鮑玉軍， 張 兵， 丁國梁

(常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 常州 213002)

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水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鮑玉軍*， 張 兵， 丁國梁

(常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 常州 213002)

針對生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的安全性、可靠性等要求，需要對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)監(jiān)測.設(shè)計(jì)一種新型的集傳感器、數(shù)據(jù)采集及處理、無線通信等技術(shù)于一體的水質(zhì)參數(shù)WSN(無線傳感網(wǎng))匯聚節(jié)點(diǎn).采用性能優(yōu)異的Zigbee芯片CC2530完成所采集的水質(zhì)參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換及WSN節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信；并使用性能優(yōu)異的ARM7內(nèi)核的S3C44B0X微處理器對采集的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析處理，通過控制GPRS模塊完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸.該匯聚節(jié)點(diǎn)使用太陽面板發(fā)電并對蓄電池充電的設(shè)計(jì)，解決系統(tǒng)獨(dú)立能源供應(yīng)問題，其能源轉(zhuǎn)換控制由S3C44B0X完成；通過移植μC/OS-Ⅱ至S3C44B0X管理匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行.研究結(jié)果表明該WSN匯聚節(jié)點(diǎn)可長期有效用于野外各種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，性能穩(wěn)定可靠.

WSN; 匯聚節(jié)點(diǎn); 太陽能；ARM7核

水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水中占有舉足輕重地位.為保證生活安全用水，及水產(chǎn)養(yǎng)殖用水的可靠性，需要對水資源的各種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行長期有效監(jiān)控.長期以來，環(huán)保部門及水產(chǎn)養(yǎng)殖部門主要通過設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行水樣數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各種分析，其數(shù)據(jù)采集的延遲性及數(shù)據(jù)的片面性不能及時(shí)反映水資源的動態(tài)狀況.在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測方面，國內(nèi)部分養(yǎng)殖場已經(jīng)開始使用“WSN(無線傳感網(wǎng))監(jiān)測水質(zhì)”代替“傳統(tǒng)人工取樣測量”或“相對較先進(jìn)的基于現(xiàn)場總線的有線無人值守測量”.但因國內(nèi)無線水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)起步較晚，自動化水平總體較低，尚處于起步階段.針對這種狀況，研究、設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)我國國情的基于WSN水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具有重大意義.

WSN是由具有感知、處理和無線通信能力的微型節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò).目前已經(jīng)廣泛地用于軍事、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、農(nóng)情監(jiān)測、保健、智能家居、工業(yè)、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域.WSN能夠?qū)Ρ槐O(jiān)測區(qū)域進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的跟蹤，具備迅速開展、低功耗、抗干擾強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)[1].

1 基于WSN的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

基于WSN的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和管理層.感知層包括監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)所需的各種傳感器(如溶解氧傳感器、PH值傳感器、溫度傳感器等)，這些傳感器包含在每一個(gè)WSN傳感器節(jié)點(diǎn)中；網(wǎng)絡(luò)層涉及到多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間及傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的無線數(shù)據(jù)通信.WSN中匯聚節(jié)點(diǎn)除了包含普通傳感器節(jié)點(diǎn)所有功能之外，還要承擔(dān)監(jiān)測區(qū)域WSN內(nèi)的重要數(shù)據(jù)處理任務(wù)，以及通過GPRS通信方式與管理層之間進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信任務(wù)；在管理層，用戶可借助于手機(jī)、PC機(jī)等網(wǎng)絡(luò)終端登錄服務(wù)器中數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，以實(shí)時(shí)了解被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)情況.

基于WSN的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)多部署于野外，系統(tǒng)長時(shí)間能源供應(yīng)問題比較突出，此外數(shù)據(jù)通信環(huán)境較為惡劣，必須采取一定措施保障數(shù)據(jù)通信的可靠性.論文提出一種適應(yīng)于水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的WSN匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括基于Zigbee芯片CC2530的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)采集及WSN無線數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)，考慮到CC2530自身51內(nèi)核處理能力的有限性，利用ARM7核微處理器S3C44B0X對所采集的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析、處理；設(shè)計(jì)了基于S3C44B0X的太陽能供電裝置.作為匯聚節(jié)點(diǎn)，利用S3C44B0X控制GPRS模塊的方式，實(shí)現(xiàn)WSN數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[2].

圖1 基于WSN的水質(zhì)參數(shù)測量系統(tǒng)Fig.1 Monitoring system of water-quality-parameters based on WSN

2 用于水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的WSN匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

用于水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的WSN匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示.CC2530是TI公司近幾年推出的新一代Zigbee片上芯片.它內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的8051微處理器內(nèi)核，完全兼容IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成了包括存儲器(RAM和ROM)、A/D轉(zhuǎn)換器、SPI通信總線及無線射頻模塊等在內(nèi)的多種功能模塊，這在實(shí)際應(yīng)用中能簡化硬件設(shè)計(jì)，且最大程度地實(shí)現(xiàn)低功耗無線通信[3-4].

普通傳感器節(jié)點(diǎn)，依靠CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，將傳感器所采集到的各種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行初步處理，再將之通過內(nèi)置Zigbee射頻模塊進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)之間通信.作為匯聚節(jié)點(diǎn)，考慮到CC2530有限處理能力，額外增加了ARM7核微處理器S3C44B0X用于對WSN數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，通過控制GPRS模塊(MC39i)以實(shí)現(xiàn)WSN內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸.考慮到節(jié)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，采取太陽能發(fā)電并對蓄電池充電的方式對整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能源供應(yīng)，光伏充電控制由S3C44B0X完成，安全、可靠.

2.1 采用太陽能供電的系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

圖3 太陽能電源控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of power controller designed for solar energy’s application

為了有效地了解及控制太陽能電池板及蓄電池工作狀態(tài)，采用2組閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-50SE(取樣電阻RM為50 Ω，則電阻上5 V電壓對應(yīng)“輸入50 A，輸出100 mA”)和霍爾電壓傳感器CHV-50P(輸出1 V對應(yīng)輸入10 V)分別對太陽能電池板輸出電壓、電流和蓄電池的輸出電壓、充電電流等四部分參數(shù)采樣，并由S3C44B0X微處理器對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.考慮到四路采樣信號幾乎都是直流信號且變化緩慢，故直接采用S3C44B0X的內(nèi)置的四路十位A/D轉(zhuǎn)換器(AD0-AD3)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可節(jié)約硬件成本.圖中的光電耦合器6N137主要用于隔離S3C44B0X所輸出的控制信號，以驅(qū)動功率開關(guān)器件T1，提高系統(tǒng)的抗干擾能力及穩(wěn)定性.

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)GPRS通信模塊接口設(shè)計(jì)

S3C44B0X與GPRS無線通訊模塊MC39i的接線如圖4所示.MC39i包含9針頭的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，與S3C44B0X之間的數(shù)據(jù)通信采用SP3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.SP3232與S3C44B0X的串口相連實(shí)現(xiàn)全雙工通信.在MC39i發(fā)送數(shù)據(jù)之前，用PPP協(xié)議先將MC39i模塊接入Internet.在TCP/IP協(xié)議中，PPP屬于數(shù)據(jù)鏈路層，用于在兩個(gè)對等網(wǎng)絡(luò)終端之間傳輸數(shù)據(jù)分組.具體操作為：使用LCP(可擴(kuò)展鏈路控制協(xié)議)建立數(shù)據(jù)鏈路，并對之進(jìn)行配置和測試；再用NCP(網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議)創(chuàng)建、設(shè)置不同網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議.在匯聚節(jié)點(diǎn)首次上電啟動初始化之后，便對MC39i模塊進(jìn)行包含工作頻率等參數(shù)在內(nèi)的各種設(shè)置，隨后開始撥號與移動基站之間進(jìn)行PPP協(xié)商，在獲得移動商提供的本地IP地址之后，便完成了GPRS模塊接入Internet的操作.

圖4 GPRS控制模塊Fig.4 Controlling module of GPRS

在MC39i模塊撥號成功并接入Internet之后，S3C44B0X采用“AT指令”對MC39i進(jìn)行控制.在通信上行端，S3C44B0X即可通過串行口控制MC39i模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸.S3C44B0X將匯聚節(jié)點(diǎn)需要遠(yuǎn)程傳遞的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行TCP/IP協(xié)議格式處理(得到IP格式數(shù)據(jù)報(bào))，再通過串行口對MC39i模塊進(jìn)行控制以將IP數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)換為GPRS數(shù)據(jù)分組格式并上傳至GPRS網(wǎng)絡(luò).在通信下行端，則按照層層解數(shù)據(jù)包的操作得到IP數(shù)據(jù)報(bào)，再由系統(tǒng)對之處理獲得應(yīng)用數(shù)據(jù).GPRS撥號上網(wǎng)過程以及PPP協(xié)商過程如圖5所示[5].

圖5 GPRS模塊撥號上網(wǎng)及PPP協(xié)商流程Fig.5 Process of GPRS module’s dialing up access and negotiation of PPP

3 嵌入式TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)及μC/OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植

TCP/IP協(xié)議簇包含4層，每層均含多種復(fù)雜、龐大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.考慮到該WSN匯聚節(jié)點(diǎn)主要用于基本的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，故在S3C44B0X中對TCP/IP協(xié)議簇采取裁剪式的實(shí)現(xiàn)，保留核心、基本協(xié)議(主要包括PPP、ARP、UDP、TCP及IP等)[6]，具體以“能應(yīng)用”為目標(biāo)，其裁剪之后的TCP/IP協(xié)議如表1所示.

表1 標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議裁剪前后的主要差異Tab.1 Main differences between standard TCP/IP and the simplified form

在微處理器上移植嵌入式操作系統(tǒng)管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，CC2530內(nèi)置8051微處理器，但考慮到其處理能力有限，無法同時(shí)勝任WSN匯聚節(jié)點(diǎn)除了數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及節(jié)點(diǎn)之間無線射頻通信任務(wù)之外的WSN數(shù)據(jù)分析、TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)及對GPRS模塊操作任務(wù).采用在S3C44B0X上移植μC/OS-Ⅱ管理WSN匯聚節(jié)點(diǎn)“上下位機(jī)(S3C44B0X與CC2530)通信”，能使節(jié)點(diǎn)有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性.

針對S3C44B0X的處理器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用匯編編寫一些代碼，使μC/OS-Ⅱ能對S3C44B0X微處理器相關(guān)寄存器進(jìn)行操作.具體包括：與編譯器無關(guān)的數(shù)據(jù)類型定義、堆棧數(shù)據(jù)類型及其增長方向定義包含在OS_CPU.H文件中；μC/OS-Ⅱ任務(wù)堆棧初始化代碼則包含在OS_CPU_C.C文件中；而系統(tǒng)時(shí)鐘中斷和任務(wù)切換函數(shù)等操作系統(tǒng)核心代碼則是采用匯編語言編寫并包含于OS_CPU_A.S文件[7].

4 結(jié)論

在國內(nèi)外，關(guān)于水質(zhì)的監(jiān)測始終是研究熱點(diǎn)之一.目前已提出包括生物學(xué)測量在內(nèi)的多種監(jiān)測方法.為確保生活安全用水及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的質(zhì)量，依靠無線傳感網(wǎng)的突出優(yōu)勢，在被監(jiān)測水域設(shè)置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無人值守監(jiān)測，利用節(jié)點(diǎn)之間WSN通信傳輸數(shù)據(jù)，并由WSN內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理，并遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器.用戶可借助PC機(jī)、手機(jī)等在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)終端登錄監(jiān)控平臺，以實(shí)時(shí)了解被監(jiān)測水質(zhì)情況.

論文主要設(shè)計(jì)了一種能適應(yīng)水質(zhì)監(jiān)測的WSN匯聚節(jié)點(diǎn)，重點(diǎn)對其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹.考慮到節(jié)點(diǎn)實(shí)際的工作環(huán)境特殊性，采取太陽能發(fā)電并對蓄電池充電的模式提供系統(tǒng)所需的各種電源，解決了WSN中最為重要的功耗問題(直接關(guān)系節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的生命周期).研究結(jié)果表明該WSN匯聚節(jié)點(diǎn)可長期、有效地用于野外各種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，性能穩(wěn)定可靠.同時(shí)，該匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法對其他使用WSN進(jìn)行監(jiān)測的場合同樣有較大的指導(dǎo)意義.

[1] 余小華， 陳 瑛. 一種改進(jìn)的WSN擁塞檢測和控制機(jī)制[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2011， 45(02):199-203．

[2] Jiang J， Lin T， Yang E. Application of a web-based remote agro-ecologicalmonitoring system for observing spatial distribution and dynamics of Bactrocera dorsalis in fruit orchards[J]. Precision Agriculture， 2013， 14: 323-342．

[3] 李新慧， 俞阿龍， 潘 苗. 基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)， 2013， 32(03):85-88．

[4] 陳克濤， 張海輝， 張永猛. 基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2014， 42(05):183-188．

[5] 鮑玉軍. 基于ARM與GPRS技術(shù)的SCADA系統(tǒng)在風(fēng)光電廠中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2011， 37(06)：131-134．

[6] 梁小宇， 劉新華. 基于組播樹的改進(jìn)一致性數(shù)據(jù)融合算法[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版， 2011， 45(03):374-379．

[7] 何一鳴. 基于LPC2214的傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 44(06)：911-916．

Sink node of wireless sensor network for monitoring of water-quality-parameters

BAO Yujun， ZHANG Bing， DING Guoliang

(School of Electronic Information & Electric Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou， Jiangsu 213002)

To meet the requirements of high reliability and safety of water for daily life， industrial and agriculture production， real-time and reliable monitoring of water-quality-parameters should be implemented. A kind of Sink Node of WSN including such technologies as intelligent sensor， data acquisition and wireless communication for monitoring of water-quality-parameters was designed. Water-quality-parameters’ A/D conversion and the communications between Sensor Nodes are realized by using CC2530. The final data of WSN is processed by using ARM7 kernel Microprocessor S3C44B0X， and the processed data is transmitted by controlling GPRS module. Solar panel and battery is applied in this design， which doesn’t need additional electric power. And the conversion from solar to power is also controlled by S3C44B0X. μC/OS-Ⅱis transplanted to S3C44B0X， which is helpful for the operation of Sind Node. The research results indicate that this Sink Node is able to be applied in long monitoring of all kinds of water-quality-parameters with excellent performance.

WSN; sink node; solar power； ARM7 kernel

2015-01-31.

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20141165)；江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目(201411055038).

1000-1190(2015)04-0527-05

TP399< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

A

*E-mail: yujun_bao@163.com.