基于ZigBee的校園湖泊水質(zhì)監(jiān)測

何蕊 儲瑛 顏奔 周紅明

摘要：本文將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于校內(nèi)湖泊的水質(zhì)監(jiān)測中進行試驗驗證，能方便解決水質(zhì)的采集、傳輸和處理等問題。通過溫度傳感器，pH值傳感器、溶解氧傳感器以及電導(dǎo)率傳感器構(gòu)成的水質(zhì)參數(shù)采集模塊采集校園湖泊水質(zhì)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機進行處理，處理后通過ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給上位機，從而實現(xiàn)了一個小型的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

Abstract： In this paper， ZigBee technology is applied to the water quality monitoring of lakes in the school for test verification， which can easily solve the problems of water quality collection， transmission and processing. The water quality parameter collection module consisting of temperature sensor， pH sensor， dissolved oxygen sensor and conductivity sensor collects the water quality parameters of the campus lake， and transmits the data to the single chip for processing. After processing， the data is transmitted to the upper position through the ZigBee communication module. Machine， thus achieving a small water quality monitoring system.

關(guān)鍵詞：ZigBee;水質(zhì)監(jiān)測;無線遠程監(jiān)測;無線傳感網(wǎng)絡(luò);湖泊

Key words： ZigBee;water quality monitoring;wireless remote monitoring;wireless sensor network;lake

中圖分類號：X832 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0171-03

0 ?引言

近年來，隨著我國工業(yè)化和城市化的推進，水污染的問題日益嚴重，為了讓人類和水生生物生活在一個健康的水源環(huán)境中，對水質(zhì)的監(jiān)測就顯得尤為重要。相對大多數(shù)的無線監(jiān)測技術(shù)，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些技術(shù)使得ZigBee可以和無線傳感器完美的結(jié)合在一起，并且，ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和開發(fā)已受到越來越多的關(guān)注。

本文以本校博思湖為研究對象，根據(jù)無線傳感器的基本理論和博思湖水質(zhì)在線自動監(jiān)測的需求，利用水質(zhì)傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、自動測量技術(shù)及無線通信技術(shù)研究設(shè)計一套在線式水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對博思湖水質(zhì)的溫度、pH值、溶解氧和電導(dǎo)率的采集、傳輸和處理等功能。

1 ?發(fā)展意義

早在1970年，美國和日本等發(fā)達國家對河流、湖泊等地表水就開展了水質(zhì)自動在線監(jiān)測。主要有美國YSI的水質(zhì)垂直剖面自動監(jiān)測系統(tǒng)，美國HACH公司的供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等。

我國也在2000年9月起，開始實施全國主要流域重點斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站的建設(shè)項目，已形成了覆蓋全國十大流域、擁有200多個子站、能夠及時反映斷面水質(zhì)狀況和變化的能力。然而我國的水質(zhì)監(jiān)測體系仍然存在自動化程度低、信息處理不及時等問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：首先，各種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測仍以人工采樣和實驗室分析為主，不但工作量大，監(jiān)測效率低，而且很難在短時間內(nèi)提供水質(zhì)參數(shù)的信息，實時掌握水質(zhì)變化的情況;其次，水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的信息化程度偏低，使得眾多部門的監(jiān)測數(shù)據(jù)客觀上無法共享。

因此，研究設(shè)計出一套在線式水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)、可實現(xiàn)24 小時不間斷對水質(zhì)的監(jiān)測、所有采集數(shù)據(jù)實時無損耗傳輸?shù)绞謾C客戶端的系統(tǒng)是及其有益的一件事。

2 ?研究目標(biāo)

以玉溪師范學(xué)院博思湖的水質(zhì)監(jiān)測為主要研究對象，以自動化實時監(jiān)測為目標(biāo)，采用硬件與軟件相嵌合，理論與實際相結(jié)合的方式進行開發(fā)，旨在建立運行穩(wěn)定、操作方便、管理能力強、成本低廉、高效的監(jiān)測系統(tǒng)。

結(jié)合博思湖水質(zhì)在線自動監(jiān)測的需求，利用水質(zhì)傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、自動測量技術(shù)及無線通信技術(shù)研究設(shè)計一套在線式水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對博思湖水質(zhì)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等功能。

3 ?系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由傳感節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點所構(gòu)成的水質(zhì)監(jiān)測處理單元;ZigBee 網(wǎng)、DTU 設(shè)備和無線通信技術(shù)構(gòu)成的傳輸網(wǎng)絡(luò)單元;自動監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測處理單元獲取水中所需水質(zhì)數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)單元處理并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，計算機對數(shù)據(jù)進行分析，若數(shù)據(jù)超出正常值則啟動報警系統(tǒng)。如圖1所示。

3.1 RFD 設(shè)備設(shè)計

傳感器節(jié)點是一個 RFD 設(shè)備，負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，位于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的最前端。傳感器節(jié)點的組成是：電源模塊、傳感器模塊、RF 射頻天線和 CC2530 模塊。傳感器模塊部分包括溫度、 溶解氧、電導(dǎo)率、pH、氨氮等水質(zhì)傳感器及相對應(yīng)的調(diào)理電路，系統(tǒng)中采用的CC2530 芯片含有 8051 處理器和ZigBee 無線收發(fā)器。傳感器模塊采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳送到 CC2530 的處理器單元進行計算存儲再通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。如圖2所示。

3.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)備和多個傳感器節(jié)點設(shè)備構(gòu)成，主發(fā)負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和匯聚，任意分布在某個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點定期對水質(zhì)檢測，并將檢測到的數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點;協(xié)調(diào)器節(jié)點除了向 DTU 發(fā)送數(shù)據(jù)，還要建立、維護一個安全可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)。GPRS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將接收的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，打包后通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠程的監(jiān)測中心服務(wù)器;上位機對服務(wù)器數(shù)據(jù)進行讀寫處理。如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計是為了實現(xiàn)對水體環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實時接收、顯示、查詢、存儲、統(tǒng)計分析等，通過該系統(tǒng)可以及時掌握水質(zhì)變化情況，并對發(fā)展趨勢進行預(yù)測和預(yù)警，做出相應(yīng)處理策略。節(jié)點系統(tǒng)中采用了三層設(shè)計方法。將整個軟件系統(tǒng)分為硬件抽象層、系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層。軟件控制系統(tǒng)計算機對數(shù)據(jù)進行分析，若超出正常值則啟動警報系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可以由客戶自行打印存儲，系統(tǒng) 24 小時不間斷地定時向遠程的監(jiān)測中心發(fā)送采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測。系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

我們的上位機是基于Qt開發(fā)的，Qt是諾基亞公司的C++可視化開發(fā)平臺。與Visual C++相比，Qt 簡單方便、功能完善、跨平臺、擴展能力強，常用于嵌入式開發(fā)。Qt是一個跨平臺的 C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架（C++ GUI），能夠為應(yīng)用程序開發(fā)者提供建立藝術(shù)級圖形用戶界面所需的所有功能。它是完全面向?qū)ο蟮模苋菀讛U展，并且可應(yīng)用于組件編程。如圖5所示。

4 ?總結(jié)

本文結(jié)合了ZigBee技術(shù)，GPRS無線通信技術(shù)以及編程技術(shù)，傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點建立一個安全可靠的無線通信網(wǎng)，最后數(shù)據(jù)通過GPRS轉(zhuǎn)換打包發(fā)送給上位機處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對水質(zhì)的監(jiān)測。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，解決了適應(yīng)傳感器、低端的和面向控制的、應(yīng)用簡單的專用標(biāo)準(zhǔn)的這一問題，提高了系統(tǒng)的擴展性、移動性，同時也降低了設(shè)備的成本。

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