方愿捷，常夢(mèng)云，張　飛

(1.巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院 安徽 合肥 238000；2.國(guó)家電網(wǎng)安徽淮南市潘集區(qū)供電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

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一種帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)自組織節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

方愿捷1，常夢(mèng)云2，張飛1

(1.巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院 安徽 合肥 238000；2.國(guó)家電網(wǎng)安徽淮南市潘集區(qū)供電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

無線自組網(wǎng)系統(tǒng)有著較強(qiáng)的魯棒性，但對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，節(jié)點(diǎn)容易消亡。針對(duì)水域特定檢測(cè)環(huán)境，利用ZigBee、GPRS以及姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)的自組織節(jié)點(diǎn)，利用MEMS陀螺儀增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身的環(huán)境的感知能力，并通過差速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊微調(diào)能力增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)；自組織；姿態(tài)檢測(cè)；MEMS陀螺儀

引用格式：方愿捷，常夢(mèng)云，張飛. 一種帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)自組織節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(16)：80-82.

0　引言

隨著無線自組織技術(shù)的迅速發(fā)展，無線自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種集成了傳感器、無線通信和自動(dòng)化技術(shù)的交叉學(xué)科已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。因其布網(wǎng)方便、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，自組織網(wǎng)絡(luò)在大型湖域、海域、森林等都有廣泛應(yīng)用[1-3]。雖然整個(gè)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的魯棒性，但是對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都會(huì)受到各種惡劣環(huán)境的影響，不可避免地會(huì)造成部分節(jié)點(diǎn)死亡。這種情況出現(xiàn)會(huì)造成不可避免的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)大型湖域、水域等檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，容易受到風(fēng)浪影響，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)容易被損毀。

自平衡技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用，自平衡小車技術(shù)已經(jīng)很成熟[4-6]。在無線自組網(wǎng)的水域檢測(cè)系統(tǒng)中，自平衡檢測(cè)節(jié)點(diǎn)將增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)能力以及對(duì)抗惡劣環(huán)境的能力。

1　自平衡水域檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1　分級(jí)結(jié)構(gòu)圖

水域水質(zhì)關(guān)系到居民用水安全，鑒于水域的不同劃分，無線自組織網(wǎng)有不同的層次結(jié)構(gòu)：平面和分級(jí)。根據(jù)水域的特殊性，選用分級(jí)結(jié)構(gòu)，分級(jí)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。分級(jí)結(jié)構(gòu)應(yīng)包括：簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)。3類節(jié)點(diǎn)各自擔(dān)任的角色不同，但是在該系統(tǒng)中，3種節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)是相同的。

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用STM32作為主控處理器，搭載PH傳感器、溫度傳感器、ZigBee模塊、MEMS陀螺儀、GPRS模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊并配以顯示和報(bào)警模塊。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的傳感器通過采集溫度數(shù)據(jù)、PH數(shù)據(jù)，通過ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)通過壓縮算法，將數(shù)據(jù)壓縮打包后遠(yuǎn)傳至終端。

MEMS陀螺儀對(duì)小船姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到外界環(huán)境影響姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，容易造成傾覆，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的兩臺(tái)電機(jī)會(huì)進(jìn)行微調(diào)，提高整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性。兩個(gè)電機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，接受遠(yuǎn)程終端指令，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的能控，可以更好地調(diào)整水域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的分布。

2　水質(zhì)數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)

PH值、水溫度等因素是表征水質(zhì)的重要特征，水質(zhì)數(shù)據(jù)處理單元包括傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、無線發(fā)送模塊及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊等主要模塊。

節(jié)點(diǎn)中的水質(zhì)采集單元里的溫度傳感器使用DS18B20數(shù)字式傳感器，PH傳感器與STM32的AD 模塊相連，直接將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到STM32處理器中。

水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)，ZigBee模塊是以CC2430為核心的模塊，CC2430與STM32的復(fù)用引腳的UART實(shí)現(xiàn)串行通信，STM32將檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過UART模塊的發(fā)送引腳發(fā)送至ZigBee模塊，在移位處理器中將數(shù)據(jù)逐位發(fā)送出去，ZigBee在接收到數(shù)據(jù)后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

水質(zhì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊使用SIM900A，SIM900A是一個(gè)GSM/GPRS通信模塊，該模塊與處理器通信采用串行異步通信即UART通信，使用模塊時(shí)，只需給SIM900A提供一個(gè)+5 V電源，將其串行通信接口與STM32的另一個(gè)串行口相連，STM32的雙串行接口使得GPRS模塊與ZigBee模塊可以并行工作互不影響，資源得到充分利用。

3　節(jié)點(diǎn)姿態(tài)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

MEMS陀螺儀作為姿態(tài)檢測(cè)單元已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于自平衡小車和飛行器中，成為小車、飛行器增模塊[4-6]。

MPU6050六軸傳感器模塊采用高精度陀螺加速計(jì)，傳感器模塊可以對(duì)x、y、z方向的加速度進(jìn)行測(cè)量，通過姿態(tài)矩陣解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波器，將加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，輸出載體姿態(tài)角。其姿態(tài)解算過程如圖3所示。

圖3　陀螺儀姿態(tài)解算過程

姿態(tài)解算模塊通過I2C與STM32串口相連，STM32通過串口訪問MPU6050獲得載體在x、y、z軸上的姿態(tài)角α、β、γ。輸出的加速信號(hào)和計(jì)算解得的角度信號(hào)如圖4所示[7-9]。

圖4　六軸傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄圖

4　節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及動(dòng)力單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具備自組織能力，當(dāng)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)候，鄰近的節(jié)點(diǎn)能夠補(bǔ)上，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)具有能動(dòng)性，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備微調(diào)能力，節(jié)點(diǎn)添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)采用兩個(gè)電機(jī)差速工作。

承載結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)為聚苯乙烯板，聚苯乙烯有著質(zhì)量輕，價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，該船體有著雙層防水層，可以很好地隔開水汽對(duì)電路的干擾，即使最下層破裂也能漂浮在水面上，提高節(jié)點(diǎn)工作的穩(wěn)定性。船體結(jié)構(gòu)的外形設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　承載結(jié)構(gòu)主視圖、俯視圖、左視圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的L9110控制驅(qū)動(dòng)芯片是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，雙通道能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過750～800 mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5～2.0 A，使它在驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

MEMS陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)，如果節(jié)點(diǎn)有向某一軸向傾覆的趨勢(shì)，反方向的LG9110驅(qū)動(dòng)電路將輸出PWM波，驅(qū)使一邊的差速電機(jī)獨(dú)立工作，平復(fù)小船傾覆趨勢(shì)。

5　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

各節(jié)點(diǎn)應(yīng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，匯總后將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送。在測(cè)試時(shí)，為了驗(yàn)證正確性，數(shù)據(jù)將在簇頭節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行匯總顯示，并與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比調(diào)試。圖7展示了調(diào)試的畫面，上面的電路板為簇頭節(jié)點(diǎn)，下面的電路板為對(duì)等節(jié)點(diǎn)1，可以觀察到對(duì)等節(jié)點(diǎn)1檢測(cè)出溫度數(shù)據(jù)為19.8℃，PH值為7.62，經(jīng)過ZigBee模塊發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)后匯總，簇頭節(jié)點(diǎn)顯示出當(dāng)前A、B、C、D 4個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)時(shí)的PH值，匯總的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7　簇頭節(jié)點(diǎn)匯總溫度數(shù)據(jù)

測(cè)試過程中，將節(jié)點(diǎn)3的傳感器探頭放在PH大約為2的酸性溶液中，顯示出測(cè)量的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖8所示，測(cè)得PH值為2.41，溫度為20.8℃。

表1　匯總節(jié)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8　檢測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)到pH值2.41

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了帶姿態(tài)檢測(cè)的水域水質(zhì)檢測(cè)自組織節(jié)點(diǎn)在對(duì)無線自組織網(wǎng)絡(luò)和水質(zhì)檢測(cè)的方法深入研究的基礎(chǔ)上，圍繞著節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由SIM900A和CC2430組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)在無線傳輸、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳中都得到較好的應(yīng)用。節(jié)點(diǎn)自帶姿態(tài)檢測(cè)，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)抗擾動(dòng)能力，為節(jié)點(diǎn)自平衡提供了可能。后續(xù)工作中可以將數(shù)據(jù)融合、節(jié)點(diǎn)的自平衡能力作為研究方向，使其可以具備更強(qiáng)的抵抗自然災(zāi)害的能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] 姜晟,王衛(wèi)星,孫道宗,等.能量自給的果園信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(9)：153-158.

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The design of water quality detection self organizing node with attitude detection

Fang Yuanjie1, Chang Mengyun2, Zhang Fei1

(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering，Chaohu University, Hefei 238000，China;2.State Grid Anhui Huainan Panji District Power Supply Company, Huainan 232000, China)

The wireless ad hoc network system has strong robustness. For a self-organizing node, it may be dead for the environmental reasons. Using ZigBee, GPRS and attitude detection methods, the water quality detection self organizing node with attitude detection was designed for the special water detection environment. Using MEMS gyroscope to enhance the perception ability of the node to its own environment , the stability of the node was strengthened by the differential motor drive module. The water quality detection node with attitude detection was realized.

water quality monitoring; self-organization; attitude detection; MEMS gyroscope

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2014A173)

TN919

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.023

2016-03-24)

方愿捷(1988-),通信作者，碩士，助教，主要研究方向：電力電子與現(xiàn)代電力傳動(dòng)。E-mail：fangyuanjie@163.com。