陳 巖, 閆云浩, 譚 婷, 郭 宏

(1.北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

基于WSNs多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的終端設(shè)計(jì)

陳 巖1, 閆云浩1, 譚 婷1, 郭 宏2

(1.北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，難以準(zhǔn)確檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化、水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)誤差大等問(wèn)題，提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的終端設(shè)計(jì)方案。采用模塊化設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足個(gè)性化需要；采用太陽(yáng)能和蓄電池雙電源供電，以延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。仿真測(cè)試結(jié)果顯示:pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的平均相對(duì)誤差分別為2.21 %，0.69 %，2.05 %，比傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度提高了30 %左右。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò); 水質(zhì)監(jiān)測(cè); 傳感器節(jié)點(diǎn); 硬件平臺(tái)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)環(huán)境尤其是水環(huán)境保護(hù)的要求與日俱增,尤其關(guān)注水環(huán)境中一些重要水質(zhì)參數(shù)的變化情況。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要有2種：一種是人工采樣，采用手持便攜式監(jiān)測(cè)儀或?qū)嶒?yàn)室分析；另一種是在特定區(qū)域建設(shè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。前者采樣頻率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控、不能反映水體水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)動(dòng)態(tài)變化;后者能實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè),但存在投資成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)、需鋪設(shè)電纜和征地建站等局限性，其覆蓋水域不可能很廣，無(wú)法實(shí)施多點(diǎn)監(jiān)測(cè)[1],這種傳統(tǒng)的檢測(cè)方式已不能適應(yīng)客觀(guān)形勢(shì)[2]。為了滿(mǎn)足人們的要求和不同產(chǎn)業(yè)部門(mén)的需要,考慮到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，本文提出了基于WSNs多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案[3]。本系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小、監(jiān)測(cè)密度高、范圍廣、系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、成本低[4],同時(shí)可以根據(jù)用戶(hù)的不同需要對(duì)溫度、pH、電導(dǎo)率、溶解氧等多參數(shù)進(jìn)行大范圍水域的水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 WSNs節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

多參數(shù)水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成，總體架構(gòu)如圖1所示。

置于需要檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳WSNs系統(tǒng)[5]。傳感器節(jié)點(diǎn)放置后對(duì)所在區(qū)域的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集(pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等)，再將信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算、存儲(chǔ)后通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻通信模塊[6]，把得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)即協(xié)調(diào)器，最后協(xié)調(diào)器通過(guò)串口發(fā)送至監(jiān)控端PC上，完成了對(duì)相關(guān)水域參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計(jì)和傳感器節(jié)點(diǎn)基本相同。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig 1 System overall architecture diagram

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)Fig 2 Hardware overall design of sensor nodes

1.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

在戶(hù)外進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以無(wú)線(xiàn)的方式傳輸數(shù)據(jù)，如果單純以電池供電，節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間過(guò)短,基于此，本設(shè)計(jì)采用了鉛蓄電池和太陽(yáng)能電池雙電源供電模式?？紤]到太陽(yáng)能電池板采集的電流不穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能電池板先給鉛蓄電池充電，再由鉛蓄電池給所需負(fù)載供電。在設(shè)計(jì)中加入了一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路,利用電壓轉(zhuǎn)換芯片MIC5205—x.xBM5構(gòu)成的電路電壓轉(zhuǎn)換。以提供無(wú)線(xiàn)通信模塊所需要的3.3 V電壓[7]，通過(guò)LM317L和max232組成的電路轉(zhuǎn)換輸出電壓+12，+5,-5 V給信號(hào)調(diào)理電路的運(yùn)放供電。

1.2 pH值信號(hào)調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)采用E—201—C復(fù)合玻璃電極，該pH電極測(cè)量范圍為1～14，電極內(nèi)置熱敏電阻器，可用于溫度測(cè)量或者溫度補(bǔ)償功能[8]。

pH值復(fù)合電極輸出是mV級(jí)，且內(nèi)阻很高。在信號(hào)調(diào)理電路中，第一級(jí)將pH電極的輸出與CA3140電壓跟隨器相連，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。第2級(jí)用AD623放大芯片，使之輸出滿(mǎn)足0～5 V,滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換的輸入范圍，通過(guò)相應(yīng)的公式可以計(jì)算出所求的pH值的大小

(1)

pH值信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 pH值信號(hào)調(diào)理電路Fig 3 pH value signal conditioning circuit

1.3 電導(dǎo)率信號(hào)調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)采用鉑黑電導(dǎo)電極DJS—1，電導(dǎo)率常數(shù)為1。鉑黑電導(dǎo)電極工作頻率為20 kHz(激勵(lì)源)左右，激勵(lì)源設(shè)計(jì)采用ICL8038芯片，該芯片是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生0.001 Hz～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。電導(dǎo)率信號(hào)測(cè)量電路采用比值法測(cè)量,即電導(dǎo)率傳感器等效為一個(gè)純電阻，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電路產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)與電導(dǎo)率傳感器和已知阻值組成的運(yùn)算放大器LF444CN串聯(lián)組成回路，然后得到放大后輸出正弦波信號(hào)。因?yàn)榧?lì)源信號(hào)的幅值和反饋電阻器的阻值都是已知的,所以，可以根據(jù)反向運(yùn)算放大器輸入輸出信號(hào)和電阻的比值關(guān)系式求出傳感器等效電阻的阻值,進(jìn)而計(jì)算出溶液電導(dǎo)率值[9]。電導(dǎo)率信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 電導(dǎo)率信號(hào)調(diào)理電路Fig 4 Conductivity signal conditioning circuit

1.4 溶解氧信號(hào)調(diào)理電路

溶解氧電極輸出電流一般很小，最大只有幾十微安，且電極的陰極和陽(yáng)極兩端需施加0.7 V左右的極化電壓，氧電極才能正常工作。通過(guò)芯片TL431得到基準(zhǔn)電壓-2.5 V,然后再根據(jù)TL084放大器進(jìn)行分壓，然后得到0.7 V的極化電壓，氧電極的0.7 V極化電壓仿真電路如圖5所示。

圖5 氧電極的0.7 V極化電壓電路Fig 5 0.7 V polarization voltage circuit of oxygen electrode

由于溶解氧輸出的是微弱的電流信號(hào)，需要將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)并聯(lián)1 MΩ的電阻器實(shí)現(xiàn)，然后再經(jīng)過(guò)TL084進(jìn)行運(yùn)放放大得到0～5 V電壓，使之能夠進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，溶解氧信號(hào)調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 溶解氧信號(hào)調(diào)理電路Fig 6 Dissolved oxygen signal conditioning circuit

2 硬件電路穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

2.1 pH值與輸出電壓的線(xiàn)性測(cè)試

pH值是指水中重要?dú)潆x子(H+)濃度的大小，在數(shù)值上等于氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)。采用電位測(cè)量法，電位法pH測(cè)量原理來(lái)源于能斯特方程。如把一支對(duì)氫離子可逆的電極和參比電極放入到某溶液中就組成了一下原電池，由于原電池的參比電極的電位在一定條件是不變的，那么原電池的電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值就隨著被測(cè)溶液中氫離子活度而改變，因此,通過(guò)測(cè)量原電池的的電動(dòng)勢(shì)，就能知道溶液中的pH值[10]。通過(guò)pH值采集電路，測(cè)得輸出電壓和pH值的關(guān)系，由表1給出輸出電壓和對(duì)應(yīng)的pH的測(cè)量值。

表1 輸出電壓和對(duì)應(yīng)的pH的測(cè)量值Tab 1 Output voltage and corresponding pH measuring value

2.2 電導(dǎo)率與輸出電壓的線(xiàn)性測(cè)試

電導(dǎo)率是以數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流的能力。溶液的電導(dǎo)率與其所含無(wú)機(jī)酸、堿、鹽的量有一定的關(guān)系 ，當(dāng)它們的濃度較低時(shí)電導(dǎo)率也較低 ，電導(dǎo)率隨著濃度的增大而增加。電導(dǎo)(G)是電阻(R)的倒數(shù) ，2個(gè)電極插入溶液中 ，可以測(cè)出電極間的電阻R，從而測(cè)出電導(dǎo)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率K指相距1 cm 的兩平行線(xiàn)電極間充以 1 cm3溶液時(shí)所具有的電導(dǎo) ，根據(jù)公式(2)和電極常數(shù)J就可以測(cè)出電導(dǎo)率[11]

G=1/R=K×(1/J),

(2)

水的電導(dǎo)率測(cè)量范圍比較大,水電導(dǎo)率的測(cè)量范圍為0～2 000mS/cm;所以，必須選擇合適的反饋電阻來(lái)保證運(yùn)放的不失真輸出,使放大器工作在線(xiàn)性放大區(qū)間,保證電導(dǎo)率信號(hào)的真實(shí)性,從而提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。表 2給出輸出電壓和對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率的測(cè)量值。

表2 輸出電壓和對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率的測(cè)量值Tab 2 Output voltage and corresponding conductivity measuring value

2.3 溶解氧電極工作電流與輸出電壓的線(xiàn)性測(cè)試

溶解氧傳感器采用極譜式溶解氧電極, 基于檢測(cè)電極上氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流的原理。電極由Au電極( 陰極) 和Ag電極( 陽(yáng)極) 及NaCl或氰化鉀電解液和氧擴(kuò)散膜組成, 氧通過(guò)膜擴(kuò)散進(jìn)入電解液與Au電極和Ag電極構(gòu)成測(cè)量回路。當(dāng)給電極加上 0.7 V 的極化電壓時(shí),氧通過(guò)膜擴(kuò)散陰極釋放電子, 陽(yáng)極接收電子產(chǎn)生電流，根據(jù)法拉第定律: 流過(guò)電極的電流和氧分壓呈正比,在溫度不變的情況下電極的輸出電流和氧濃度呈線(xiàn)性關(guān)系,這樣可以根據(jù)電極輸出電流的大小計(jì)算出溶液中氧濃度的大小[12]。通過(guò)溶解氧信號(hào)調(diào)理電路，可以得到工作電流和輸出電壓的關(guān)系由表3可以查看電極工作電流和輸出電壓的關(guān)系。

表3 電極工作電流和輸出電壓的關(guān)系Tab 3 Relationship between electrode working current and output voltage

2.4 輸出工作電壓和所測(cè)溶解氧的線(xiàn)性測(cè)試

根據(jù)法拉第定律, 電極工作電流與水中溶解氧值呈正比。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的輸出電壓與工作電流的關(guān)系曲線(xiàn)，進(jìn)而得出輸出電壓和溶解氧之間關(guān)系。由表4給出輸出電壓和對(duì)應(yīng)的溶解氧的測(cè)量值。

表4 輸出電壓和對(duì)應(yīng)的溶解氧的測(cè)量值Tab 4 Output voltage and corresponding value of measurement of dissolved oxygen

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)的測(cè)量值和理論上的測(cè)量值接近，pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的平均相對(duì)誤差分別為2.21 %，0.69 %，2.05 %，測(cè)量精度滿(mǎn)足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的要求[13]。表5、表6、表7分別為pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等參數(shù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并且對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：pH值、電導(dǎo)率、溶解氧的平均相對(duì)誤差分別為2.21 %，0.69 %，2.05 %,比傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度提高了30 %左右。

表5 pH值的測(cè)量結(jié)果Tab 5 Measurement results of pH value

表6 電導(dǎo)率的測(cè)量結(jié)果Tab 6 Conductivity measurement result

表7 溶解氧的測(cè)量結(jié)果Tab 7 Measurement result of dissolved oxygen

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Design of multi-parameter water quality monitoring terminal based on WSNs

CHEN Yan1, YAN Yun-hao1，TAN Ting1，GUO Hong2

(1.School of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China; 2.Kunshan Nokisens SAC Co Ltd,Kunshan 215300,China)

Aiming at problems that traditional water quality monitoring systems can not real-time online monitoring water quality parameters,it is difficult to accurately detect dynamic changes of water quality parameters and detecting errors of water quality parameters is big,propose a WSNs-based terminal design scheme of multi-parameter water quality monitoring.The design scheme uses modular design to meet individual needs;uses solar and battery dual power supply to extend working time of wireless nodes.Simulation test results show that average relative error of pH value,conductivity,dissolved oxygen,is 2.21 %,0.69 %,2.05 %,respectively,compared with precision of conventional water quality monitoring system is improved about 30 %.

wireless sensor networks(WSNs); water quality monitoring; sensor node; hardware platform

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0083—04

2014—03—06

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0083—04

陳 巖(1963-),女，甘肅天水人，博士，教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。