姚達(dá)雯, 周國平, 王鑫鑫, 黃 峰

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

工業(yè)污染和自然災(zāi)害導(dǎo)致的水環(huán)境破壞嚴(yán)重地威脅著人們的生產(chǎn)和生活用水安全。為此，水質(zhì)監(jiān)測已成為關(guān)系到各行各業(yè)正常發(fā)展的重要手段。目前的水質(zhì)監(jiān)測以人工采集為多，然而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)以其覆蓋范圍廣、自組網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)、實時性好、應(yīng)用可移植等特點為水體檢測的數(shù)字化、自動化、智能化提供了有利條件[1]。文獻(xiàn)[2，3]中提出的運(yùn)用通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測，雖然實時性強(qiáng)，但受信號覆蓋限制且收發(fā)信息需要收費(fèi)，成本較高，操作復(fù)雜。而文獻(xiàn)[1，4]中提出運(yùn)用Zig Bee無線技術(shù)的檢測方法成本較低，簡單便捷，但節(jié)點功耗較大且傳輸距離有限。

本文采用Zig Bee與GPRS通信相結(jié)合的方法， 硬件設(shè)計以16位低功耗單片機(jī)作為主控芯片，軟件上以輪轉(zhuǎn)查詢式的Z-Stack作為堆棧協(xié)議，實現(xiàn)了功耗低，覆蓋范圍廣，操作簡便的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、監(jiān)控上位機(jī)構(gòu)成，利用Zig Bee通信協(xié)議和GPRS通信技術(shù)的無縫鏈接進(jìn)行實時通信。傳感器節(jié)點將MSP430作為主機(jī)，CC2430作為從機(jī)，傳感器組作為數(shù)據(jù)采集探頭，實現(xiàn)水溫、pH 值、溶解氧、濁度、水位和電導(dǎo)率等參數(shù)的實時采集和處理，這些數(shù)據(jù)通過Zig Bee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以多跳路由的方式在相鄰傳感器節(jié)點間傳遞，從而實現(xiàn)全區(qū)覆蓋。協(xié)調(diào)器節(jié)點由MSP430和TC35i短信平臺相結(jié)合，通過GPRS和GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控的上位機(jī)或檢測人員手機(jī)的通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MSP430主控制器

本設(shè)計采用了以MSP430F149為核心的主控制模塊，它是TI公司推出的一種集成度高、功能豐富、功耗極低、在惡劣環(huán)境下工作性能穩(wěn)定的16 位微控制器。MSP430工作電壓為 1.8～3.6 V，具有一種活動模式和5種低功耗運(yùn)行模式，有利于解決WSNs節(jié)點能耗這一瓶頸，延長電池壽命。工作環(huán)境溫度為 -40～+85 ℃，適應(yīng)于各種水環(huán)境的監(jiān)測應(yīng)用[5]。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 Zig Bee收發(fā)模塊

Zig Bee收發(fā)模塊采用CC2430與CC2591相結(jié)合的形式。CC2591是TI公司提供的面向低功耗無線傳輸，工作在2.4 GHz的射頻前端芯片，內(nèi)部集成功率放大器的增益為22 dB，并利用具有低噪聲系數(shù)的低噪聲放大器來改善接收靈敏度，從而增加鏈路預(yù)算。它的主要作用是為CC2430提供無縫匹配的功放模塊，增強(qiáng)射頻信號性能，增大數(shù)據(jù)傳輸距離[6]。

CC2430是Chipcon公司推出的適用于Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的SOC，內(nèi)部集成2.4 GHz射頻收發(fā)器和8051控制器，支持IEEE 802.15.4/Zig Bee協(xié)議，具有接收靈敏度高和抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點[7]。此外，在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的模式下，電流損耗分別低于27,25 mA，休眠電流為0.5 μA[8]。CC2430與MSP430，CC2591的連接原理圖如圖2所示。

圖2 Zig Bee模塊電路

2.3 傳感器組的選擇

傳感器組作為數(shù)據(jù)采集探頭，需要對溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、水位、pH 值和濁度等參數(shù)進(jìn)行檢測。傳感器的選型首先必須考慮是否適應(yīng)水下環(huán)境的檢測，本設(shè)計采用美國Global Water公司推出的WQ101型溫度傳感器，WQ201型pH值傳感器，WQ301型電導(dǎo)率傳感器，WQ401型溶解氧傳感器，WQ700型濁度傳感器和杭州燁立公司生產(chǎn)的水位傳感器。此系列傳感器具有精度高、準(zhǔn)確性好、可靠性強(qiáng)、成本低且適用于Zig Bee無線技術(shù)應(yīng)用的特點[9]。

由于各傳感器輸出電信號的范圍不同，為了便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，設(shè)計了信號調(diào)理電路，將這些非標(biāo)準(zhǔn)的電流信號轉(zhuǎn)換成便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)信號，在信號調(diào)理電路的設(shè)計中，采用LM358型運(yùn)放構(gòu)成前級同相放大電路和后級差分放大電路，并通過調(diào)節(jié)電路中的相關(guān)電位器，實現(xiàn)由各種傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)信號向標(biāo)準(zhǔn)信號的轉(zhuǎn)變(圖3)。

圖3 傳感器信號調(diào)理電路

2.4 SMS模塊

調(diào)節(jié)器節(jié)點的SMS模塊采用西門子公司推出的GSM/GPRS雙模模塊TC35i，它的GPRS模塊永久在線功能提供了最快的數(shù)傳速率。它體積小巧，功耗低，能提供數(shù)據(jù)、短信、語音、傳真等功能，可廣泛用于遙感測量記錄傳輸、遠(yuǎn)程信息處理、電話[10]。如圖4所示，SMS模塊主要包括接口電路，SIM卡座電路和串口電路。

圖4 短信模塊電路

2.5 電源模塊

調(diào)節(jié)器節(jié)點采用5 V直流電源或USB供電，而MSP430和CC2430需要3.3 V電源，TC35i則需要4.2 V電源。因此，需要搭建電源轉(zhuǎn)換模塊。采用TLV1117—3.3和LM2941穩(wěn)壓芯片分別實現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V和5 V轉(zhuǎn)4.2 V的電源模塊設(shè)計，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。不同于調(diào)節(jié)器節(jié)點，傳感器節(jié)點因拋撒放置后無法再回收,所以，采用2節(jié)普通AA干電池供電,使用壽命可達(dá)幾個月,可以達(dá)到應(yīng)用要求。

圖5 電源模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要包括Zig Bee節(jié)點程序，傳感器節(jié)點程序和調(diào)節(jié)器節(jié)點程序。其中Zig Bee節(jié)點和傳感器節(jié)點程序是系統(tǒng)軟件的重點，作為前端Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)程序，這兩部分共同完成了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和對網(wǎng)絡(luò)的管理。根據(jù)傳感器節(jié)點安放的位置，還可以形成對消息中繼轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點。而通過GSM/GPS網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)、手機(jī)通信的協(xié)調(diào)器模塊是網(wǎng)絡(luò)的控制中心，一方面負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，另一方面還接收各傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行匯合整理后通過SMS模塊上傳至手機(jī)、上位機(jī)。

3.2 Zig Bee節(jié)點程序

為了實現(xiàn)低功耗的特征，本設(shè)計采用TI公司開發(fā)的基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的Z-Stack協(xié)議棧。協(xié)議流程如圖6所示，當(dāng)初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件，從而極大地降低了系統(tǒng)的功耗[1]。

圖6 Z-Stack協(xié)議流程

3.3 傳感器節(jié)點程序

傳感器節(jié)點的軟件部分包括水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信兩部分。由于傳感器節(jié)點使用干電池供電，所以，在軟件設(shè)計中尤其要考慮低功耗的問題。節(jié)點上電后首先進(jìn)行Z-Stack協(xié)議棧初始化,然后開始信道掃描，當(dāng)檢測到有協(xié)調(diào)器節(jié)點的信標(biāo)時,發(fā)送建立網(wǎng)絡(luò)連接的請求，獲得連接允許并與協(xié)調(diào)器建立綁定后，獲得協(xié)調(diào)器的標(biāo)識號，成功入網(wǎng)，開始定時測量水質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過Zig Bee無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，否則，會轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)以降低功耗，其軟件流程如圖7所示。

圖7 傳感器節(jié)點程序流程

3.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序

協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后首先進(jìn)行硬件、軟件初始化，然后建立網(wǎng)絡(luò)，與傳感器節(jié)點建立綁定，綁定過程在圖7中已有所陳述。形成網(wǎng)絡(luò)后,協(xié)調(diào)器把傳感器節(jié)點的標(biāo)識號發(fā)送給監(jiān)控終端并等待傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，通過LCD顯示，并定時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給檢測者手機(jī)或者監(jiān)控上位機(jī)，協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程如圖8所示。

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖

3.5 GPRS通信流程

在SMS模塊部分，MSP430 通過GSM模塊TC35i發(fā)送相應(yīng)的命令來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，首先要用AT指令對TC35i進(jìn)行初始化，包括AT指令測試，對波特率、禁止指令寫回、工作模式等進(jìn)行設(shè)定。對應(yīng)格式如表1所示。采用PUD格式的發(fā)送協(xié)議，與文本格式相比，PUD格式不僅支持任何編碼，應(yīng)用效果好，而且不需要預(yù)置編碼選項。

表1 AT指令對照表

4 實驗結(jié)果與分析

為了對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行驗證，筆者用調(diào)試好的系統(tǒng)對南京玄武湖部分區(qū)域進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測。出于成本考慮，設(shè)置了5個傳感器節(jié)點，檢測日期為2013年12月12日上午10∶00。各節(jié)點檢測到的數(shù)據(jù)可以定時發(fā)送短信到檢測者的手機(jī)，表2為某一個時刻收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果。經(jīng)測量，傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)時的電流為38 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時的電流為58 mA，休眠時的電流僅為1.4 μA，采用AA干電池可供節(jié)點工作時間長達(dá)3～4個月。

表2 實驗檢測結(jié)果

5 結(jié) 論

本文從硬件和軟件上都將低功耗作為前提，設(shè)計了一種基于WSNs-SMS的低功耗綜合水質(zhì)檢測系統(tǒng)。將低功耗芯片MSP430與CC2430和SMS模塊相結(jié)合，并應(yīng)用輪轉(zhuǎn)查詢式的Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)節(jié)點通信，從而大大降低了節(jié)點耗電。經(jīng)過實際檢測，結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，通信距離可達(dá)800 m左右，節(jié)點工作電流不超過60 mA，滿足應(yīng)用需求。

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