陳亞軒，王宜懷，柏 祥

(蘇州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006)

基于無線射頻和PLC的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

陳亞軒，王宜懷，柏 祥

(蘇州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006)

針對水質(zhì)監(jiān)測工作的特殊環(huán)境，將電力載波通信和無線射頻相結(jié)合，設(shè)計了一種新型智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用KW01與SSC1641進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)基于無線射頻模塊與電力載波模塊的有效通信模式，并基于此模式設(shè)計了由傳感器節(jié)點、根節(jié)點、控制集中器以及主控計算機(jī)組成的整體監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)通信穩(wěn)定、實時性高、成本低且易于實現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。

電力載波通信；無線射頻；水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測作為水污染控制的基礎(chǔ)工作，為水環(huán)境的管理、污染源控制以及環(huán)境規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。隨著水污染的加劇和水環(huán)境治理需求的增加，水質(zhì)監(jiān)測已經(jīng)成為環(huán)境管理的一項重要工作。

作為水質(zhì)監(jiān)測的系統(tǒng)工具，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)滿足準(zhǔn)確性、實時性、遠(yuǎn)程化以及智能化的要求。目前國內(nèi)外關(guān)于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究多數(shù)采用無線射頻(Radio Frequency，RF)技術(shù)[1]，在一定程度上可以達(dá)到該要求，但是受湖泊周圍多變的自然環(huán)境因素的影響，無線傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量較差，準(zhǔn)確性較低。此外，這種系統(tǒng)多數(shù)需要帶GPRS的主控器，設(shè)計成本高，再加上網(wǎng)站的維護(hù)費用，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的成本。

相比于無線射頻技術(shù)，電力線載波 (Power Line Carrier，PLC)通信能夠利用現(xiàn)有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無需重新架線，而且，電力載波模塊的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GPRS模塊，也不會產(chǎn)生后續(xù)收費，大大降低了成本，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能家居控制、遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控、智能抄表等系統(tǒng)當(dāng)中[2-4]。然而，多數(shù)湖面無電力線覆蓋且架設(shè)電力線難度較大，因此，本文將電力載波通信和無線射頻相結(jié)合，提出了一種基于無線射頻和PLC的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的組成及工作原理

基于無線射頻和電力載波的智能水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由主控計算機(jī)、控制集中器、根節(jié)點和傳感器節(jié)點組成。

圖1 智能水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點分布在湖面之上，負(fù)責(zé)水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)利用無線接口發(fā)送給根節(jié)點，根節(jié)點收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過電力載波通信接口將數(shù)據(jù)信號進(jìn)行調(diào)制、放大，最終耦合到電力線上，控制集中器在電力線終端接收數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、解調(diào)后，通過串口直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控計算機(jī)。

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點是最小的功能單位，負(fù)責(zé)水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，它的設(shè)計應(yīng)當(dāng)以低功耗、低成本、小體積和強(qiáng)感知能力為目標(biāo)[5-6]，至少具備以下幾個功能：(1)能夠采集相關(guān)的水質(zhì)數(shù)據(jù)；(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理和定時傳輸；(3)組建低功耗無線網(wǎng)絡(luò)；(4)微控制器與傳感器分離。本文設(shè)計的傳感器節(jié)點由傳感器模塊、KW01模塊和電源模塊組成，如圖2所示，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送給主控芯片KW01進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，KW01中AD模塊的采樣精度最高為16位，選取的參考電壓為3.3 V，則我們可以檢測到的模擬量最小變化為3.3/216=0.05 mV，為了使采樣的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，KW01采用均值濾波法對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選并去掉誤差較大的毛刺。KW01模塊是傳感器節(jié)點中的核心模塊，內(nèi)部集成了CPU、存儲器、AD模塊和輸入輸出等接口，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲以及收發(fā)等功能。電力模塊為傳感器模塊和KW01模塊供電，由于傳感器節(jié)點常被置于湖面之上，無持續(xù)的電力供應(yīng)，故采用電池供電的方式。

圖2 傳感器節(jié)點

KW01是飛思卡爾于2013年推出的首款融合了ARM Cortex-M0+內(nèi)核與Sub-1G射頻收發(fā)器的32位無線射頻芯片，具有低功耗、高性能、高集成度等特點，擁有有廣闊的市場前景和較高的應(yīng)用價值。

2.2 根節(jié)點

根節(jié)點用于接收各傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過整合與處理后輸送到電力線上。為了避免根節(jié)點因頻繁轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)而出現(xiàn)問題，系統(tǒng)設(shè)定了數(shù)據(jù)采集的時間間隔，當(dāng)達(dá)到數(shù)據(jù)采集的時間段時，傳感器節(jié)點才會進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送給根節(jié)點，其余時間根節(jié)點與傳感器節(jié)點處于低功耗狀態(tài)，延長了使用壽命。根節(jié)點包含無線射頻芯片KW01和電力載波芯片SSC1641，其部分接線如圖3所示，RST為復(fù)位端；SCL為I2C串行通信時鐘輸入端；SDA為I2C串行通信數(shù)據(jù)輸入/輸出端；R_LED和S_LED為收發(fā)控制端，當(dāng)芯片接收數(shù)據(jù)時，R_LED處于高電平，并控制相應(yīng)的指示燈亮，當(dāng)芯片發(fā)送數(shù)據(jù)時，S_LED處于高電平，并控制相應(yīng)的指示燈亮；RX和TX是串行通用接口輸入/輸出端。KW01與SSC1641的通信方式有兩種，分別為I2C串行通信和串行通用接口通信，由于SSC1641具有自適應(yīng)串口波特率的特性，故本設(shè)計采用了串行通用接口進(jìn)行通信。

圖3 KW01與SSC1641連接圖

2.2.1 KW01外圍電路

KW01的外圍電路僅由寫入器接口、電源模塊、射頻電路、調(diào)試串口、復(fù)位電路組成，設(shè)計簡單，但功能齊全。在KW01的硬件設(shè)計中，以射頻電路的設(shè)計尤為重要，這里重點說明。

根據(jù)信號放大、阻抗匹配、頻率篩選、硬件構(gòu)件化等多個射頻電路的設(shè)計要素，給出了如圖4所示的無線射頻電路的設(shè)計方案。VR_PA(RF)引腳輸出的電壓，通過一個交流阻斷模塊，為收發(fā)器的功率放大器提供波動較小的電源。當(dāng)工作在單天線模式時，KW01主要通過RFIO引腳進(jìn)行無線信號的收發(fā)。發(fā)送無線信號時，調(diào)制好的信號經(jīng)RFIO進(jìn)入一個由橢圓濾波器構(gòu)成的選頻電路，將無線信號限制在規(guī)定的頻率范圍之內(nèi)，然后通過一個特性匹配網(wǎng)絡(luò)來獲取最高的天線效率，提高信號增益，最后通過天線發(fā)送到空中。無線信號的接收過程與之相反。

圖4 RF射頻電路

2.2.2 SSC1641外圍電路

SSC1641是青島東軟載波科技股份有限公司研發(fā)的一款專門為電力線介質(zhì)作為通信信道而設(shè)計的電力線載波通信芯片，具有自適應(yīng)速率、功率調(diào)整、自適應(yīng)報文分幀等功能。SSC1641的外圍電路由EEPROM存儲、收發(fā)濾波和信號耦合等電路構(gòu)成，設(shè)計簡單高效，具有通信可靠、低成本、低功耗、外圍器件少等特點。

SSC1641外圍電路設(shè)計的重點與難點是信號耦合及收發(fā)濾波電路，如圖5所示。在輸出濾波電路部分，信號經(jīng)SSC1641芯片擴(kuò)頻后由SSCOUT_A引腳進(jìn)入輸出濾波電路，再經(jīng)過一個帶通濾波器使傳輸信號達(dá)到電力線通信的諧波要求，最后通過耦合電路將信號輸出到電力線上。其中，D21和D22是保護(hù)二極管，起到電壓鉗位的作用，抑制電力線上的干擾信號對內(nèi)部電路的沖擊；C20和L3組成串聯(lián)諧振帶通濾波電路，當(dāng)輸出大電流時，不會使載波信號嚴(yán)重失真，同時，當(dāng)處于輸入狀態(tài)時，可以消除部分帶外干擾，保護(hù)放大電路。

圖5 信號耦合及收發(fā)濾波電路

圖5中接收濾波電路部分，F(xiàn)1是12 V的瞬態(tài)抑制二極管(Transient Voltage Suppressor,TVS)，用于消除來自電力線上的高頻的干擾，保護(hù)內(nèi)部電路；D11和D12是一種倒置并聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用二極管的正向?qū)妷旱奶匦詠磴Q位這兩個二極管所在處的電壓，防止在輸入到載波芯片的電壓過高而損壞芯片。接收數(shù)據(jù)時，電力線上的信號經(jīng)耦合電路進(jìn)入接收濾波電路，最后通過SSCIN引腳進(jìn)入SSC1641芯片，進(jìn)行解調(diào)操作。

耦合電路用于隔離高壓的工頻交流電，圖5中的耦合電路主要由耦合線圈T1和電容C11組成。

3 軟件設(shè)計

3.1 KW01與SSC1641通信幀協(xié)議的設(shè)計

KW01與SSC1641通信采用異步半雙工的工作方式，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用主從通信方式，由主機(jī)發(fā)起通信，從機(jī)通過中斷接收，然后解析數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行指定操作，并發(fā)送反饋幀給主機(jī)，主機(jī)收到反饋幀后再發(fā)起新一輪的通信。KW01與SSC1641通信幀的格式如表1所示。

表1 幀格式

上述通信幀格式中的幀起始符表示一個幀的開始，其值68H。地址域由6個字節(jié)構(gòu)成，每字節(jié)為2位BCD碼，地址長度可達(dá)12位十進(jìn)制數(shù)，確保了每個節(jié)點都擁有唯一的通信地址?？刂拼a表示數(shù)據(jù)幀的作用，不同的控制碼對應(yīng)不同的命令。數(shù)據(jù)域長度為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，=0表示無數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域DATA包括數(shù)據(jù)標(biāo)識、密碼、數(shù)據(jù)、幀序號等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能改變而改變。校驗碼CS采用和校驗方式，計算從第一個幀起始符開始到校驗之前所有各字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計超過256的溢出值。幀結(jié)束符表示一個數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，其值為16H。節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀之后，首先判斷數(shù)據(jù)幀是否完整，再根據(jù)校驗碼判斷數(shù)據(jù)包是否出錯，若數(shù)據(jù)幀不完整或者產(chǎn)生錯誤則丟棄，若正確則進(jìn)行解幀操作，查看目的節(jié)點地址，以確認(rèn)是否是需要處理的數(shù)據(jù)幀，若是則處理，若不是則丟棄。

3.2 節(jié)點的軟件設(shè)計

基于CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行節(jié)點的軟件開發(fā)，采用C語言編程，軟件的設(shè)計采用構(gòu)件化思想以提高軟件的可重用性和可移植性[7]。軟件流程如圖6所示，設(shè)計主要包括芯片初始化、節(jié)點類型的判斷、數(shù)據(jù)的采集及處理、數(shù)據(jù)的收發(fā)等模塊的設(shè)計。

4 實驗結(jié)果

對本文設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了測試實驗，實驗所使用的傳感器節(jié)點集成了溫度、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮等多個傳感器。對實驗進(jìn)行了全天的監(jiān)測，并將系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關(guān)儀器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，部分?jǐn)?shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。同時對無線通信的可靠性進(jìn)行了測試，部分測試結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明100 m以內(nèi)的通信具有很高的可靠性，已足夠滿足水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的使用。

綜上所述，該系統(tǒng)通信可靠、運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了基于RF和PLC的水質(zhì)監(jiān)測控制。最后將設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)用于某湖水的質(zhì)量檢測中，取得了較好的效果。

圖6 軟件流程

表2 部分系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關(guān)儀器測量數(shù)據(jù)對比

表3 部分通信測試結(jié)果

5 結(jié)束語

運用電力載波通信和無線射頻相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，極大地提高了系統(tǒng)的監(jiān)控和管理水平，節(jié)約了成本。系統(tǒng)的實驗結(jié)果和實際應(yīng)用均表明了該系統(tǒng)的高效和靈活。兩種技術(shù)相結(jié)合的方式彌補了單方技術(shù)的缺陷，將優(yōu)勢發(fā)揮到最好，所設(shè)計的系統(tǒng)兼容性好、穩(wěn)定性高、投資少，有利于推廣，并且為水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種新的思路。

[1]杜治國.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2008，29(17)：4568-4570.

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Water quality monitoring intelligent system based on RF and PLC

Aimed at the special environment of water quality monitoring work,a new intelligent water quality monitoring system was proposed based on RF and PLC.The KW01 and SSC1641 was used for networking to implement an effective communication model based on RF module and power line carrier module.On the basis of the model,an integrated monitoring system with the composition of sensor node,root node,control concentrator and host computer was designed.Experimental results show that this monitoring system has stable communications,high real-time,low cost,easy implement and fine application prospect.

power line carrier;radio frequency;water quality monitoring system

TM 711

A

1002-087 X(2016)06-1293-03

2015-12-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(60871086)

陳亞軒(1989—)，男，江蘇省人，碩士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。