基于ZigBee技術的巢湖水質監測系統設計

喬 欣 孔 兵

（巢湖學院 電子工程學院，安徽 巢湖 238000）

近年來，“綠水青山就是金山銀山”的理念不斷深入人心，然而針對大面積、復雜環境因素等問題的水源監測成為了當前改善生態環境的難題[1-3]。

2017年11月的巢湖水質分析報告顯示，東半湖、西半湖及全湖的水質均呈中度污染，全湖主要污染物為總氮、總磷，其中總氮濃度為0.74～2.16 mg/L，均值為1.27 mg/L，總磷濃度為0.05～0.16 mg/L，均值為0.12 mg/L，雖然這些數據并不能表征全湖，但是對比上一年來看是有所惡化的。作為中國五大淡水湖之一的巢湖，水質惡化監測難、缺少先進的監測手段、無法實時反映當前水質情況等問題是當今面臨的主要問題[4]。巢湖水質的嚴重污染已經成為巢湖流域經濟、社會發展的瓶頸，使該地區既不能形成良好的人居環境，又不能形成健康、安全的投資環境，嚴重影響和制約了流域內經濟、社會的可持續發展，最為直觀的是影響到依靠湖水進行的水產養殖業及居民的生活健康。因此，基于當前的無線傳感器網絡技術，設計一套實時監測系統解決巢湖水質監測系統存在的問題顯得尤為重要[5-7]。

水質監測可以分為環境水體監測和水污染源監測，兩種監測互補，不僅要監控當前水體情況，還需要及時發現新的污染源或者排放口，改善水質[8]。傳統水質水域檢測方法主要是以人工采樣然后進行實驗室分析為主，這種方法缺少連續性、時效性差、效率低下且數據樣本少等問題，對于實現水污染源監測較為困難，阻礙了后續工作者對巢湖水資源進行科學有效治理的研究[9-11]。而有線網絡監測能夠解決時效性問題且能夠保證數據的有效傳輸，常被用于巢湖的環湖河流流入時監測，針對大面積的湖水檢測因其成本高、范圍受限、施工復雜等因素，不適用于巢湖水質監測[12-13]。

無線傳感器網絡是一種可大規模部署形成以數據為中心的自組網絡，具有成本低、可擴展性好，智能化程度高，不受范圍影響等特點，在智能監測、監控領域具有廣泛的應用前景[14-15]。如果部署大量的傳感器節點，根據大數據分析技術找出水質污染指標的變化特征不僅能夠實現環境水體監測而且能夠實現水污染源監測[16]。

針對水質監測和水域污染等問題，學者已經做了大量的相關研究工作，如文獻[17]提出了基于無線傳感器網絡進行傳輸及采用模糊算法進行測評的方法對水質進行監測，設計了水質狀態通過手機APP展示方式。文獻[18]提出了基于無線傳感器網絡的水質在線監測系統，通過GPRS將數據傳輸給數據中心，文中主要闡述了軟硬件設計的過程。然而針對基于無線傳感器網絡傳輸的水域水質監測系統，不僅要有詳細的軟硬件設計，同時也需采集數據、傳輸數據、結果評估等分析。

基于此，研究提出了一種基于ZigBee技術的巢湖水質監測系統，以溫度、pH值、溶解氧為采集特征，設計了相應特征的傳感器節點，解決了傳統水質監測的不足，實現了巢湖水質的無線監測、遠程實時監控、數據傳輸的功能。

1 系統總體結構及原理圖

巢湖水質監測系統由傳感器節點（Sensor node）、路由節點（Routenode）、匯聚節點（Sinknode）、監控中心（Monitoring center）等部分組成[19]。

其中，傳感器節點：是無線傳感器網絡的基本功能單元。其基本組成模塊有：傳感單元（由傳感器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分（如圖1所示），需要完成監測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應答路由節點的任務請求和節點控制等多種工作[20]。

路由節點：與傳感器節點組成模塊類似，與傳感器節點相比缺少傳感單元，可以參與路由發現、信息轉發、通過連接的節點來擴展網絡的覆蓋范圍等。

匯聚節點：是連接傳感器網絡與互聯網等外部網絡的節點，一方面收集來自路由節點的采集信息，另一方面負責與外部網絡互通，具備下發指令、轉發數據等功能。

監控中心：是集歷史數據存儲、指標展示、預警、傳感器網絡管理、水質參數采集任務管理等一體的監控中心。

圖1 系統整體結構圖

整體結構如圖1所示。監測區域由傳感器節點與路由節點組成，通過ZigBee協議自組網進行數據采集與傳輸，各個節點以多跳的方式協同作用，實現基于ZigBee技術的水質監測系統。定時監測過程：傳感器節點定時采集到數據后將信息廣播到周圍鄰近的路由節點，路由節點收集周圍節點的信息后通過無線的方式傳給匯聚節點，匯聚節點包括ZigBee與GPRS兩個模塊，ZigBee負責接收節點的數據，GPRS模塊負責通過GPRS與Internet網絡將信息傳遞給監控中心，指令監測即監控中心發出監測指令經過無線傳感器網絡下達至傳感器節點，使其激活并執行采集活動達到指令監測的目的。

ZigBee網絡主要有三種網絡拓撲結構：星形、簇樹形、網狀型網絡拓撲結構，如圖2所示。由于星形拓撲結構實現起來功能簡單，容易受中心節點的影響。簇樹型拓撲結構網絡結構復雜，一旦中間節點失效，整個網絡也會癱瘓。網狀型拓撲結構伸縮性較好，具有動態組網和自動連接路由的功能能，傳輸性能很高，因此，采用網狀型的拓撲結構。

圖2 ZigBee網絡拓撲結構圖

傳感器節點是巢湖水質監測系統的重要組成部分，由傳感器探頭、信號調理電路、處理器模塊、無線通信模塊以及電源管理模塊[6]、浮標、固定裝置組成，結構如圖3所示。研究采集三類特征參數進行監測，并設計了浮標節點即將除了三類傳感器探頭外的其他模塊安置在浮標上，并采用固定裝置將浮標固定，防止由于暗流、風速等因素導致浮標位置漂移，同時記錄浮標的經緯度。傳感器節點的工作原理：首先傳感器探頭采集溫度、pH值、溶解氧三類特征的弱電信號，接著經信號調理電路對信號進行放大、濾波處理后，傳送給CC2530的A/D轉換模塊，將模擬信號轉化為數字信號進行后續的數據傳輸，最后信息由CC2530的ZigBee通信模塊廣播給其他協作節點。電源管理模塊為整個傳感器節點供電，包括3.3 V、5 V等電源轉換。路由節點硬件原理結構圖與傳感器節點相似。

圖3 傳感器節點結構圖

匯聚節點由CC2530控制器、GPRS模塊、存儲器、電源管理模塊組成，本文將GPRS模塊引入匯聚節點旨在解決遠距離通信問題。

2 無線傳感器網絡節點硬件設計

由于巢湖水質環境監測復雜，因此在本設計中傳感器節點采用電池供電以降低功耗。下面分別介紹各個傳感器模塊的電路設計。

2.1 溫度調理電路設計

溫度調理電路采用+5 V與-5 V供電的電橋與運放組成，通過控制電橋平衡來控制輸出電壓值。調節滑動變阻器Rp的阻值使電橋平衡，此時放大器輸出為0 V，當溫度發生變化時電橋失去平衡狀態，此時放大器輸出電壓為Vt，利用CC2530芯片的AD轉換功能，根據電壓值和熱敏電阻的函數關系計算出溫度值。溫度調理電路如圖4所示。推導出放大器的輸出電壓計算公式為：

其中，R1∶R6分別為固定電阻，RP為可調電阻，Rt為熱敏電阻。

圖4 溫度調理電路

2.2 pH值信號調理電路設計

pH值是表示水質在6～9正常范圍的酸堿程度，pH電極將被測溶液的pH值轉化為電壓信號[7]，通過電極之間壓差的變化測量出水質pH值的大小。實際測量發現pH值復合電極輸出的電壓較小，無法直接算出pH值的大小，因此采用雙運放差分放大器將電壓的輸出范圍放大至0～3.3 V，pH值信號調理電路如圖5所示。

推導出pH值信號調理電路的輸出電壓為：

式中，Vin是 pH 電極輸出電壓，R9，R10，R12∶R15分別為固定電阻，R11，R16為可調電阻。

圖5 pH值信號調理電路

2.3 溶解氧信號調理電路設計

溶解氧電極輸出的溶氧度與電極輸出的電流成線性關系，而實際測量中發現電極輸出的電流信號非常小，只有幾十微安，因此，在調理電路中采用5 V供電的運算放大器構成2級放大，第一級放大經運算放大器將電流信號轉化為電壓信號，第二級放大通過A/D轉換電路放大濾波輸出電壓值。

3 水質監測系統的軟件實現

巢湖水質監測采用自組網的方式將傳感器節點、路由節點、匯聚節點組成無線網絡，各節點按照硬件與軟件的設計分工明確。

信息管理平臺能夠讓用戶及時地獲取無線傳感器網絡采集的水質數據，同時也可以實現對相關參數（報警闊值、采樣間隔）的重新配置。在進行系統功能劃分時以數據為主線，采用模塊化設計方法,整個系統主要劃分為：通信管理模塊、人機交互界面模塊、配置管理、數據庫模塊和其他功能模塊等5個功能模塊，如圖6所示。

圖6 信息管理平臺功能模塊劃分

開發的遠程信息管理平臺針對水質監測，傳感器網絡需要采集的水質參數種類多，監測密集，單位時間內交易的數據量大,因此需要穩定的操作系統和數據庫軟件來支持具體功能，分層體系架構如圖7所示。

圖7 信息管理平臺軟件架構圖

傳感器節點主要起到數據的定時采集數據與轉發、自動組網、無線網絡維護、接收與執行路由節點的控制消息等作用。因此，基于ZigBee協議棧的傳感器節點軟件設計過程如圖8所示。傳感器節點周期的采集數據，考慮到能耗問題，實際采集頻率設置為1次/小時。啟用CC2530的定時器模塊，每次采集完成后，傳感器節點自動進入休眠狀態，直至下一個采集時間點，再次循環進行新一輪的采集任務。

圖8 傳感器節點軟件流程圖

匯聚節點負責網絡的啟動和配置，其負責接收路由節點發送過來的信息，并將信息傳至監控中心，也可將監控中心下達的命令發送給路由節點，進而傳至傳感器節點，完成信息的接收和發送[8]。匯聚節點程序設計流程圖如圖9所示。

圖9 匯聚節點軟件流程圖

4 系統測試

本部分進行了兩部分測試：丟包率測試與巢湖水體特征數據測試，其中測試水質監測系統的丟包率是為了檢驗可靠性與穩定性，水體特征數據測試是驗證文中設計的傳感器網絡的數據采集、數據傳輸能力、數據準確性。

丟包率測試：首先基于文獻[15]中的研究，無線傳感器網絡的節點RSSI與傳輸距離有關，經過多次實驗發現，RSSI與丟包率為強關聯，在通信半徑R小于固定值K時RSSI對丟包率的影響不大，當R＞K時，RSSI越大，丟包率越低，因此本次實驗通信半徑設置為40 m。將節點固定在浮標上，部署5個傳感器節點，5個路由節點，1個匯聚節點在300 m×300 m的水域范圍內，測試采集頻率設置為30 min/次，連續采集21 d，得到如表1所示數據。從表中看出，該系統具備較好的穩定性與可靠性，平均丟包率為0.8%。此外，通過實驗發現，環境噪聲、軟件設計接收機制等都可以影響無線傳感器網絡的可靠性傳輸。

水質特征數據測試：在25℃條件下，在實驗室使用鄰苯二甲酸氫鉀與鹽酸配置不同的pH溶液供實驗測試。如表2所示，使用pHscan 20測量計測量的pH值與本系統測量巢湖水質參數的pH值接近，誤差在1.17%。在選擇傳感器節點與溫度計同時測量同一水杯中的水溫，大量測試數據中，同時使用YSI550A測出溶液的溶解氧，選擇了5個對比值。如表3所示，從表3中可以看出，溫度測量精度在0.4℃以內，溶解氧測量精度在0.2 mg.L-1以內，平均相對誤差分別為0.56%、1.59%，本文設計的水質監測系統測量精確，可以滿足巢湖水質監測應用的要求。圖10是本系統與標準測量儀器連續監測20 h的數據，從圖10中可以看出，本文設計的系統與標準儀器監測數據差別不大，系統運行穩定，滿足正常監測的需求。

表1 無線傳感器網丟包率統計

表2 25℃時pH值測試結果

表3 水溫與溶解氧測試結果

圖10 水質參數實時監測曲線圖

5 結論

針對巢湖水質水域情況，研究設計了基于ZigBee技術的巢湖水質在線監測系統。該系統通過傳感器節點采集溫度、pH值、溶解氧三種參數評估水質現狀，路由節點把采集到的水質參數傳至匯聚節點，匯聚節點將收集到的水質參數通過GPRS網絡傳給上位機，滿足水質數據實時監測應用的需求。經實驗表明，該系統測量精確，穩定可靠，能夠大范圍的監測巢湖水資源環境，為保護生態巢湖提供技術支持。然而，雖然系統可以解決實時監測的問題，但是面對海量實時監測數據的應用、水質預警、污染源快速定位等問題仍需進一步研究，同時基于救援、旅游、水上作業、災害預警等高精度定位研究也是關鍵技術，未來結合大數據技術建立合適的分析模型同時優化定位技術是重點的研究方向。