閆宏浩， 陳天華

(北京工商大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計*

閆宏浩， 陳天華

(北京工商大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

針對傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)不能對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測,難以準(zhǔn)確檢測水質(zhì)參數(shù)的動態(tài)變化、水質(zhì)參數(shù)檢測誤差大等問題,提出了水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的硬件設(shè)計方案。系統(tǒng)主要通過核心單片機(jī)CC2530 實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計,采用太陽能電池板進(jìn)行供電,同時設(shè)計了采集溫度、pH 值的硬件電路,并對硬件電路進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)。在 IRA 開發(fā)環(huán)境下，進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的編程，使之能夠進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)溫度、pH值的平均相對誤差分別為3.06 %，1.64 %，提高了監(jiān)測精度。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 水質(zhì)監(jiān)測; 傳感器節(jié)點(diǎn); 硬件平臺

0 引 言

水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)隨著社會的發(fā)展而與時俱進(jìn)，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)主要是通過知識的累積，不斷地探索、挖掘出最符合經(jīng)濟(jì)效益、社會需求、性能優(yōu)化的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)始終局限于不能實(shí)時、大范圍、復(fù)雜水域的監(jiān)測，同時在水質(zhì)監(jiān)測過程中，出現(xiàn)操作復(fù)雜，耗時長、勞動強(qiáng)度力大等現(xiàn)象，由此可見，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測存在著一定的缺陷和不足[1]。為了滿足人們的要求和不同產(chǎn)業(yè)部門的需要,考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSNs)系統(tǒng)的優(yōu)勢與特點(diǎn)，本文提出了基于WSNs水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的方案。本系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了大范圍水域能夠靈活部署、采用多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布置，同時也可以對復(fù)雜水域進(jìn)行檢測，并能夠在線地傳送和收集信號，這樣更符合社會的實(shí)際需要[2]。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

水質(zhì)監(jiān)測的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括兩個部分，一部分是布置在水中的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，另一部分是負(fù)責(zé)通信和監(jiān)控的上位機(jī)部分，總體架構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

傳感器節(jié)點(diǎn)采用自組織方式部署在水質(zhì)監(jiān)測的實(shí)際環(huán)境中,在覆蓋范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成WSNs。該方案通過模塊化設(shè)計滿足個性化需要，傳感器子節(jié)點(diǎn)主要模塊有無線收發(fā)模塊、信號處理模塊、信號采集模塊、太陽能供電模塊。然后傳感器子節(jié)點(diǎn)再通過無線信號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過串口把數(shù)據(jù)傳給到PC機(jī)，然后再通過Internet把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶訪問端。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計

1.1 電源模塊的設(shè)計

由于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)需戶外供電，為了使供電能夠持久、節(jié)能，該系統(tǒng)的電源模塊設(shè)計采用太陽能供電。太陽能電池板不能直接給節(jié)點(diǎn)和傳感器供電，因?yàn)樘柲茈姵匕宀杉碾妷翰环€(wěn)定，所以,太陽能電池板需要通過調(diào)節(jié)控制器給蓄電池充電[4]。這里利用集成芯片Bq2057作為調(diào)節(jié)控制器，防止電流的過充和回流現(xiàn)象，從而保持輸出電壓能夠穩(wěn)定。如圖3所示，給出太陽能和蓄電池之間調(diào)節(jié)器控制電路。

圖3 太陽能和蓄電池之間調(diào)節(jié)器控制電路

1.2 溫度信號調(diào)理電路的設(shè)計

在進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測過程中，設(shè)計采用Pt 1000溫度傳感器進(jìn)行測量。這里采用橋式電路來測量傳感器兩端的電壓，之后再經(jīng)過AD623芯片進(jìn)行放大，放大電路放大20倍，可以達(dá)到所需要采集的電壓[5]。如圖4所示為相應(yīng)的電路。

圖4 溫度信號處理電路

1.3 pH電極信號調(diào)理電路設(shè)計

在水質(zhì)監(jiān)測的過程中，監(jiān)測水的酸堿度是一個重要的環(huán)節(jié)，本文利用E—201—C pH電極來對水的酸堿度進(jìn)行檢測，該電極采集的pH值范圍為1～14。

本文采用CA3140 芯片設(shè)計出一個電壓跟隨器，使信號能夠隔離，然后再把隔離后的信號經(jīng)AD623放大，若R6=1 kΩ，則電壓信號放大100倍，使輸出信號達(dá)到處理器模塊所需要的電壓。圖5所示為pH電極信號調(diào)理電路[6]。

圖5 pH電極信號調(diào)理電路

1.4 通信模塊的設(shè)計

通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。在WSNs中,節(jié)點(diǎn)能量的消耗主要在通信上,因此,應(yīng)選擇低功耗,高性能的通信芯片以延長節(jié)點(diǎn)壽命。本文采用CC2530作為節(jié)點(diǎn)主控芯片，利用Z-Stack 協(xié)議棧進(jìn)行軟件開發(fā)，系統(tǒng)自動采集發(fā)送水質(zhì)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了與監(jiān)控終端之間的通信。圖6為系統(tǒng)通信模塊。

圖6 通信模塊的設(shè)計

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)軟件可分為協(xié)調(diào)器軟件和傳感器節(jié)點(diǎn)軟件2部分。兩部分軟件是由基于一個輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)，Z-stack協(xié)議棧定義通信硬件和軟件在不同級如何協(xié)調(diào)工作。協(xié)議棧的Main函數(shù)在ZMain中，主要進(jìn)行系統(tǒng)初始化和開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體。Z-stack已經(jīng)編寫了對從MAC層到Zig Bee設(shè)備應(yīng)用層這5層任務(wù)的事件的處理函數(shù)，一般情況下無需修改這些函數(shù)，只需編寫應(yīng)用層的任務(wù)和事件處理函數(shù)即可。Z-Stack協(xié)議棧用C語言編寫，可移植性強(qiáng)。

整個應(yīng)用程序應(yīng)具備以下基本功能：協(xié)調(diào)器可以自動建立一個網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，而且一旦加入了網(wǎng)絡(luò)，就能夠自動與協(xié)調(diào)器建立綁定[7]。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程

在一個網(wǎng)絡(luò)中，通常只有一個協(xié)調(diào)器用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息，并且將這些信息進(jìn)行實(shí)時顯示并發(fā)送給監(jiān)控端PC。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后首先要進(jìn)行Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送超幀，等待傳感器節(jié)點(diǎn)的連接請求。當(dāng)收到傳感器節(jié)點(diǎn)的連接請求時，對其進(jìn)行認(rèn)證，然后發(fā)出允許連接的命令，即實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的綁定，網(wǎng)絡(luò)形成后，協(xié)調(diào)器把傳感器節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識號發(fā)送給監(jiān)控端登記，并等待傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)有傳感器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器會對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端軟件可將這些數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程

由于傳感器節(jié)點(diǎn)電池攜帶能量有限，在軟件設(shè)計時既要使之完成需要的功能，又要考慮能耗問題，故傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計應(yīng)使各模塊盡量在休眠狀態(tài)。

傳感器節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行Zig Bee協(xié)議棧初始化，然后開始信道掃描，尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)檢測到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的超幀信號時，向其發(fā)送建立連接的請求。在協(xié)調(diào)器允許連接并成功與協(xié)調(diào)器建立綁定后，獲得協(xié)調(diào)器的標(biāo)識號，讓其加入到網(wǎng)絡(luò)中，并且開始定時測量pH值和電導(dǎo)率、溶解氧，同時無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)空閑時，會轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，節(jié)電降低功耗[8]。圖8為傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖。

圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3 硬件電路穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

3.1 pH值的標(biāo)定

本文通過數(shù)學(xué)方法計算出HCl溶液和NaOH溶液理論上的pH值，然后和pH電極測得的HCl溶液和NaOH溶液的pH值進(jìn)行對比，通過相對誤差可以對pH值進(jìn)行補(bǔ)償，提高pH值的精度，以達(dá)到標(biāo)定的目的[9]。表1給出實(shí)際pH值在不同溶液的測量值。

表1 pH值在不同溶液的測量值

pH 值隨著溫度變化的平均相對誤差為2.32 %，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出 pH 值隨著溫度變化的相對誤差曲線，如圖9所示。

圖9 pH值隨著溫度變化的相對誤差

3.2 pH值與輸出電壓的線性測試

計算pH值是根據(jù)溶液中H+濃度對數(shù)的負(fù)數(shù)得出的，H+濃度越大其酸性越強(qiáng)，H+濃度越小其堿性越強(qiáng)。利用pH電極測量水的酸堿度，就是改變電極的原電池特性，原電池特性是隨著H+濃度的活性而改變的，即原電池兩端的電位是隨著H+濃度的改變而改變[10]。所以,可以根據(jù)所測得的電壓值來尋求與pH值的關(guān)系。如表2所示給出輸出信號與pH值的關(guān)系，由表2的數(shù)據(jù)可以得出pH的大小隨著電壓的增大而線性增加。

表2 輸出信號與pH值的關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)的測量值和理論上的測量值基本接近，溫度和pH值的平均相對誤差分別為3.06 %和1.64 %，測量精度滿足水質(zhì)監(jiān)測要求。如表3和表4分別為溫度與pH值的測試結(jié)果。

表3 溫度的測試結(jié)果

表4 pH值的測試結(jié)果

5 結(jié) 論

本設(shè)計從硬件上實(shí)現(xiàn)了基于WSNs的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，選用兩塊CC2530 射頻模塊做為協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)的無線組網(wǎng)，同時對溫度、pH值等參數(shù)進(jìn)行信號調(diào)理，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。軟件上，通過 IAR 對Z-stack 協(xié)議棧應(yīng)用層進(jìn)行編程，完成了子節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的配置，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的組建，并完成了通信。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度、pH值的平均相對誤差分別為3.06 %,1.64 %，比傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法的精度提高了25%左右，具有較高的精度。

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Hardware design of WSNs for water

quality monitoring*YAN Hong-hao, CHEN Tian-hua

(School of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Aiming at problem that traditional water quality monitoring systems can not real-time online monitoring water quality parameters ,it is difficult to accurately detect dynamic changes in water quality parameters,and water quality parameters detecting errors is large,propose a WSNs-based hardwave design scheme for water quality monitoring. This system mainly through core MCU CC2530 realize design of sensor node,and using solar panels for power supply,at the same time design hardware circuit to collect temperature,pH value,and stability test is carried out on hardware circuit. At the same time,in IRA development environment, programming of sensor node and coordinator is carried out to communicate. Experimental result shows that average relative error of temperature and pH value is 3.06 %,1.64 % respectively,and improve monitoring precision.

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

2014—07—22

北京市教委科研創(chuàng)新平臺項目(201151)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0081—04

TP 212

A

1000—9787(2015)04—0081—04

閆宏浩(1988-)，男，天津人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。