陸 洲，李江華

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子商務(wù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

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農(nóng)用灌溉水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)—基于無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)

陸 洲1，李江華2

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子商務(wù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

近年來(lái)，由于生活垃圾和工業(yè)污水的污染，農(nóng)用灌溉水水體污染嚴(yán)重，較多灌溉區(qū)水質(zhì)發(fā)生了很大變化，不再符合農(nóng)業(yè)灌溉標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水參數(shù)的監(jiān)測(cè)，提出了一套基于無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以無(wú)線傳感器為基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)采集水質(zhì)的pH值、溫度及溶氧量等信息，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳輸與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的有效監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)以STC15F2K60S2單片機(jī)為核心處理器，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理以及通信。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)量精準(zhǔn)，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸丟包率低。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳感；農(nóng)用灌溉；GPRS模塊；STC15F2K60S

0 引言

農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)檢測(cè)主要包括溫度、含鹽量、pH值、有毒害的重金屬離子和溶氧量等衡量水污染的因素。本文重點(diǎn)對(duì)灌溉用水的溫度、溶氧量和pH值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)管。農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感設(shè)備節(jié)點(diǎn)、路由器網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)及GPRS模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)檢測(cè)區(qū)，傳感器節(jié)點(diǎn)和路由器均勻分布，構(gòu)成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)。傳感設(shè)備節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)測(cè)量灌溉區(qū)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)信息，然后由路由器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)處；匯聚節(jié)點(diǎn)接收和處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)串口方式將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至智能處理器，由其將信息進(jìn)行分析、處理后通過(guò)人機(jī)界面顯示出來(lái)，提供可靠的水環(huán)境參數(shù)信息。匯聚節(jié)點(diǎn)的信息也可以通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)中心，或直接給用戶提供警告信息。

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括溫度、溶氧量和pH值等傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，由路由器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與處理器中心完成數(shù)據(jù)的傳輸和接送；在采集、處理、傳輸?shù)倪^(guò)程中，還要實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。

1.1 硬件組成

無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由多種傳感器、調(diào)理電路、串行接口、時(shí)鐘電路、JTAG調(diào)試接口和無(wú)線傳輸模塊組成。傳感器模塊主要pH值、溫度、溶氧量等水質(zhì)傳感器電路組成；調(diào)理電路由放大和AD轉(zhuǎn)化電路組成；單片機(jī)模塊、無(wú)線傳輸模塊和電源電路構(gòu)成系統(tǒng)的核心處理板。無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示， 設(shè)備實(shí)物圖如圖3所示。處理器采用STC15F2

K60S2加強(qiáng)型單片機(jī)，突出特點(diǎn)是抗擾性強(qiáng)、功耗低、處理速度快、無(wú)需外部晶振和外部復(fù)位等，特別適用于遠(yuǎn)程檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。無(wú)線模塊采用微功率、傳輸頻段可調(diào)的nRF24L01新型收發(fā)器件，功耗低，具有多種低功率工作模式，易于實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)。

為了保證數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，傳感器模塊采用集成模塊, pH值和溶氧量檢測(cè)使用上海羅素公司的pH電極與溶氧電極。pH電極測(cè)量范圍為0～14，其內(nèi)部集成了熱敏溫度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的測(cè)量；溶氧電極測(cè)量范圍為0.0～19.9mg/L，測(cè)量精度為±2.5%F.S。

圖2 無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖3 節(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)物圖

1.2 pH值檢測(cè)電路

由于pH電極輸出的信號(hào)為單片機(jī)無(wú)法采集mV級(jí)的數(shù)字量，因此需要在檢測(cè)部分加入一級(jí)放大電路。調(diào)理電路中采用INA118P運(yùn)算放大器構(gòu)成放大電路，放大后的電壓信號(hào)在0～5V之間。pH檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。

檢測(cè)電路輸出電壓為

(1)

其中，Vin為pH復(fù)合電極之間的電壓值；R1為可調(diào)電阻的電阻值；Vph為發(fā)送給單片機(jī)檢測(cè)處理的電壓值。

1.3 溫度檢測(cè)

為了節(jié)省系統(tǒng)的成本，本研究采用pH電極內(nèi)部的熱敏電阻測(cè)量灌溉水水溫。在檢測(cè)電路中，溫度檢測(cè)電路電壓輸出為0～5V之間，適合單片機(jī)采集處理。溫度檢測(cè)原理如圖5所示。

圖4 pH值檢測(cè)電路

圖5 溫度檢測(cè)原理圖

圖5中，Rt為熱敏電阻，其阻值跟著水溫的變化而變化，該電路的電壓信號(hào)輸出值為

(2)

1.4 溶氧量檢測(cè)

本文采用DO-952溶氧電極測(cè)量水中的溶氧量，該傳感器能夠提供長(zhǎng)期穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠的溶解氧測(cè)量數(shù)據(jù)，具有功耗低的特點(diǎn)，是遠(yuǎn)程在線環(huán)境監(jiān)測(cè)的理想選擇。其輸出范圍為4～20mA，因此需要采用放大電路來(lái)為信號(hào)進(jìn)行放大處理。溶氧量檢測(cè)原理圖如圖6所示。

溶氧量檢測(cè)電路采用兩級(jí)放大，其原理是將電極輸入信號(hào)加到前級(jí)的輸入端，經(jīng)過(guò)前級(jí)放大后再次加到后級(jí)的輸入端，再經(jīng)后級(jí)放大。該檢測(cè)電路的電壓輸出值為

(3)

其中，Vin為溶氧傳感器輸出的電壓值；R8和R12為可調(diào)電阻的電阻值；Vo為發(fā)送給單片機(jī)檢測(cè)處理的電壓值;K為電壓放大倍數(shù)。

圖6 溶氧量檢測(cè)原理圖

2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

由于農(nóng)用灌溉水水質(zhì)監(jiān)測(cè)各傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處位置具有很大的不確定性、分布比較分散、通訊條件極為不便，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的上傳，在從監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)管中心的網(wǎng)絡(luò)組建上，最經(jīng)濟(jì)的方法是采用GPRS方式。

GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，其方法是以“分組”的形式傳送數(shù)據(jù)。GPRS模塊在初始化、建立連接、發(fā)送指令和收集數(shù)據(jù)都需要根據(jù)協(xié)議進(jìn)行。GPRS數(shù)據(jù)傳輸流程如圖7所示。

圖7 GPRS數(shù)據(jù)傳輸流程圖

GPRS數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程為：首先進(jìn)行初始化操作，然后發(fā)送AT指令，完成雙方協(xié)議的認(rèn)證；在確定PPP連接后，獲取IP連接地址，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；最后建立Socker數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接，完成TCP/IP數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 微處理器程序設(shè)計(jì)

STC15F2K60S2單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)基于Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言編程。該軟件開(kāi)發(fā)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和GPRS通訊軟件等。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)水質(zhì)溫度、pH值及溶氧量的采集；路由器網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸；匯聚節(jié)點(diǎn)則作為基站，同步向遠(yuǎn)程檢測(cè)中心發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

本文以傳感器節(jié)點(diǎn)為例，介紹軟件模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)的初始化、數(shù)據(jù)采集和通信模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)流程如圖8所示。

圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

底層傳感器每隔30min采集1次水質(zhì)參數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集后立即進(jìn)入睡眠模式，滿足系統(tǒng)低功耗的要求；同時(shí)采用定時(shí)方式完成數(shù)據(jù)的傳輸，在這段時(shí)間內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收到校準(zhǔn)的同步信息時(shí)，調(diào)整節(jié)點(diǎn)的定時(shí)時(shí)間，然后自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，等到下一輪數(shù)據(jù)采集時(shí)才重新喚醒。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件采用Labview開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)的檢測(cè)和管理。單片機(jī)通過(guò)無(wú)線傳感器采集數(shù)據(jù)，并調(diào)用外部模塊程序?qū)?shù)據(jù)以文檔的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)GPRS的形式將文檔發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心可根據(jù)顯示界面實(shí)時(shí)查看灌溉區(qū)水參數(shù)，種植人員也能以用戶登錄的方式遠(yuǎn)程訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)查看采集到的數(shù)據(jù)信息。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件框架如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件框架圖

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件主要包括設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和用戶管理4個(gè)方面。設(shè)置模塊主要是對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮?shù)進(jìn)行設(shè)置；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集，當(dāng)水質(zhì)不合格時(shí)進(jìn)行報(bào)警；數(shù)據(jù)模塊是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和預(yù)警；用戶管理則可根據(jù)工程師和使用人員進(jìn)行特定的登錄權(quán)限和訪問(wèn)特定的數(shù)據(jù)信息。

4 系統(tǒng)實(shí)地檢測(cè)

為了驗(yàn)證基于無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)用灌溉水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性、有效性及穩(wěn)定性，在某一天將某一灌溉區(qū)用水實(shí)地檢測(cè)的數(shù)據(jù)與專門(mén)的檢測(cè)儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)量間隔為30min，判斷該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。pH值對(duì)比結(jié)果如表1所示，溶氧量測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 pH值對(duì)比結(jié)果

表2 溶氧量對(duì)比結(jié)果

由表1、表2可以看出：本系統(tǒng)測(cè)量值與專用儀器測(cè)量結(jié)果大致相同，其中溶氧量相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，溶氧量相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，測(cè)量比較精準(zhǔn)，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸丟包率低，符合水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足灌溉用水水質(zhì)參數(shù)的實(shí)際測(cè)量要求。

5 結(jié)論

本文研究的農(nóng)用灌溉水水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，采用無(wú)線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)采集水質(zhì)的pH值、溫度及溶氧量的參數(shù)信息，并可通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)地測(cè)量結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)量精準(zhǔn)，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸丟包率低，溶氧量相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，溶氧量相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。因此，該系統(tǒng)符合水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足灌溉用水水質(zhì)參數(shù)的實(shí)際測(cè)量要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

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[23] 張麗莉,武中強(qiáng),張卓.大浪淀水庫(kù)多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地下水,2010(2):68- 70.

[24] 肖克輝,肖德琴,張楊.基于謂詞的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)達(dá)標(biāo)采樣算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2010(14): 16-18,21.

[25] 胡曉剛.一種低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：華東師范大學(xué), 2009.

[26] 陳卓,段其昌,張從力,等.基于OPC和Web的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004(S2):252-254,263.

[27] 傅林,肖金球,顏丙葵.分布式富營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)預(yù)警在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013(22):148- 151.

Design of Water Quality Monitoring System for Agricultural Irrigation Based on Wireless Sensor Network

Lu Zhou1,Li Jianghua2

(1.School of Electronic Commerce, Baotou Light Industry Vocational Technical College, Baotou 014035, China; 2.College of Information Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

In recent years, because of life rubbish and industrial sewage pollution, agricultural irrigation water pollution is serious, great changes have taken place in the water irrigation area more, which no longer meet the standards for agricultural irrigation. In order to realize the monitoring of water parameters, this paper puts forward a set of water quality monitoring system based on wireless sensor network equipment. Based on the wireless sensor, through the wireless sensor network equipment acquisition water pH, the system takes temperature and dissolved oxygen and so on information and the node completed data transmission and processing, which realize the effective monitoring of the environmental parameters of the water quality system on a single chip stc15f2k60s2 as the core processor, the data acquisition, processing, and communication.The test results show that the system reaches the goal of measurement precision, stable operation, low packet loss rate data transmission.

water quality monitoring; wireless sensor; agricultural irrigation; GPRS module; STC15F2K60S

2016-05-05

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY16476)

陸 洲 (1981-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，副教授，碩士。

李江華(1972-)，男，太原人，副教授，博士，(E-mail)lz_nmg@sina.com。

S274;X832

A

1003-188X(2017)07-0235-05