終端設備可以通過關聯的方式來加入這個網絡。對于子設備，首先要設定待掃描的信道和每一個信道掃描的時間。當網絡層收到這一要求之后，就會要求MAC層執行被動或主動掃描，一旦完成了掃描，就會告知網絡層，然后網絡層再向上告知應用層。此時如果有潛在的父節點可以確定，那么網絡層就會調用相關的原語發送給MAC層，用MLME-ASSOCIATE.conf irm 原語可以反饋其連接狀態。

3.3 接收發送數據

在加入了網絡之后，設備可以發送相關數據。應用層將一幀數據打包好之后調用網絡層的原語，并且按照協議的配置，加上相關數據以及做好一定的安全處理過程。

3.4 接收和再發送

如果是在非信標的網絡中，只要保證設備不處于發送數據的狀態，他就可以接受使能，在收到一幀數據之后，就會自動將該幀數據幀頭的傳輸半徑減一。如果不為零的情況下，會不斷地將數據傳輸到下一個設備，直到該值為零，就會停止傳輸，而是被送到應用層，或是在網絡層做一些具體的處理。