顧敏明++雷巖++肖金球

摘 要：針對傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測實時性差、耗費勞動量大、監(jiān)測面積小等缺點，設(shè)計了面向水環(huán)境的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)方案。該方案由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點和數(shù)據(jù)服務(wù)器三部分構(gòu)成。采用CC2530芯片及CC2591來實現(xiàn)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸；采用華為EM770模塊實現(xiàn)3G網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)服務(wù)器的3G通信。理論分析和實踐表明，該方案可實現(xiàn)水環(huán)境的24小時不間斷監(jiān)測，并具有較好的實時性及便捷性。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境監(jiān)測；ZigBee；3G；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

水環(huán)境監(jiān)測是水資源保護的必要環(huán)節(jié)，目前的水環(huán)境監(jiān)測方法主要包括：人工采樣監(jiān)測法、水質(zhì)監(jiān)測站監(jiān)測法、水生物監(jiān)測法等[1]。這些傳統(tǒng)的監(jiān)測方法具有各自的優(yōu)缺點，但均不能進(jìn)行大面積大范圍全天候的實時監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種用來感知環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測，能夠很好地克服傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測方法實時性差、耗費大、監(jiān)測面積小等缺點。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

面向水環(huán)境的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。本系統(tǒng)分為 3 部分：監(jiān)測水域內(nèi)的監(jiān)測節(jié)點、監(jiān)測水域內(nèi)的3G（WCDMA）網(wǎng)關(guān)節(jié)點和數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

布置在監(jiān)測水域的多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點動態(tài)地組成傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點都能夠采集水的 pH 值、溶氧量 、電導(dǎo)率和水溫等多種參數(shù)，并對采集的參數(shù)做線性化、數(shù)據(jù)打包、存儲等處理，并將數(shù)據(jù)傳送至3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點；3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點將收到的數(shù)據(jù)通過 WCDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)中心；數(shù)據(jù)服務(wù)中心對不同水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行處理和分析，對水質(zhì)量急劇變化的情況及水質(zhì)污染情況進(jìn)行報警，為水環(huán)境污染、富營養(yǎng)化等情況的防治提供支持和決策；數(shù)據(jù)中心用戶通過 Internet 實現(xiàn)對待監(jiān)測水域進(jìn)行實時監(jiān)測，對于緊急情況3G網(wǎng)關(guān)將發(fā)出實時的GSM短信給監(jiān)測單位負(fù)責(zé)人。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 采集節(jié)點的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件部分主要包含水質(zhì)參數(shù)檢測裝置/傳感器、處理模塊、射頻模塊和野外供電系統(tǒng)四部分，數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采集節(jié)點處理模塊由TI 公司生產(chǎn)的片上系統(tǒng)芯片CC2530、系統(tǒng)時鐘電路、Debug電路和運行狀態(tài)指示燈組成。CC2530芯片控制感知模塊和射頻模塊用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。Debug調(diào)試接口電路和運行指示燈用于系統(tǒng)調(diào)試和指示。為了有效提高無線通訊的質(zhì)量，增加通信距離，數(shù)據(jù)采集節(jié)點增加了射頻模塊，采用TI公司研制的CC2591芯片。CC2591是一款高性價比和高性能的2.4 GHz射頻前端芯片，適合低功耗、低電壓的2.4 GHz無線應(yīng)用[2]。它主要集成了功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、平衡轉(zhuǎn)換（Balum）等多種功能的電路，大大降低了外圍電路的設(shè)計難度，同時也改善了射頻（RF）性能。

感知模塊共采用5種類型的傳感器，包括電導(dǎo)率傳感器、pH傳感器、濁度傳感器、氨氮傳感器和溶解氧傳感器。其中，電導(dǎo)率、pH傳感器、濁度傳感器通過設(shè)計信號調(diào)理電路將傳感器的輸出信號調(diào)理到CC2530的AD能夠監(jiān)測的范圍，氨氮傳感器和溶解氧傳感器則通過RS 485接口與CC2530 的UART口相連。監(jiān)測系統(tǒng)主要安裝在野外，沒有電源提供。

2.2 野外太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

野外太陽能供電系統(tǒng)能提供穩(wěn)定的電源，可保證電路系統(tǒng)的運行。供電系統(tǒng)包含了能量采集、充電管理、鋰電池保護電路、穩(wěn)壓電路以及鋰電池五個部分。能量采集模塊選擇6 V/10 W的太陽能電池板。采用3.7 V/6.6 Ah的鋰電池作為能量存儲模塊。太陽能充電管理芯片采用CN3065芯片，太陽能充電管理電路設(shè)計如圖3所示。輸入端D1、D2采用肖特基二極管SS26，用來降低太陽能光伏電池的輸入電壓。D4、D5為充電指示燈。當(dāng)正常充電時，CN3065的引腳輸出的是低電平，狀態(tài)指示燈D4亮；當(dāng)充電結(jié)束后，CN3065的引腳輸出的是低電平，狀態(tài)指示燈D5亮。電阻R1是用來設(shè)置恒流充電時的電流ICH，根據(jù)公式 ICH=1 800 V/ R1，其中R1的單位為Ω，實際使用中網(wǎng)關(guān)節(jié)點和數(shù)據(jù)采集節(jié)點的功耗不同，數(shù)據(jù)采集節(jié)點R1=3.6 kΩ，網(wǎng)關(guān)節(jié)點R1=1.8 kΩ。

圖3 太陽能充電管理電路設(shè)計

2.3 3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計

3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件電路包含有ZigBee通信模塊、處理器模塊、3G模塊和野外供電系統(tǒng)（電源模塊）四部分。處理器模塊的主控芯片采用TI公司的MSP430F149單片機，它是一款16位單片機，具有低功耗、低電壓供電等優(yōu)點[3]，還集成了豐富的外圍接口，能夠滿足網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計要求。3G模塊主要負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，且具有短信發(fā)送和接收功能。監(jiān)測系統(tǒng)中3G模塊采用華為公司生產(chǎn)的EM770W，它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持WCDMA協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)AT指令集[4]。MSP430單片機提取需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過UART接口控制3G模塊，將需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)處的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2.4 EM770W模塊接口電路

EM770W無線模塊支持2個UART接口，其中UART1支持帶流控功能的全串口，可支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)，用戶可以從UART1發(fā)起PPP撥號，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模式UART2 支持5線制串口模式，不支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)和收發(fā)AT命令等，但可以支持收發(fā)DIAG命令[4]。因此采用UART1接口與MCU相連。設(shè)計MSP430單片機與EM770W的UART1接口時使用了UART1_TX，UART_RX兩個信號，具體的連接如圖4所示。EM770W模塊與MSP430單片機連接時，需要在MSP430單片機的P3.6/TXD管腳間加1 kΩ電阻，以避免因為電平不同造成I/O口損壞。

圖4 MSP430與EM770W的UART1的連接

野外供電系統(tǒng)提供了電壓為3.7～4.2 V的電源供給EM770W無線模塊。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號很弱時，天線以最大功率發(fā)射，3G模塊的瞬態(tài)最大電流有1.6 A。防止WCDMA大功率發(fā)射時電壓可能會跌落，在EM770W模塊的電源端口與地之間連接較大的超級電容，通常在1 800 μF以上。EM770W模塊采用了特性阻抗為50 Ω的吸盤天線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

目前用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)很多，如TinyOS、MantisOS、LiteOS等。采集節(jié)點操作系統(tǒng)使用TinyOS。該系統(tǒng)是美國UC Berkeley（加州大學(xué)伯克利分校）研究人員專門針對ZigBee網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的開源操作系統(tǒng)。系統(tǒng)采用輕量級線程、兩層調(diào)度方式、事件驅(qū)動模式、主動消息通信等技術(shù)，有效地提高了傳感器節(jié)點CPU的使用率[5]。TinyOS開發(fā)的應(yīng)用程序都是由一系列的組件共同構(gòu)成的，組件之間通過接口（Interface）相連接，并由此實現(xiàn)調(diào)用。接口聲明了一系列命令（command）處理程序和事件（event）處理程序。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的采集節(jié)點和主節(jié)點的通信使用TinyOS系統(tǒng)中活動消息（PlatformMacC）模型，活動模型組件PlatformMacC包含了路由層及以下的協(xié)議。PlatformMacC包含的主要功能有：CSMA/CA、鏈路層重發(fā)、重復(fù)包判斷等機制。CSMA/CA機制使節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前首先去偵聽信道狀況，只有在信道空閑的情況下才發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免了數(shù)據(jù)碰撞，保證了節(jié)點間數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。鏈路層重發(fā)機制是當(dāng)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送失敗時，鏈路層重發(fā)，直到發(fā)送成功或重發(fā)次數(shù)到達(dá)設(shè)定的閾值為止，提高了數(shù)據(jù)的成功到達(dá)率；重復(fù)包判斷機制是節(jié)點根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點地址及數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)判斷該包是不是重復(fù)包，如果是重復(fù)包，則不處理，防止節(jié)點收到同一個數(shù)據(jù)包的多個拷貝。

3.2 采集節(jié)點軟件設(shè)計

采集節(jié)點承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等工作，由于野外監(jiān)測系統(tǒng)中能量供給有限，采集節(jié)點的工作方式采用休眠和偵聽的方式。采集節(jié)點開啟后，請求加入主節(jié)點建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并上傳節(jié)點ID。當(dāng)加入網(wǎng)絡(luò)成功后，主節(jié)點會廣播定時器清零命令，以達(dá)到各個節(jié)點的休眠時間同步。采集節(jié)點設(shè)定定時器后進(jìn)入休眠狀態(tài)。節(jié)點由定時器超時任務(wù)觸發(fā)自動蘇醒，每一次醒來后采集數(shù)據(jù)并且向主節(jié)點發(fā)送采集數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后采集節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)。采集節(jié)點程序流程如圖5所示。

圖5 采集節(jié)點程序流程圖

4 3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

4.1 3G網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計

3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計主要是為安全實現(xiàn)ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換使采集節(jié)點采集到的實時水環(huán)境參數(shù)及時傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器；3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點長期在野外運行，為提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計3G網(wǎng)關(guān)自我故障的監(jiān)測和SMS報警的功能。3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件框架如圖6所示。3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件主要包括：主程序及系統(tǒng)初始化、ZigBee驅(qū)動和數(shù)據(jù)接收、3G驅(qū)動和數(shù)據(jù)收發(fā)、系統(tǒng)故障自檢和處理及SMS短信接收和發(fā)送。

圖6 3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件框架

4.2 3G網(wǎng)關(guān)ZigBee主節(jié)點模塊程序設(shè)計

3G網(wǎng)關(guān)ZigBee主節(jié)點模塊承擔(dān)著收集ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點數(shù)據(jù)，并傳輸給網(wǎng)關(guān)處理器的工作。TinyOS中主節(jié)點通過低功耗監(jiān)聽（Low-Power Listiening，LPL）技術(shù)實現(xiàn)無線電的低功耗收發(fā)[6]。采用低功耗監(jiān)聽技術(shù)時主節(jié)點不會一直開啟無線模塊，而是每隔一段時間開啟無線模塊且保持無線模塊開啟的持續(xù)時間只夠檢測信道上的一個載波。如果檢測到一個載波，就會保持無線模塊開啟時間足夠監(jiān)聽到一個數(shù)據(jù)包。主節(jié)點開啟初始化后，創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建完后進(jìn)入低功耗監(jiān)聽狀態(tài)，等待采集節(jié)點的數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收數(shù)據(jù)報文時將其發(fā)送給3G網(wǎng)關(guān)處理器。主節(jié)點程序流程如圖7所示。

圖7 主節(jié)點程序流程圖

5 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的性能對蘇州科技學(xué)院內(nèi)小河的水質(zhì)進(jìn)行了24小時監(jiān)測。在內(nèi)河邊安裝了4個數(shù)據(jù)采集節(jié)點和一個3G網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成了水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實物如圖8所示，實時監(jiān)測了pH值、溶解氧等參數(shù)。3G網(wǎng)關(guān)將各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。

測試結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，可以實現(xiàn)水環(huán)境參數(shù)24小時實時監(jiān)測和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，圖9所示為24小時的溶解氧測量曲線，由圖可見，溶解氧值變化正常。系統(tǒng)可以完成對水質(zhì)數(shù)據(jù)超標(biāo)預(yù)警和水華預(yù)警等功能。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)測試環(huán)境 圖9溶解氧和pH值測量曲線

6 結(jié) 語

將無線傳感器網(wǎng)和3G技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境的實時監(jiān)測中設(shè)計了面向水環(huán)境的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了大面積大范圍的實時在線水環(huán)境監(jiān)測。系統(tǒng)的維護成本低，能夠滿足實際要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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